[发明专利]实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置和测量方法

权利要求书

1.一种实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置，特征在于其构成包括激光器(1)，沿该激光器(1)输出激光前进的主光路方向依次是第一可调衰减片(2)、声光调制器(3)、第一孔径光阑(5)、第一分光棱镜(8)、第二分光棱镜(9)、第一聚焦透镜(11)、待测样品(12)、第二聚焦透镜(14)、第三分光棱镜(15)、第二小孔光阑(18)和第三探测器(19)，该第三探测器(19)的输出端与计算机(20)的输入端相连；所述的第一聚焦透镜(11)和第二聚焦透镜(14)共焦，所述的待测样品(12)位于样品控制台(13)上且该待测样品(12)表面垂直于所述的主光路，置于所述的第一聚焦透镜(11)和第二聚焦透镜(14)共焦点附近；

所述的声光调制器(3)与信号发生器(4)相连，由第一可调衰减片(2)、声光调制器(3)和信号发生器(4)组成参数调制部分；

在所述的第一分光棱镜(8)的一侧垂直于所述的主光路方向设置冷光源(6)，该冷光源(6)发出的光经第一分光棱镜(8)反射后沿所述的主光路经第二分光棱镜(9)进入所述的第一聚焦透镜(11)，在所述的第一分光棱镜(8)的另一侧垂直于所述的主光路方向设置第一探测器(7)，该第一探测器(7)的输出端与所述的计算机(20)的输入端相连；

在所述的第二分光棱镜(9)的一侧垂直于所述的主光路方向设置滤光片(21)和CCD(10)；

在所述的第三分光棱镜(15)的一侧垂直于所述的主光路方向依次设置第二可调衰减片(16)、凸透镜(22)和第二探测器(17)，该第二探测器(17)的输出端与所述的计算机(20)的输入端相连；

所述的计算机(20)的输出端与所述的样品控制台(13)的控制端相连。

2.根据权利要求1所述的实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置，其特征在于所述的第一可调衰减片(2)的输出激光功率对入射激光功率的比值0～1任意可调。

3.根据权利要求1所述的实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置，其特征在于所述的声光调制器(3)对激光脉冲宽度从5ns到连续光连续可调。

4.利用权利要求1所述的实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置进行测量的方法，其特征在于包括下列步骤： 

①将待测样品(12)放在样品控制台(13)上，调节样品控制台(13)的位置，使待测样品(12)的表面和激光束垂直；调节所述的CCD(10)的位置，使待测样品(12)在CCD(10)上清晰地成像，设置样品控制台(13)的参数：样品控制台(13)总运行步长数为7500步，运行速度为5步/秒；定义主光轴为Z轴，激光入射的方向为正方向，待测样品(12)随样品控制台(13)沿Z轴运动；定义待测样品(12)的外表面(A)在焦点处的位置为Z轴坐标的零点，待测样品(12)的外表面(A)在Z₁＝-10Z₀的位置为起始运动位置，待测样品(12)的外表面(A)在Z₂＝10Z₀的位置为终了运动位置，Z₀为所述的聚焦透镜(11)的焦深；

②调节第一衰减片(2)及信号发生器(4)，设置所述的声光调制器(3)输出的激光功率和激光脉冲宽度，通过计算机(20)驱动样品控制台(13)沿Z轴从Z₁＝-10Z₀位置向Z₂＝10Z₀位置运动，同时第二探测器(17)和第三探测器(19)分别收集透过所述的待测样品(12)的激光能量，由数据采集器转变为电压信号通过软件在计算机(20)上显示，采集的数据电压值作纵坐标，相应的Z轴的位置作横坐标，通过软件处理保存为.txt格式文档，留作后续处理；

③计算机(20)对第二探测器(17)采集到的开孔数据作归一化处理，将第二探测器(17)对应的曲线的所有纵坐标数值除以Z＝-10Z₀处的纵坐标数值，得到待测样品(12)的开孔的相对透过率，曲线的大致形状是在焦点Z＝0出呈现一个峰或者谷，而远离焦点处归一化透过率为1，取Z＝0处的纵坐标值T(0)，代入以下公式计算得到待测样品(12)的非线性吸收系数β：

其中：I₀是焦点处的激光强度， P是第二探测器(17)测得的激光功率，w₀是焦点处的激光斑点大小， N.A.是第一聚焦透镜(11)的数值孔径；L_eff是待测样品(12)的有效厚度，L是待测样品(12)的实际厚度，L_eff＝[1-exp(-α₀L)]/α₀；α₀是待测样品(12)的线性吸收系数；

④对第三探测器(19)采集到的闭孔数据作归一化处理，将第三探测器 (19)对应的曲线的所有纵坐标数值除以Z＝-10Z₀处的纵坐标数值，再将其除以步骤③中的归一化结果，得到一支类似于sin形状或cos形状的曲线，取曲线的峰和谷的差值ΔT_P-v并代入以下公式，求出待测样品(12)的非线性折射系数γ：

ΔT_p-v＝0.406(1-S)^0.25|kγI₀L|

其中：S是第二小孔光阑(18)的参数， r_a是第二小孔光阑(18)的半径，w_a是第二小孔光阑(18)处透射光斑的半径；k是作用激光的波数， λ是激光波长；

⑤在待测样品(12)移动的同时，观察CCD(10)中待测样品表面形貌的变化，以了解与待测样品(12)的非线性吸收系数β和非线性折射系数γ相关的物理信息，注意每次变换实验条件时均要调节待测样品(12)的位置，选择不同的激光作用点；

⑥调节第一衰减片(2)及信号发生器(4)，改变激光功率和激光脉冲宽度，重复以上第②～⑤步，以获得不同激光功率和激光脉冲宽度下待测样品(12)的非线性吸收系数β和非线性折射系数γ。