[发明专利]一种超快椭偏仪装置和测量方法

权利要求书

1.一种超快椭偏仪装置，其特征在于，包括啁啾脉冲发生单元、泵浦光路单元、探测光路单元和反射光路单元，其中：

所述啁啾脉冲发生单元包括飞秒脉冲激光器(101)、啁啾脉冲放大器(102)和非偏振分光镜一(103)，其中所述飞秒脉冲激光器(101)和啁啾脉冲放大器(102)共同组成啁啾脉冲光源以产生皮秒量级啁啾脉冲，而所述的非偏振分光镜一(103)将上述啁啾脉冲分为泵浦光和探测光；

所述泵浦光路单元包括平面反射镜一(104)、延迟器(105)、平面反射镜二(106)和聚焦透镜一(107)，所述泵浦光依次经过所述泵浦光路单元中的上述各部件，然后垂直于待测样品的下表面对所述待测样品进行泵浦冲击；

所述探测光路单元包括光阑(108)、平面反射镜三(109)、起偏器(110)、半波片一(111)和聚焦透镜二(112)，所述探测光依次经过所述探测光路单元中的上述各部件，然后以一定角度斜入射至所述待测样品的上表面；

所述反射光路单元包括准直透镜(114)、平面反射镜四(115)、偏振分光单元和光谱仪(121)，所述探测光经所述待测样品反射后的反射光依次经过所述反射光路单元中的上述各部件，以产生频域干涉条纹，以此方式实现单发脉冲对材料冲击动力学特性和光学特性的测量，所述偏振分光单元包括偏振分光镜(116)和非偏振分光镜二(120)，其中所述偏振分光镜(116)将进入到其内的所述反射光分为P偏振光和S偏振光；所述P偏振光经过平面反射镜五(117)反射后进入所述非偏振分光镜二(120)中；所述S偏振光依次经过平面反射镜六(118)和半波片二(119)后进入所述非偏振分光镜二(120)中；所述P偏振光和S偏振光经所述非偏振分光镜二(120)后以微小夹角进入所述光谱仪(121)的狭缝中，以产生频域干涉条纹。

2.如权利要求1所述的一种超快椭偏仪装置，其特征在于，所述延迟器(105)用于控制所述泵浦光与探测光的光程差，保证所述泵浦光与探测光同时到达所述待测样品，其由电控位移台和两面呈垂直布置的平面反射镜组成。

3.如权利要求2所述的一种超快椭偏仪装置，其特征在于，所述泵浦光的能量为所述啁啾脉冲总能量的70％，所述探测光的能量为所述啁啾脉冲总能量的30％。

4.一种采用如权利要求1-3任一项所述的超快椭偏仪装置同时测量材料冲击动力学特性和光学特性的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)将待测样品置于样品台上，所述啁啾脉冲发生单元中的所述飞秒脉冲激光器(101)发出飞秒脉冲激光，该飞秒脉冲激光经所述啁啾脉冲放大器(102)后得到展宽放大的皮秒量级的啁啾脉冲；

(2)所述啁啾脉冲经过所述非偏振分光镜一(103)后分为两束能量不同的光，高能量光作为泵浦光经由泵浦光路单元对样品进行泵浦冲击，低能量光作为探测光经由探测光路单元对样品进行探测；所述探测光经所述待测样品反射后的反射光经由反射光路单元后产生频域干涉条纹，进而获得频域干涉图；

(3)根据所述频域干涉图获得偏振光的偏振状态参数，将上述测量得到的偏振状态参数与由所述待测样品的样品模型推导出的偏振状态参数的理论表达式进行拟合，从而获得所述待测样品在冲击过程中的冲击动力学特性参数和光学特性参数，以此方式，实现材料冲击动力学特性和光学特性的测量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述偏振状态参数的理论表达式包括P偏振光和S偏振光的相位差Δ及幅值比所述P偏振光和S偏振光的相位差Δ和幅值比的计算过程如下：

a)将所述待测样品从上至下依次分为三层，第一层为未受冲击层，第二层为受冲击压缩层，第三层为受冲击的目标靶，所述探测光只在未受冲击层和受冲击压缩层进行反射和折射，定义所述未受冲击层和受冲击压缩层的厚度分别为d₁、d₂，折射率分别为n₁、n₂；

b)分别计算作为入射光的P偏振光和S偏振光经过第一层和第二层后的总传输矩阵M(d)：

M(d)=M1(d1)M2(d2)=m11m12m21m22;]]>

其中，M₁(d₁)和M₂(d₂)分别表示入射光经过第一层和第二层的传输矩阵，其由下式计算获得：

Mk(dk)=cos(2πλ0nkdkcosθk)iqksin(2πλ0nkdkcosθk)iqksin(2πλ0nkdkcosθk)cos(2πλ0nkdkcosθk),k=1,2;]]>

其中：d_k是待测样品第k层的厚度，n_k是待测样品第k层的折射率，θ_k是入射光在待测样品第k层的入射角，λ₀是入射光在真空中的波长，i为复数单位；对于入射光为S偏振光时，q_k＝n_kcosθ_k，对于入射光为P偏振光时，

c)分别计算P偏振光和S偏振光经过第一层和第二层后的总反射率：

r=(m11+m12q2)q1-(m21+m22q2)(m11+m12q2)q1+(m21+m22q2)=ρeiφ;]]>

通过上述表达式分别获得P偏振光和S偏振光经过待测样品反射后的相移φ_P、φ_S和反射率

d)根据步骤c)获得的所述相移φ_P、φ_S和反射率分别计算获得P偏振光和S偏振光的相位差Δ和幅值比

Δ＝φ_P-φ_S；