一種超快橢偏儀裝置和測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于超快測量領(lǐng)域，更具體地，涉及一種超快橢偏儀裝置和測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 研究材料在高壓、高應(yīng)變率等極端條件下的動力學(xué)響應(yīng)特性是材料物理領(lǐng)域的前 沿課題，沖擊波加載則是在材料內(nèi)部產(chǎn)生這種極端條件的重要技術(shù)手段。由于沖擊波的產(chǎn) 生和消失過程發(fā)生在幾十到幾百個皮秒的極短時間內(nèi)，沖擊動力學(xué)測量對測試技術(shù)的時間 分辨率提出了非常高的要求。當(dāng)沖擊波在材料中傳播時，對沖擊波和材料響應(yīng)特性的研究 通常需要測量材料的動力學(xué)參數(shù)，如沖擊波速度、波后粒子速度等。此外，沖擊波在材料中 的渡越過程中引起的材料密度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化最終將導(dǎo)致材料總體和局部的光學(xué)特性發(fā)生 變化。為了準(zhǔn)確描述沖擊波作用下材料響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)包含沖擊作用下材料光學(xué)特性變化 的動力學(xué)參數(shù)測量具有十分重要的意義。
[0003]目前，受測量手段限制，沖擊波響應(yīng)動力學(xué)測量與研究大多集中在樣品自由面速 度的測量上。在超快沖擊作用下材料動力學(xué)研究中，目前最常用的測量方法是任意反射面 的速度干涉儀（Velocity Interferometer System for Any Reflector,簡稱 VISAR)和 啁嗽脈沖頻域干涉儀（Chirped Pulse Spectral Interferometry,簡稱CPSI)。這些方法 可以將時間分辨率提高到皮秒甚至飛秒量級，但是均只能測量反射面的位移，無法測量材 料的光學(xué)特性，從而無法從材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能變化上對沖擊動力學(xué)過程給出解釋；而且 這些測量方法都屬于離散式的點(diǎn)測量，實(shí)驗(yàn)條件的重復(fù)性問題影響測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確 性，誤差大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種超快橢偏儀及測量方 法，其中利用測量自由面速度的頻域干涉技術(shù)與橢偏測量技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在單發(fā)脈沖測 量中同時測量材料動力學(xué)特性和光學(xué)特性在栗浦沖擊過程中的變化，從而從材料內(nèi)部結(jié)構(gòu) 和性能變化上對沖擊動力學(xué)過程給出解釋；此外，本發(fā)明還對超快橢偏儀的關(guān)鍵組件，如啁 嗽脈沖發(fā)生單元、栗浦光路單元、探測光路單元和反射光路單元的結(jié)構(gòu)及其布置方式進(jìn)行 了研究和設(shè)計(jì)，相應(yīng)的可確保單發(fā)脈沖同時測量材料動力學(xué)特性與光學(xué)特性的實(shí)現(xiàn)，為沖 擊波加載方面的研究提供重要依據(jù)。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面提出了 一種超快橢偏儀裝置，其特征在 于，包括啁嗽脈沖發(fā)生單元、栗浦光路單元、探測光路單元和反射光路單元，其中：
[0006] 所述啁嗽脈沖發(fā)生單元包括飛秒脈沖激光源、啁嗽脈沖放大器和非偏振分光鏡 一，其中所述飛秒脈沖激光器和啁嗽脈沖放大器共同組成啁嗽脈沖光源以產(chǎn)生皮秒量級啁 嗽脈沖，而所述的非偏振分光鏡一將上述啁嗽脈沖分為栗浦光和探測光；
[0007] 所述栗浦光路單元包括平面反射鏡一、延遲器、平面反射鏡二和聚焦透鏡一，所述 栗浦光依次經(jīng)過所述栗浦光路單元中的上述各部件，然后垂直于待測樣品的下表面對所述 待測樣品進(jìn)行栗浦沖擊；
[0008] 所述探測光路單元包括光闌、平面反射鏡三、起偏器、半波片一和聚焦透鏡二，所 述探測光依次經(jīng)過所述探測光路單元中的上述各部件，然后以一定角度斜入射至所述待測 樣品的上表面；
[0009] 所述反射光路單元包括準(zhǔn)直透鏡、平面反射鏡四、偏振分光單元和光譜儀，所述探 測光經(jīng)所述待測樣品反射后的反射光依次經(jīng)過所述反射光路單元中的上述各部件，以產(chǎn)生 頻域干涉條紋，以此方式，實(shí)現(xiàn)單發(fā)脈沖對材料沖擊動力學(xué)特性和光學(xué)特性的測量。
[0010] 作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述延遲器用于控制所述栗浦光與探測光的光程差，保證所 述栗浦光與探測光同時到達(dá)所述待測樣品，其由電控位移臺和兩面呈垂直布置的平面反射 鏡組成。
[0011] 作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述偏振分光單元包括偏振分光鏡和非偏振分光鏡二，其中 所述偏振分光鏡將進(jìn)入到其內(nèi)的所述反射光分為P偏振光和S偏振光；所述P偏振光經(jīng)過 平面反射鏡五反射后進(jìn)入所述非偏振分光鏡二中；所述S偏振光依次經(jīng)過平面反射鏡六和 半波片二后進(jìn)入所述非偏振分光鏡二中；所述P偏振光和S偏振光經(jīng)所述非偏振分光鏡二 后以微小夾角進(jìn)入所述光譜儀的狹縫中。
[0012] 作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述栗浦光的能量為所述啁嗽脈沖總能量的70%，所述探測 光的能量為所述嗎嗽脈沖總能量的30%。
[0013] 按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種可同時測量材料沖擊動力學(xué)特性和光學(xué)特性 的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：
[0014] (1)將待測樣品置于樣品臺上，所述啁嗽脈沖發(fā)生單元中的所述飛秒脈沖激光器 發(fā)出飛秒脈沖激光，該飛秒脈沖激光經(jīng)所述啁嗽脈沖放大器（102)后得到展寬放大的皮秒 量級的嗎嗽脈沖；
[0015] (2)所述啁嗽脈沖經(jīng)過所述非偏振分光鏡一后分為兩束能量不同的光，高能量光 作為栗浦光經(jīng)由栗浦光路單元對樣品進(jìn)行栗浦沖擊，低能量光作為探測光經(jīng)由探測光路單 元對樣品進(jìn)行探測；所述探測光經(jīng)所述待測樣品反射后的反射光經(jīng)由反射光路單元后產(chǎn)生 頻域干涉條紋，進(jìn)而獲得頻域干涉圖；
[0016] (3)根據(jù)所述頻域干涉圖獲得偏振光的偏振狀態(tài)參數(shù)，將上述測量得到的偏振狀 態(tài)參數(shù)與由所述待測樣品的樣品模型推導(dǎo)出的偏振狀態(tài)參數(shù)的理論表達(dá)式進(jìn)行擬合，從而 獲得所述待測樣品在沖擊過程中的沖擊動力學(xué)特性參數(shù)和光學(xué)特性參數(shù)，以此方式，實(shí)現(xiàn) 材料沖擊動力學(xué)特性和光學(xué)特性的測量。
[0017] 作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述偏振狀態(tài)參數(shù)的理論表達(dá)式包括P偏振光和S偏振光的 相位差A(yù)及幅值比乾，所述P偏振光和S偏振光的相位差△和幅值比f的計(jì)算過程如下：
[0018] a)將所述待測樣品從上至下依次分為三層，第一層為未受沖擊層，第二層為受沖 擊壓縮層，第三層為受沖擊的目標(biāo)靶，所述探測光只在未受沖擊層和受沖擊壓縮層進(jìn)行反 射和折射，定義所述未受沖擊層和受沖擊壓縮層的厚度分別為山、d 2，折射率分別為ηι、n2;
[0019] b)分別計(jì)算作為入射光的P偏振光和S偏振光經(jīng)過第一層和第二層后的總傳輸矩 陣 M(d): CN 105158165 A ~P 3/6 頁
[0020]
[0021] 其中，M1 (Cl1)和％((12)分別表示入射光經(jīng)過第一層和第二層的傳輸矩陣，其由下式 計(jì)算獲得：
[0022]
[0023] 其中：dk是待測樣品第k層的厚度，n k是待測樣品第k層的折射率，Θ 14是入射光 在待測樣品第k層的入射角，λ。是入射光在真空中的波長，i為復(fù)數(shù)單位；對于入射光為S 偏振光時，qk= n kcos Θ k，對于入射光為P偏振光時，
[0024] c)分別計(jì)算P偏振光和S偏振光經(jīng)過第一層和第二層后的總反射率：
[0025]
[0026] 通過上述表達(dá)式分別獲得P偏振光和S偏振光經(jīng)過待測樣品反射后的相移ΦΡ、 和反射率.#、
[0027] d)根據(jù)步驟c)獲得的所述相移Φ Ρ、Φ 5和反射率乂、W分別計(jì)算獲得P偏振光 和S偏振光的相位差Δ和幅值比妒i
[0028]
[0029]
[0030] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：
[0031] 1.本發(fā)明將測量自由面速度的頻域干涉技術(shù)與橢偏測量技術(shù)相結(jié)合，利用啁嗽脈 沖頻域干涉技術(shù)測量材料的沖擊動力學(xué)特性，如材料內(nèi)沖擊波速度、