一种半透明薄膜材料瞬态吸光度测量装置与方法

摘要

一种半透明薄膜材料瞬态吸光度测量装置与方法属于光电测量技术领域；本发明将现有透明材料吸光度测量装置结构与非透明材料吸光度测量装置结构相结合，并基于入射光强等于透射光强、反射光强与吸收光强之和的原理，将硅放大器D1和硅放大器D2的输出结果在加法器中加和，并在计算机中进行运算，最终实现对薄膜材料瞬态吸光度进行测量；本发明不仅具有现有技术中测量透明材料和非透明材料吸光度的功能，而且还具有现有技术所不具有的测量半透明材料吸光度的功能。

说明书

技术领域

一种半透明薄膜材料瞬态吸光度测量装置与方法属于光电测量技术领域。

背景技术

纳米薄膜和半透明薄膜由于具有特殊的光学性能而在科学实验和实际应用中具有广泛应用。当光入射到薄膜材料表面时，将会同时发生反射、透射和吸收作用，其中，吸收作用的强弱由吸光度表示，由于吸光度对于薄膜材料的属性至关重要，因此有必要对其进行测量。

飞秒瞬态吸收（又称飞秒泵浦-探测）技术是测量薄膜材料载流子动力学过程的一种实验方法，由于该方法简单易行，同时不损坏样品，因此该项技术是研究超快领域最常用的实验手段，可用于测量材料的吸光度。

图1为透明材料的吸光度测量装置。飞秒激光器的出射光路分成三束，分别为泵浦光、探测光和参考光，其中：

泵浦光从分束片BS1透射，依次经过二分之一玻片H1透射，偏振片P1透射，介质膜反射镜M1反射，介质膜反射镜M2反射，BBO晶体透射后，入射到斩波器C，经过斩波器C调制后的光束再经过介质膜反射镜M3反射，二向色镜DM反射，透镜L1汇聚后，入射到样品S表面；

探测光从分束片BS1反射，依次经过分束片BS2反射，二分之一玻片H2透射，偏振片P2透射，介质膜反射镜M4反射，介质膜反射镜M5反射，二向色镜DM透射，透镜L1汇聚后，入射到样品S表面，从样品S透射的光束经过透镜L2准直后，进入硅放大器D1的第一路接收端；

参考光从分束片BS1反射，依次经过分束片BS2透射，介质膜反射镜M6反射后，进入硅放大器D1的第二路接收端；

硅放大器D1的光电转换结果依次经过预放大器、锁相放大器后，传输给计算机。

该装置利用透明材料入射光强等于透射光强与吸收光强之和的原理，通过测量透射光强实现吸光度测量。

图2为非透明材料的吸光度测量装置。飞秒激光器的出射光路分成三束，分别为泵浦光、探测光和参考光，其中：

泵浦光从分束片BS1透射，依次经过二分之一玻片H1透射，偏振片P1透射，介质膜反射镜M1反射，介质膜反射镜M2反射，BBO晶体透射后，入射到斩波器C，经过斩波器C调制后的光束再经过介质膜反射镜M3反射，二向色镜DM反射，透镜L1汇聚后，入射到样品S表面；

探测光从分束片BS1反射，依次经过分束片BS2反射，二分之一玻片H2透射，偏振片P2透射，介质膜反射镜M4反射，介质膜反射镜M5反射，二向色镜DM透射，透镜L1汇聚后，入射到样品S表面，从样品S反射的光束再依次经过透镜L1准直，分束片BS4反射，介质膜反射镜M7反射，进入硅放大器D2的第一路接收端；

参考光从分束片BS1反射，依次经过分束片BS2透射，介质膜反射镜M6反射，偏振片P3透射，进入硅放大器D2的第二路接收端；

硅放大器D1的光电转换结果依次经过预放大器、锁相放大器后，传输给计算机。

该装置利用非透明材料入射光强等于反射光强与吸收光强之和的原理，通过测量反射光强实现吸光度测量。

由于薄膜材料很难做到100%透明或100%不透明，即薄膜材料为半透明材料，而对于半透明材料，入射光强等于透射光强、反射光强与吸收光强之和。那么利用图1所示的装置测量薄膜材料的吸光度，会因为材料存在反射而造成测量结果不准确甚至错误；利用图2所示的装置测量薄膜材料的吸光度，会因为材料存在透射而造成测量结果不准确甚至错误。

综上所述，为了准确测量半透明材料的吸光度，需要研制一种可以同时测量入收光强和反射光强的测量装置。

发明内容

为了实现同时测量入收光强和反射光强的技术目的，本发明设计了一种半透明薄膜材料瞬态吸光度测量装置与方法，本发明不仅可以兼顾透明材料与非透明材料的吸光度测量，还可以有效测量半透明材料的吸光度。

本发明的目的是这样实现的：

一种半透明薄膜材料瞬态吸光度测量装置，包括飞秒激光器，所述飞秒激光器的出射光路分成三束，分别为泵浦光、探测光和参考光；

所述的泵浦光从分束片BS1透射，依次经过二分之一玻片H1透射，偏振片P1透射，介质膜反射镜M1反射，介质膜反射镜M2反射，BBO晶体透射后，入射到斩波器C，经过斩波器C调制后的光束再经过介质膜反射镜M3反射，二向色镜DM反射，分束片BS4透射，透镜L1汇聚后，入射到样品S表面；所述的介质膜反射镜M1与介质膜反射镜M2沿飞秒激光器出射光路所在方向运动；

探测光从分束片BS1反射，依次经过分束片BS2反射，二分之一玻片H2透射，偏振片P2透射，介质膜反射镜M4反射，介质膜反射镜M5反射，二向色镜DM透射，分束片BS4透射，透镜L1汇聚后，入射到样品S表面，从样品S透射的光束经过透镜L2准直后，进入硅放大器D1的第一路接收端；从样品S反射的光束再依次经过透镜L1准直，分束片BS4反射，介质膜反射镜M7反射，进入硅放大器D2的第一路接收端；

参考光从分束片BS1反射，分束片BS2透射，入射到分束片BS3上，分束片BS3的反射光路进入硅放大器D1的第二路接收端；分束片BS3的透射光路经介质膜反射镜M6反射，偏振片P3透射，进入硅放大器D2的第二路接收端；

所述的硅放大器D1和硅放大器D2的光电转换结果依次经过加法器、预放大器、锁相放大器后，传输给计算机。

上述半透明薄膜材料瞬态吸光度测量装置，在硅放大器D1前方，还设置有滤光片F1。

上述半透明薄膜材料瞬态吸光度测量装置，在硅放大器D2前方，还设置有滤光片F2。

一种在上述半透明薄膜材料瞬态吸光度测量装置上实现的半透明薄膜材料瞬态吸光度测量方法，包括以下步骤：

步骤a、调整

遮挡泵浦光，旋转二分之一玻片H2，直到硅放大器D1和硅放大器D2的输出结果均为0；

开启泵浦光，调整介质膜反射镜M1和介质膜反射镜M2的空间位置，直到泵浦光与探测光的脉冲同时发生；

步骤b、测量

硅放大器D1和硅放大器D2的输出结果在加法器中进行相加，并依此经过预放大器、锁相放大器后，传输给计算机，计算机将得到的结果取负号，得到当前时刻的瞬态吸光度；移动介质膜反射镜M1与介质膜反射镜M2，最终得到瞬态吸光度随时间变化的关系。

有益效果：

同时设置有透射光路和反射光路的光强探测光路，以及在硅放大器D1和硅放大器D2的输出上增加加法器，是本发明区别现有技术的创新点；该创新点使本发明不仅可以具有现有技术中测量透明材料和非透明材料吸光度的功能，而且还具有现有技术所不具有的测量半透明材料吸光度的功能。

附图说明

图1是现有技术测量透明材料吸光度的装置结构示意图。

图2是现有技术测量非透明材料吸光度的装置结构示意图。

图3是本发明半透明薄膜材料瞬态吸光度测量装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。

本实施例的半透明薄膜材料瞬态吸光度测量装置，包括飞秒激光器，所述飞秒激光器的出射光路分成三束，分别为泵浦光、探测光和参考光；

所述的泵浦光从分束片BS1透射，依次经过二分之一玻片H1透射，偏振片P1透射，介质膜反射镜M1反射，介质膜反射镜M2反射，BBO晶体透射后，入射到斩波器C，经过斩波器C调制后的光束再经过介质膜反射镜M3反射，二向色镜DM反射，分束片BS4透射，透镜L1汇聚后，入射到样品S表面；所述的介质膜反射镜M1与介质膜反射镜M2沿飞秒激光器出射光路所在方向运动；

探测光从分束片BS1反射，依次经过分束片BS2反射，二分之一玻片H2透射，偏振片P2透射，介质膜反射镜M4反射，介质膜反射镜M5反射，二向色镜DM透射，分束片BS4透射，透镜L1汇聚后，入射到样品S表面，从样品S透射的光束经过透镜L2准直后，进入硅放大器D1的第一路接收端；从样品S反射的光束再依次经过透镜L1准直，分束片BS4反射，介质膜反射镜M7反射，进入硅放大器D2的第一路接收端；

参考光从分束片BS1反射，分束片BS2透射，入射到分束片BS3上，分束片BS3的反射光路进入硅放大器D1的第二路接收端；分束片BS3的透射光路经介质膜反射镜M6反射，偏振片P3透射，进入硅放大器D2的第二路接收端；

所述的硅放大器D1和硅放大器D2的光电转换结果依次经过加法器、预放大器、锁相放大器后，传输给计算机。

上述半透明薄膜材料瞬态吸光度测量装置，在硅放大器D1前方，还设置有滤光片F1；在硅放大器D2前方，还设置有滤光片F2。

在上述半透明薄膜材料瞬态吸光度测量装置上实现的半透明薄膜材料瞬态吸光度测量方法，包括以下步骤：

步骤a、调整

遮挡泵浦光，旋转二分之一玻片H2，直到硅放大器D1和硅放大器D2的输出结果均为0；

开启泵浦光，调整介质膜反射镜M1和介质膜反射镜M2的空间位置，直到泵浦光与探测光的脉冲同时发生；

步骤b、测量

硅放大器D1和硅放大器D2的输出结果在加法器中进行相加，并依此经过预放大器、锁相放大器后，传输给计算机，计算机将得到的结果取负号，得到当前时刻的瞬态吸光度；移动介质膜反射镜M1与介质膜反射镜M2，最终得到瞬态吸光度随时间变化的关系。