一种适于激光光束整形的时间分辨成像系统及其成像方法

摘要

本发明涉及一种适于激光光束整形的时间分辨成像系统及其成像方法，该时间分辨成像系统包括光束整形系统、图像采集系统、信号控制系统、信号探测系统和光路准直系统；所述光束整形系统包括脉冲激光器、控制终端和空间光调制器；该适于激光光束整形的时间分辨成像系统可以根据需要设置脉冲激光器所需要输出激光光束的目标形状，该目标形状的光束可以是圆形高斯光束，也可以是其他形状的光束，达到观察待测样品的表面材料在受到不同形状激光光束辐射后所发生的材料表面形貌学瞬态变化情况，满足了兼顾高斯圆形光束与其他不同形状光束的观察需要。

说明书

技术领域

本发明涉及激光光束整形与时间分辨领域，尤其涉及一种适于激光光束整形的时间分辨成像系统及其成像方法。

背景技术

在利用脉冲激光制备材料表面的功能性结构过程中，激光会在极短的时间内辐射到材料表面，以引起材料表面发生气化、烧蚀、熔化和氧化等多种热力学过程。因此，系统地研究激光与物质相互作用过程中的瞬态变化，对于提高光电子和微电子器件的制造工艺水平具有非常重要的意义。

利用时间分辨成像技术记录激光作用到材料表面所引起材料形貌学的变化是一种有效的方法，它可以在纳米精度的时间范围内直接观察高能激光在辐射到材料后所引起材料表面形貌学的瞬态演变过程。由于当前所采用的激光器所输出的光束通常为圆形高斯光束，因此，传统的时间分辨成像系统都是记录圆形高斯光束辐射到材料的瞬态演变过程。但是，在实际的激光微纳加工中，由于不同的加工器件需要不同的加工工艺需求，这也就对激光的光束及其形状产生了更多的要求。为了满足激光的不同光束形状，需要传统的时间分辨成像系统不仅可以记录当前的高斯圆形光束辐射到材料表面所引起的瞬态演变过程，也要求能够记录不同形状光束与材料表面相互作用过程中引起的材料表面形貌学的瞬态变化。

然而，传统的时间分辨成像系统却无法满足兼顾高斯圆形光束与其他不同形状光束的观察需要。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术提供一种适于激光光束整形的时间分辨成像系统。该时间分辨成像系能够记录任意形状的激光光束辐射到待测样品材料表面后所产生的瞬态形貌学演变过程，达到了兼顾高斯圆形光束与其他不同形状光束的观察需要。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种上述时间分辨成像系统的成像方法。

本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种适于激光光束整形的时间分辨成像系统，其特征在于，包括光束整形系统、图像采集系统、信号控制系统、信号探测系统和光路准直系统；其中：

所述光束整形系统包括：

脉冲激光器；

空间光调制器，用于对脉冲激光器发出的光束进行空间整形，整形为具有目标空间形状的激光光束；

控制终端，其与空间光调制器连接，用于设置空间光调制器的调制方式；

所述图像采集系统包括：

闪光灯，用于发射闪光信号；

图像采集装置，其连接控制终端，用于记录闪光灯闪烁瞬间样品表面产生的图像；

所述信号控制系统包括：

信号发生器，其分别连接脉冲激光器和闪光灯，用于分别触发脉冲激光器输出脉冲激光信号以及触发闪光灯发出闪光信号，并控制针对脉冲激光器和闪光灯之间的触发延迟时间；

所述信号探测系统包括：

第一光电信号探测器，用于探测脉冲激光器经空间光调制器调制后输出的脉冲激光信号；

第二光电信号探测器，用于探测闪光灯闪烁时发出的闪光信号；

示波器，分别连接第一光电信号探测器和第二光电信号探测器，用于根据第一光电信号探测器和第二光电信号探测器发来的信号记录得到脉冲激光信号与闪光灯信号之间的实际延时时间；

所述光路准直系统包括：

偏振片，位于脉冲激光器的前方，其与脉冲激光器的发射端正对设置，用于将脉冲激光器的输出光束转变为线偏振光；

半波片，位于偏振片和空间光调制器之间，该半波片与脉冲激光器的发射端正对设置，用于改变经偏振片产生的线偏振光的偏振方向；

第一分束镜，位于半波片与空间光调制器之间；

第二分束镜，其与图像采集装置相对设置，该第二分束镜与图像采集装置之间设置有陷波滤波器；

第一凸透镜，位于第一分束镜和第二分束镜之间，且该第一凸透镜的两凸面分别正对第一分束镜和第二分束镜；

第二凸透镜，位于第二分束镜和第一光电信号探测器之间，该第二凸透镜的两凸面分别正对第二分束镜和第一光电信号探测器的光电信号探测端；其中，该第二凸透镜与第一分束镜、第一凸透镜和第二分束镜均位于同一中心线上；

第一聚焦物镜，其与第二分束镜正对设置；其中，第一分束镜用于将接收的激光光束射向空间光调制器以及将经空间光调制器调制后的反射光束从该第一分束镜的一侧射出；第二分束镜用于将接收的激光光束信号分成射向第一聚焦物镜的激光光束信号以及射向第二凸透镜的激光光束信号；

第二聚焦物镜，其与第一聚焦物镜正对设置，该第二聚焦物镜与第一聚焦物镜之间形成放置待测样品的空间；

第三凸透镜，位于闪光灯与第二光电信号探测器之间，该第三凸透镜的一个凸面与闪光灯正对设置；

半反半透镜，位于第三凸透镜与第二光电信号探测器之间，该半反透镜的一侧与第二聚焦物镜相对设置，用于将闪灯光发出的闪光信号分成射向第二聚焦物镜的闪光光束信号以及射向第二光电信号探测器的闪光光束信号；其中，该半反透镜与第二分束镜、第一聚焦物镜和第二聚焦物镜均位于同一中心线上。

改进地，在所述适于激光光束整形的时间分辨成像系统中，所述信号发生器触发闪光灯和脉冲激光器的触发间隔时间为针对所述闪光灯的触发延迟时间与针对所述脉冲激光器的触发延迟时间之间的差值再加上实验所需的间隔时间。

再改进，在所述适于激光光束整形的时间分辨成像系统中，所述第一分束镜与第一凸透镜之间设置有第四凸透镜，该第四凸透镜与第一凸透镜位于同一中心上且相互正对设置。

改进地，所述第一凸透镜的焦距与所述第四凸透镜的焦距不相同。

再改进，在所述适于激光光束整形的时间分辨成像系统中，所述第一凸透镜的焦距与所述第二凸透镜的焦距不相同。

再改进地，在所述适于激光光束整形的时间分辨成像系统中，所述第一分束镜与第一凸透镜之间设置有第四凸透镜，该第四凸透镜与第一凸透镜位于同一中心上且相互正对设置。

进一步地，所述空间光调制器的型号为HOLOEYE PLUTO-2-NIR-080，所述图像采集装置为CCD图像传感器。

本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种所述时间分辨成像系统的成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，利用控制终端设置空间光调制器所需要调制的目标形状；

步骤2，空间光调制器将接收到的激光光束调制成具有所述目标形状的激光光束；

步骤3，信号发生器分别设定脉冲激光器的待触发激光信号和闪光灯的待触发闪光信号；

步骤4，设定脉冲激光器的待触发激光信号和闪光灯的待触发闪光信号之间的第一触发时间间隔时间为零，由所述信号发生器按照该第一触发时间间隔同时对所述脉冲激光器和所述闪光灯进行触发；步骤5，第一光电信号探测器和第二光电信号探测器分别接收激光光束信号和闪光光束信号，并发送各自接收的光束信号给示波器；

步骤6，示波器同时记录第一光电信号探测器和第二光电信号探测器所发送来的光束信号并计算出两者之间的延迟时间差；其中，经第一光电信号探测器发送来的光束信号的延迟时间标记为τ

步骤7，再次设定脉冲激光器的待触发激光信号和闪光灯的待触发闪光信号之间的第二触发时间间隔时间，再由所述信号发生器按照该第二触发时间间隔时间同时对所述脉冲激光器和所述闪光灯进行触发；其中，所述第二触发时间间隔时间标记为ΔT'，该第二触发时间间隔时间为所需记录的目标时间长度t与步骤6计算出的延迟时间差Δτ之和，ΔT'＝Δτ+t；

步骤8，示波器再次同时记录第一光电信号探测器和第二光电信号探测器所发送来的光束信号并计算出两者之间的延迟时间差，并将计算的该延迟时间差与所需记录的目标时间长度t进行校对：

当该延迟时间差与所需记录的目标时间长度t一致时，转入步骤9；否则，转入步骤6；

步骤9，图像采集装置在闪光灯的闪烁时刻对待测样品上表面形貌学的瞬态变化进行摄录，并发送摄录的形貌学瞬态变化图像给控制终端；

步骤10，控制终端对图像采集装置发送来的形貌学瞬态变化图像做出显示和记录，得到一组脉冲整形光束在辐照材料时间t后的瞬态形貌特征。

再改进，所述时间分辨成像系统的成像方法还包括：改变所需记录的目标时间长度，重复步骤7～步骤10。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

首先，本发明中适于激光光束整形的时间分辨成像系统可以根据需要通过空间光调制器调制脉冲激光器输出的激光光束形状，该目标形状的光束可以是圆形高斯光束，也可以是其他形状的光束，达到能够记录观察待测样品的表面材料在受到不同形状激光光束辐射后所发生的材料表面形貌学瞬态变化情况，实现了对高斯圆形光束与其他不同形状光束分别与材料表面产生形貌学瞬态变化观察需要的兼顾；也就是说，该适于激光光束整形的时间分辨成像系统应用更加广泛，使用更加灵活；

其次，通过设置具有不同焦距的第一凸透镜与第四凸透镜，可以由第一凸透镜和第四凸透镜共同组成一个4f系统，消除经过空间光调制后的光束中心所产生的零级衍射点，而且还可以保证所需要的光束经过这两个透镜后变为平行光，以便于第一聚焦物镜对光束的聚焦；

最后，通过在图像采集装置的前端设置一个陷波滤波器，可以利用该陷波滤波器滤除激光脉冲信号，以避免激光脉冲因经样品反射进入到图像采集装置内而影响该图像采集装置记录待测样品表面的形貌学瞬态变化。

附图说明

图1为本发明实施例一中适于激光光束整形的时间分辨成像系统示意图；

图2为图1所示时间分辨成像系统的成像方法流程示意图。

图3为本发明实施例二中适于激光光束整形的时间分辨成像系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种适于激光光束整形的时间分辨成像系统，包括光束整形系统、图像采集系统、信号控制系统、信号探测系统和光路准直系统；其中：

所述光束整形系统包括：

脉冲激光器1，其用于发出激光光束；激光光束在发出后会具有高斯圆形光束；

空间光调制器2，用于对脉冲激光器1发出的光束进行空间整形，整形为具有目标空间形状的激光光束，具体到该实施例，空间光调制器2的型号为HOLOEYE PLUTO-2-NIR-080；

控制终端3，其与空间光调制器2连接，用于设置空间光调制器2的调制方式，该控制终端3通常采用电脑，激光光束是通过空间光调制器2调制成任意形状，而空间光调制器2受到控制终端3的控制。在本实施例中，假设需要激光光束的形状为方形平顶光束；所述图像采集系统包括：

闪光灯4，其在启动工作时可以进行闪光，以在光线较暗的环境下，提供足够的光照来配合后续的图像采集装置工作，即达到了针对图像采集装置工作时的补光效果；

图像采集装置5，其连接控制终端3；例如，此处的图像采集装置5采用CCD图像传感器；该图像采集装置5所摄录的内容为激光的光束辐射到待测样品的材料表面后，该待测样品的材料表面发生的形貌学变化；通过设定不同的延迟时间，即可记录激光脉冲在待测样品的材料表面辐射后所处不同阶段产生的形貌学变化；闪光灯4闪烁一次可以在8ns的时间尺度下记录待测样品表面的形貌特征，并将待测样品表面的形貌特征入射到图像采集装置5，最终获得图像信息；当然，为了保证数据的准确性和可靠性，每组不同延时时间所对应采集的图像至少为6张；该实施例中的待测样品的材料选用透明材料；

所述信号控制系统包括：

信号发生器6，其分别连接脉冲激光器1和闪光灯4，用于分别触发脉冲激光器1输出脉冲激光信号以及触发闪光灯4发出闪光信号，并控制针对脉冲激光器1和闪光灯4之间的触发延迟时间差；例如，本实施例中，假设脉冲激光器1的触发延迟时间标记为τ

在该实施例中，该信号发生器6触发脉冲激光器1输出激光信号与该信号发生器6触发闪光灯4发出闪光信号之间的触发信号间隔时间标记为ΔT，该触发信号间隔时间为针对闪光灯4的触发延迟时间与针对脉冲激光器1的触发延迟时间之间的差值Δτ再加上所需记录的目标时间长度t；因此实际设置触发信号间隔时间ΔT＝Δτ+t；

本领域技术人员容易知道，这里所说的“所需记录的目标时间长度t”是指为了得到待测样品在激光脉冲多长时间辐射下的形貌学变化图像而设定的时间；例如，为了得到待测样品在激光脉冲下辐射10纳秒时的形貌学变化图像，那么该所需记录的目标时间长度t就是10纳秒；该“所需记录的目标时间长度t”也可以理解为该激光光束整形实验需要的间隔时间t；

所述信号探测系统包括：

第一光电信号探测器7，用于探测脉冲激光器1输出的脉冲激光信号；

第二光电信号探测器8，用于探测闪光灯4闪烁时发出的闪光信号；

示波器9，分别连接第一光电信号探测器7和第二光电信号探测器8，用于根据第一光电信号探测器7和第二光电信号探测器8发来的信号记录得到脉冲激光信号与闪光灯信号之间的实际延时时间；其中，通过示波器9得到的该实际延时时间可以确定脉冲激光辐射到待测样品材料表面时所发生形貌学演化过程的实际时间；

所述光路准直系统包括：

偏振片100，位于脉冲激光器1的前方，其与脉冲激光器1的发射端正对设置，用于将脉冲激光器1的输出光束转变为线偏振光；

半波片10，位于偏振片100和空间光调制器3之间，该半波片10与脉冲激光器1的发射端正对设置；

第一分束镜11，位于半波片10与空间光调制器3之间；

第二分束镜12，其与图像采集装置5相对设置，该第二分束镜12与图像采集装置5之间设置有陷波滤波器13；

第一凸透镜14，位于第一分束镜11和第二分束镜12之间，且该第一凸透镜14的两凸面分别正对第一分束镜11和第二分束镜12；

第二凸透镜15，位于第二分束镜12和第一光电信号探测器7之间，该第二凸透镜15的两凸面分别正对第二分束镜12和第一光电信号探测器7的光电信号探测端；其中，该第二凸透镜15与第一分束镜11、第一凸透镜14和第二分束镜12均位于同一中心线上；

第一聚焦物镜16，其与第二分束镜12正对设置；其中，第一分束镜11用于将接收的激光信号分成射向第一凸透镜14的激光光束信号以及射向空间光调制器3的激光光束信号；具体地，脉冲激光器1通过该第一分束镜11会分成两束，在图1上的其中一束是射向空间光调制器2，另一束是射向该第一分束镜11的左边(在图1上没有显示)；射向空间光调制器2的一束光会被调制，然后反射上去，再次经过第一分束镜11(又被分成两束，但只会用到从右边射出的光)，从右边射出的光就是经过空间光调制器2调制后的光束；

第二分束镜12用于将接收的激光光束信号分成射向第一聚焦物镜16的激光光束信号以及射向第二凸透镜15的激光光束信号；

第二聚焦物镜17，其与第一聚焦物镜16正对设置，该第二聚焦物镜17与第一聚焦物镜16之间形成放置待测样品18的空间；

第三凸透镜19，位于闪光灯4与第二光电信号探测器8之间，该第三凸透镜19的一个凸面与闪光灯4正对设置；

半反半透镜20，位于第三凸透镜19与第二光电信号探测器8之间，该半反半透镜20的一侧与第二聚焦物镜17相对设置，用于将闪灯光4发出的闪光信号分成射向第二聚焦物镜17的闪光光束信号以及射向第二光电信号探测器8的光电信号探测端的闪光光束信号；其中，该半反半透镜20与第二分束镜12、第一聚焦物镜16和第二聚焦物镜17均位于同一中心线上。

另外，本实施例还提供了一种上述时间分辨成像系统的成像方法。具体地，参见图1和图2所示，该时间分辨成像系统的成像方法，包括如下步骤：

步骤1，利用控制终端3设置空间光调制器2所需要调制的目标形状；

步骤2，空间光调制器2将接收到的激光光束调制成具有目标形状的激光光束；

步骤3，信号发生器6分别设定脉冲激光器1的待触发激光信号和闪光灯4的待触发闪光信号；

步骤4，设定脉冲激光器1的待触发激光信号和闪光灯4的待触发闪光信号之间的第一触发时间间隔时间为零，由信号发生器6按照该第一触发时间间隔同时对脉冲激光器1和闪光灯4进行触发；

步骤5，第一光电信号探测器7和第二光电信号探测器8分别接收激光光束信号和闪光光束信号，并发送各自接收的光束信号给示波器9；

步骤6，示波器9同时记录第一光电信号探测器7和第二光电信号探测器8所发送来的光束信号并计算出两者之间的延迟时间差；其中，经第一光电信号探测器7发送来的光束信号的延迟时间标记为τ

步骤7，再次设定脉冲激光器1的待触发激光信号和闪光灯的待触发闪光信号之间的第二触发时间间隔时间，再由信号发生器6按照该第二触发时间间隔时间同时对脉冲激光器1和闪光灯4进行触发；其中，第二触发时间间隔时间标记为ΔT'，该第二触发时间间隔时间为所需记录的目标时间长度t与步骤6计算出的延迟时间差Δτ之和，ΔT'＝Δτ+t；其中，此处的第二触发时间间隔时间ΔT'与上述的触发信号间隔时间ΔT计算公式相同；

步骤8，示波器9再次同时记录第一光电信号探测器7和第二光电信号探测器8所发送来的光束信号并计算出两者之间的延迟时间差Δτ”'，并将计算的该延迟时间差Δτ”'与所需记录的目标时间长度t进行校对：

当该延迟时间差Δτ”'与所需记录的目标时间长度t一致时，即Δτ”'＝t时，转入步骤9；否则，说明该示波器9所核对的时间出现问题，则转入步骤6；其中，本领域技术人员容易知道，这里所说的“所需记录的目标时间长度t”是指为了得到待测样品在激光脉冲多长时间辐射下的形貌学变化图像而设定的时间；例如，为了得到待测样品在激光脉冲下辐射10秒时的形貌学变化图像，那么该所需记录的目标时间长度t就是10秒；

步骤9，图像采集装置5在闪光灯4的闪烁时刻对待测样品18上表面形貌学的瞬态变化进行摄录，并发送摄录的形貌学瞬态变化图像给控制终端3；

步骤10，控制终端3对图像采集装置5发送来的形貌学瞬态变化图像做出显示和记录，得到一组脉冲整形光束在辐照材料时间t后的瞬态形貌特征。

当然，为了所得到的图像更加准确，还可以在执行完毕10后，再次改变实验所需记录的目标时间长度t，以重复步骤7-步骤10，如此得到多组脉冲整形光束在辐照材料时间t后的瞬态形貌特征。

实施例二

如图3所示，该实施例提供另一种适于激光光束整形的时间分辨成像系统。具体地，与实施例一的不同之处在于，该实施例二中的第一分束镜11与第一凸透镜14之间设置有第四凸透镜21，该第四凸透镜21与第一凸透镜14位于同一中心上且相互正对设置。其中，第一凸透镜14的焦距与该第四凸透镜21的焦距不相同。通过把第四凸透镜21设置在第一分束镜11与第一凸透镜14之间，可以由第一凸透镜14和第四凸透镜21共同组成一个4f系统，能够有效地滤除空间光调制器2产生的零级衍射点，并将整形后的光束变为平行光束。至于该实施例中时间分辨成像系统的成像方法可以参见实施例一所述，此处不再赘述。

尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。