CN114371147B - 可准确测量介质横向与纵向声学声子速度的共焦显微装置 - Google Patents
可准确测量介质横向与纵向声学声子速度的共焦显微装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的一种可准确测量介质横向与纵向声学声子速度的共焦显微装置,包括:连续激光器、三维平移台、F‑P干涉仪,三维平移台的上侧放置有待测样品,待测样品的正上方装设有测量物镜;连续激光器的一侧依次装设有λ/2波片、起偏器、分光平片、第一反射镜;F‑P干涉仪的一侧依次装设有共焦针孔、会聚透镜、检偏器、旋转反光镜、第二反射镜。本发明无需在测量过程中改变入射光路与散射光路之间的角度,通过动态切换收集光路的方式,实现对被测材料声学声子速度的快速测量,保证测量结果的原位性及准确性,在测量速度、测量精度以及测量方式复杂程度等方面具有显著优势。
Description
技术领域
本发明属于显微光谱测量技术领域,具体涉及一种可准确测量介质横向与纵向声学声子速度的共焦显微装置。
背景技术
材料的刚度张量可以直接用于计算得到材料的弹性模量、剪切模量、泊松比等一系列机械性能参数,完整地获取材料的刚度张量对于表征材料的力学性能具有重要意义。传统的测量方式主要是通过测量材料的应力应变曲线计算得到,但该方法存在较大的局限性。首先,接触式测量会导致塑性材料发生形变,在对其测量的过程中,容易引入额外的测量误差,导致测量结果不稳定。此外,该方法只能对某些特殊晶系材料的刚度张量的一部分参数进行测量,无法获取完整的刚度张量。
布里渊散射作为一种非接触、无损的光学探测手段,可以对材料不同方向的声学模式速度进行探测,根据布里渊散射频移及谱宽,并结合材料密度,可以计算得到被测介质的弹性劲度系数,进而获取完整的刚度张量。然而现有的布里渊光谱测试手段,普遍采用直角散射与背向散射相结合的方式,这通常需要转动照明光轴或收集光轴的方向,使***处于背向散射配置或直角散射配置下,进而探测横向声学声子与纵向声学声子速度,因此,在测量过程中,需要反复转动光路角度,这大幅增加了测量***及测量过程的复杂程度。同时,转动光路往往会带来一定的角度偏差,难以保证直角散射与背向散射测量结果的原位性及准确性。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供一种可准确测量介质横向与纵向声学声子速度的共焦显微装置,包括:连续激光器、三维平移台、F-P干涉仪,三维平移台的上侧放置有待测样品,待测样品的正上方装设有测量物镜;
连续激光器的一侧依次装设有λ/2波片、起偏器、分光平片、第一反射镜;
F-P干涉仪的一侧依次装设有共焦针孔、会聚透镜、检偏器、旋转反光镜、第二反射镜。
优选的,所述分光平片位于测量物镜的上方,且分光平片倾斜设置。
优选的,所述第二反射镜位于分光平片的正上方,且第二反射镜倾斜设置,所述旋转反光镜位于测量物镜的上方,旋转反光镜倾斜设置,所述旋转反光镜的倾角角度与第二反射镜的倾角角度相同,所述第一反射镜位于F-P干涉仪的下方,且第一反射镜倾斜设置。
优选的,所述三维平移台位于连续激光器和F-P干涉仪之间,所述λ/2波片、起偏器、分光平片、第一反射镜均位于连续激光器的激光发射端,所述第二反射镜、旋转反光镜位于测量物镜上方的两端,所述共焦针孔装设在F-P干涉仪一侧,测量过程中改变入射光路与散射光路之间的角度,通过动态切换收集光路的方式,实现对被测材料声学声子速度的快速测量,保证测量结果的原位性及准确性,在测量速度、测量精度以及测量方式复杂程度等方面具有显著优势。
本发明技术方案具有以下优点:
1.本发明无需在测量过程中改变入射光路与散射光路之间的角度,通过动态切换收集光路的方式,实现对被测材料声学声子速度的快速测量,保证测量结果的原位性及准确性,在测量速度、测量精度以及测量方式复杂程度等方面具有显著优势。
2.该装置基于光子与声学声子之间的非弹性散射作用,通过探测材料介质经激光照射后所产生的布里渊散射光谱,解耦出材料的横向声学声子与纵向声学声子速度,进而有助于对材料的刚度张量进行***性表征。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实施例一起用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1是本发明的基本实施图;
图2是本发明装置实测的液体苯布里渊光谱结果示意图。
其中,1-连续激光器,2-λ/2波片,3-起偏器,4-分光平片,5-第二反射镜,6-旋转反光镜,7-检偏器,8-会聚透镜,9-共焦针孔,10-F-P干涉仪,11-第一反射镜,12-测量物镜,13-待测样品,14-三维平移台。
具体实施方式
本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
需说明的是,当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件,它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件,它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
需要理解的是,术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
本发明提供了一种可准确测量介质横向与纵向声学声子速度的共焦显微装置,如图1-2所示,包括:连续激光器1、三维平移台14、F-P干涉仪10,三维平移台14的上侧放置有待测样品13,待测样品13的正上方装设有测量物镜12;连续激光器1的一侧依次装设有λ/2波片2、起偏器3、分光平片4、第一反射镜11;
F-P干涉仪10的一侧依次装设有共焦针孔9、会聚透镜8、检偏器7、旋转反光镜6、第二反射镜5。
该装置基于光子与声学声子之间的非弹性散射作用,通过探测材料介质经激光照射后所产生的布里渊散射光谱,解耦出材料的横向声学声子与纵向声学声子速度,进而有助于对材料的刚度张量进行***性表征。
本实施例的所述分光平片4位于测量物镜12的上方,且分光平片4倾斜设置。
本实施例的所述第二反射镜5位于分光平片4的正上方,且第二反射镜5倾斜设置,所述旋转反光镜6位于测量物镜12的上方,旋转反光镜6倾斜设置,所述旋转反光镜6的倾角角度与第二反射镜5的倾角角度相同。
本实施例的所述第一反射镜11位于F-P干涉仪10的下方,且第一反射镜11倾斜设置,所述三维平移台14位于连续激光器1和F-P干涉仪10之间,所述λ/2波片2、起偏器3、分光平片4、第一反射镜11均位于连续激光器1的激光发射端,所述第二反射镜5、旋转反光镜6位于测量物镜12上方的两端,所述共焦针孔9装设在F-P干涉仪10一侧;本发明无需在测量过程中改变入射光路与散射光路之间的角度,通过动态切换收集光路的方式,实现对被测材料声学声子速度的快速测量,保证测量结果的原位性及准确性,在测量速度、测量精度以及测量方式复杂程度等方面具有显著优势。
上述技术方案的工作原理及有益技术效果:首先,连续激光器出射的激光经过二分之一波片与起偏器后,形成特定偏振方向的线偏光,其中一部分经过分光平片透射后,进入F-P干涉仪,用于动态校准F-P标准具镜组;另一部分经过分光平片反射后,被测量物镜聚焦,以侧向照明的方式会聚在被测样品处,与被测样品的声学声子相互作用,产生布里渊散射。其中,背向散射光经过测量物镜、分光平片、反射镜1、检偏器、会聚透镜以及共焦针孔后,被F-P干涉仪收集探测,进而解算出待测样品的纵向声学声子速度;直角散射光在与照明光束关于物镜光轴对称的方向上,经过测量物镜、旋转反射镜、检偏器、会聚透镜以及共焦针孔后,被F-P干涉仪收集探测,进而解算出待测样品的横向声学声子速度。
其中,连续激光器出射的激光口径与测量物镜焦距应保证照明光束的有效数值孔径小于0.2,以尽可能地减小布里渊光谱展宽效应,进而提高测量精度。此外,旋转反射镜用于选择收集光束,实现背向散射与直角散射的灵活切换。在实际测量过程中,可根据样品特性与探测需求,利用分光平片与挡光板相结合的方式对旋转反射镜进行替换。
测量材料的声学声子速度时,入射激光以侧向照明的方式聚焦在待测样品处,通过控制测量物镜的数值孔径以及照明光束的离轴量,同时激发出布里渊散射的横模与纵模(分别对应待测样品的横向声学声子与纵向声学声子)。其中,所激发的布里渊纵模散射光方向与入射光方向的夹角为180°,因此可通过背向收集的方式进行探测,同时,布里渊横模散射光方向与入射光方向呈90°夹角,因此可在与入射光关于测量物镜对称方向上进行收集。旋转反射镜用于切换收集光束,从而在横模与纵模布里渊散射光之间进行选择,最终通过解耦布里渊光谱频移,得到待测样品横向声学声子速度与纵向声学声子速度,进而获取材料的刚度张量。
图2为利用本发明装置实际测量液体苯的布里渊散射-反斯托克斯光谱,其中,实线为布里渊背向散射光,虚线为布里渊直角散射光,进一步对光谱曲线进行拟合以及反展宽处理,并结合激光波长与样品折射率,可精确计算得到待测样品的纵向声学声子与横向声学声子速度,据此可进一步获得待测样品的弹性模量、剪切模量、泊松比等一系列机械性能参数。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种可准确测量介质横向与纵向声学声子速度的共焦显微装置,其特征在于,包括:连续激光器(1)、三维平移台(14)、F-P干涉仪(10),三维平移台(14)的上侧放置有待测样品(13),待测样品(13)的正上方装设有测量物镜(12);
连续激光器(1)的一侧依次装设有λ/2波片(2)、起偏器(3)、分光平片(4)、第一反射镜(11);
F-P干涉仪(10)的一侧依次装设有共焦针孔(9)、会聚透镜(8)、检偏器(7)、旋转反光镜(6)、第二反射镜(5);
所述分光平片(4)位于测量物镜(12)的上方,且分光平片(4)倾斜设置;
所述第二反射镜(5)位于分光平片(4)的正上方,且第二反射镜(5)倾斜设置;
所述旋转反光镜(6)位于测量物镜(12)的上方,旋转反光镜(6)倾斜设置;
所述第一反射镜(11)位于F-P干涉仪(10)的下方,且第一反射镜(11)倾斜设置;
连续激光器(1)出射的激光经过λ/2波片(2)与起偏器(3)后,形成线偏振光,其中一部分光经过分光平片(4)透射后,进入F-P干涉仪(10),用于动态校准F-P标准具镜组;另一部分光经过分光平片(4)反射后,被测量物镜(12)聚焦,以侧向照明的方式会聚在被测样品处,与被测样品的声学声子相互作用,产生布里渊散射,其中,背向散射光经过测量物镜(12)、分光平片(4)、第二反射镜(5)、检偏器(7)、会聚透镜(8)以及共焦针孔(9)后,被F-P干涉仪(10)收集探测,进而解算出待测样品(13)的纵向声学声子速度;直角散射光在与照明光束关于测量物镜(12)光轴对称的方向上,经过测量物镜(12)、旋转反光镜(6)、检偏器(7)、会聚透镜(8)以及共焦针孔(9)后,被F-P干涉仪(10)收集探测,进而解算出待测样品的横向声学声子速度。
2.根据权利要求1所述的一种可准确测量介质横向与纵向声学声子速度的共焦显微装置,其特征在于,所述旋转反光镜(6)的倾角角度与第二反射镜(5)的倾角角度相同。
3.根据权利要求1所述的一种可准确测量介质横向与纵向声学声子速度的共焦显微装置,其特征在于,所述三维平移台(14)位于连续激光器(1)和F-P干涉仪(10)之间。
4.根据权利要求1所述的一种可准确测量介质横向与纵向声学声子速度的共焦显微装置,其特征在于,所述λ/2波片(2)、起偏器(3)、分光平片(4)、第一反射镜(11)均位于连续激光器(1)的激光发射端。
5.根据权利要求1所述的一种可准确测量介质横向与纵向声学声子速度的共焦显微装置,其特征在于,所述第二反射镜(5)、旋转反光镜(6)位于测量物镜(12)上方的两端。
6.根据权利要求1所述的一种可准确测量介质横向与纵向声学声子速度的共焦显微装置,其特征在于,所述共焦针孔(9)装设在F-P干涉仪(10)一侧。
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2021
- 2021-12-30 CN CN202111654051.2A patent/CN114371147B/zh active Active
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