CN106198450B - 一种测量材料非线性吸收曲线的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测量材料非线性吸收曲线的装置，所述的装置采用晶体倍频***和色散棱镜获得所需的单波长激光，然后通过长焦透镜提高入射激光强度，采用科学级CCD相机记录入射激光的能量和光斑尺寸，通过能量计测得出射激光能量，获得了待测样品的非线性吸收曲线。本发明的测量材料非线性吸收曲线的装置提高了非线性吸收曲线的测量范围，简化了非线性吸收曲线测量***，实现了多波长、宽范围、高精度非线性吸收曲线测量。

Description

一种测量材料非线性吸收曲线的装置
技术领域
本发明属于强激光与物质相互作用领域，具体涉及一种测量材料非线性吸收曲线的装置。
背景技术
当光通过材料时，光与材料中的原子、电子等相互作用造成光的吸收；在弱光条件下材料的吸收系数为常数，此时的吸收为线性吸收；强光辐照时材料的吸收随激光强度变化，表现出非线性吸收特性：吸收系数随入射光强的增加而减小的现象称为饱和吸收；吸收系数随入射光强的增加而增加的为反饱和吸收。材料的非线性吸收在强激光中扮演着重要角色，利用材料的饱和吸收特性可以实现激光脉冲压缩，利用材料的反饱和吸收特性可以制作光限幅等光学器件。然而，在高功率激光***中材料的非线性吸收是引起损伤的关键环节，成为制约高功率激光***能量提升的主要瓶颈。因此，研究材料的非线性吸收特性具有十分重要的意义，而准确测量材料的非线性吸收曲线是研究的基础和关键。
材料的非线性吸收多归结为材料的多光子吸收，材料的非线性吸收和入射波长有关，研究材料的非线性吸收时需测量不同波长入射时的非线性吸收曲线。激光通过材料时，材料对光的吸收会引起其透过率的变化，材料的透过率随入射激光强度的变化可以表征材料的非线性吸收。测量材料的非线性吸收曲线通常采用Z-扫描技术，Z-扫描技术采用透镜聚焦获得强度沿Z向变化的激光，通过改变样品在Z向的位置获得其非线性吸收曲线，Z-扫描技术降低了测量非线性吸收曲线时对激光器输出能量的要求，但此方法适用于厚度较小的样品，且样品在Z向移动时激光入射晶体的位置也将变化，不可避免地引入测量误差。随着高功率激光技术的发展，透过率测量法也得到了广泛应用，透过率测量法将待测样品位置固定，通过不断提高入射激光强度测量材料的透过率曲线，利用材料透过率的变化反映其非线性吸收特性，该方法对样品厚度无严格限制，测量时样品位置固定，误差较小。测量材料的非线性吸收曲线时通常利用分光板获得较小比例的入射激光并利用能量计检测，能量计有一定的响应阈值，低能量激光入射时能量计难以响应，这就限制了非线性吸收曲线的测量范围，并且还需单独测量入射激光光斑尺寸，增加了测量装置的复杂性。
目前，亟需改进非线性透过率测量法，提高测量范围，简化测量***。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种测量材料非线性吸收曲线的装置。
本发明的测量材料非线性吸收曲线的装置，其特点是：所述的装置包括脉冲激光器、晶体倍频***、色散棱镜、长焦透镜、光阑、分光板Ⅰ、分光板Ⅱ、衰减片、科学级CCD相机、待测样品和能量计，脉冲激光器发射脉冲激光，通过晶体倍频***射入色散棱镜，获得单波长激光，单波长激光经长焦透镜和光阑后形成聚焦激光，聚焦激光入射至分光板Ⅰ，分光板Ⅰ的反射激光Ⅰ经分光板Ⅱ反射成反射激光Ⅱ，反射激光Ⅱ至衰减片透射出反射激光Ⅲ，反射激光Ⅲ进入科学级CCD相机；分光板Ⅰ的透射激光Ⅰ经待测样品成为透射激光Ⅱ进入能量计；
所述的长焦透镜的焦距f、待测样品的厚度h和单波长激光的光斑直径d之间比例为f/h≥100，f/d≥100；所述的待测样品到长焦透镜焦点的距离L与待测样品的厚度h之比为L/h≥30；所述的科学级CCD相机的感光面到长焦透镜的折线距离为s，s=f-L。
所述的脉冲激光器发射的脉冲激光的脉宽τ为皮秒或纳秒量级，脉冲激光的波长范围为1053 nm或1064 nm。
所述的晶体倍频***包括一片或一片以上的串联排列的KDP类晶体。
所述的测量材料非线性吸收曲线的装置放置在暗室中的减震光学平台上，科学级CCD相机的周围无杂散光干扰。
所述的分光板Ⅰ和分光板Ⅱ的材料为融石英，反射率为4%。
所述的晶体倍频***能够实现基频光的二倍频、三倍频、四倍频及五倍频激光输出，并通过色散棱镜选取不同波长的单波长激光。
所述的长焦透镜的焦距f与光斑直径d之间比例f/d≥100，能够减小样品厚度引起的样品前后表面光斑尺寸差异的绝对值。
所述的光阑放置于长焦透镜后，通过光阑控制单波长激光光斑的形状和口径，可以获得形状较为规则、灰度较为均匀的聚焦激光。
所述的待测样品对入射激光有一定的透过率，而且待测样品到长焦透镜焦点的距离L与待测样品的厚度h之比为L/h≥30，能够减小样品厚度引起的样品前后表面光斑尺寸差异的相对值。
所述的科学级CCD相机具有较低的响应阈值和较宽的响应波段，利用科学级CCD相机检测反射激光Ⅲ的能量和光斑，s=f-L使得科学级CCD相机感光面上反射激光Ⅲ的光斑尺寸与待测样品上透射激光Ⅰ的光斑尺寸相等。
本发明的测量材料非线性吸收曲线的装置采用的分光板Ⅰ、分光板Ⅱ的两级分光板取样，同时在科学级CCD相机前放置合适衰减倍率的衰减片，保证入射的脉冲激光能量最大时，科学级CCD相机获得的光斑灰度的最大值为科学级CCD相机饱和灰度的65%-95%。
本发明的测量材料非线性吸收曲线的装置放置于暗室中减震光学平台上，周围无杂散光干扰。
本发明的测量材料非线性吸收曲线的装置具有如下优点：
1. 利用KDP类晶体将基频光倍频，并采用色散棱镜分拣出所需的单波长激光，可实现利用多种波长的单波长激光测量材料的非线性吸收曲线；
2. 科学级CCD相机具有较低的响应阈值和较高的饱和灰度，利用科学级CCD相机检测单波长激光能量，可在较宽的单波长激光强度范围内测量材料的非线性吸收曲线；
3. 利用科学级CCD相机同时检测入射激光的光斑强度分布，根据此分布可以准确获得光斑的尺寸，简化了测量装置，提高了测量精度。
本发明的测量材料非线性吸收曲线的装置采用晶体倍频***和色散棱镜获得所需的单波长激光，然后通过长焦透镜提高入射激光强度，采用科学级CCD相机记录入射激光的能量和光斑尺寸，通过能量计测得出射激光能量，获得了待测样品的非线性吸收曲线。本发明的测量材料非线性吸收曲线的装置提高了非线性吸收曲线的测量范围，简化了非线性吸收曲线测量***，实现了多波长、宽范围、高精度非线性吸收曲线测量。
附图说明
图1为本发明的测量材料非线性吸收曲线的装置示意图；
图中，1.脉冲激光器 2.晶体倍频*** 3.色散棱镜 4.长焦透镜 5.光阑 6.分光板Ⅰ 7.分光板Ⅱ 8.衰减片 9.科学级CCD相机 10.待测样品 11.能量计。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。以下实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。有关技术领域的人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化、替换和变型，因此同等的技术方案也属于本发明的范畴。
如图1所示，本发明的测量材料非线性吸收曲线的装置，包括脉冲激光器1、晶体倍频***2、色散棱镜3、长焦透镜4、光阑5、分光板Ⅰ6、分光板Ⅱ7、衰减片8、科学级CCD相机9、待测样品10和能量计11，脉冲激光器1发射脉冲激光，通过晶体倍频***2射入色散棱镜3，获得单波长激光，单波长激光经长焦透镜4和光阑5后形成聚焦激光，聚焦激光入射至分光板Ⅰ6，分光板Ⅰ6的反射激光Ⅰ经分光板Ⅱ7反射成反射激光Ⅱ，反射激光Ⅱ至衰减片8透射出反射激光Ⅲ，反射激光Ⅲ进入科学级CCD相机9,分光板Ⅰ7的透射激光Ⅰ经待测样品10成为透射激光Ⅱ进入能量计11；
所述的长焦透镜4的焦距f、待测样品10的厚度h和单波长激光的光斑直径d之间比例为f/h≥100，f/d≥100；所述的待测样品10到长焦透镜4焦点的距离L与待测样品10的厚度h之比为L/h≥30；所述的科学级CCD相机9的感光面到长焦透镜4的折线距离为s，s=f-L。
所述的脉冲激光器1发射的脉冲激光的脉宽τ为皮秒或纳秒量级，脉冲激光的波长范围为1053 nm或1064 nm。
所述的晶体倍频***2包括一片或一片以上的串联排列的KDP类晶体。
所述的测量材料非线性吸收曲线的装置放置在暗室中的减震光学平台上，科学级CCD相机9的周围无杂散光干扰。
所述的分光板Ⅰ6和分光板Ⅱ7的材料为融石英，反射率为4%。
实施例1
脉冲激光器增益介质为Nd:YLF，输出基频光ω 1=1053 nm，脉宽τ=50 ps，基频光斑直径 0.7cm，出射激光水平偏振；晶体倍频***由KDP和DKDP晶体组成，经频率转换后获得ω 2=263 nm的四倍频光；色散棱镜和长焦透镜均为紫外高透元件，长焦透镜的焦距f约为130 cm；分光板的材料为融石英，反射率为4%；待测样品为氘含量为66%的DKDP晶体，样品厚度h为0.8 cm，样品表面经精细抛光；科学级CCD相机的分辨率为1024 像素×1024 像素，单个像素点尺寸为13 μm×13 μm；衰减片为四倍频激光衰减片；能量计的测量范围为20 μJ-10 J；科学级CCD相机和待测样品均放置于可沿光路平移的平移台上，科学级CCD相机感光面和待测样品至透镜距离s为103 cm；整个测量***置于暗室中减震光学平台上，周围无杂散光干扰。
所述的测量材料非线性吸收曲线的方法的测量步骤如下：
1.脉冲激光器发射脉冲激光，调整晶体倍频***中KDP和DKDP晶体的匹配角度，直至脉冲激光的倍频转换效率达到最大值；
2.脉冲激光器发射的脉冲激光能量最低时，CCD相机前加入多片衰减片，通过科学级CCD相机观察光斑的灰度，光斑灰度值低于科学级CCD相机的饱和灰度；逐渐提高脉冲激光器发射的脉冲激光能量直至最大，衰减片的数量不变，通过科学级CCD相机观察光斑的灰度，光斑灰度值低于科学级CCD相机的饱和灰度；逐片减少衰减片的数量，通过科学级CCD相机上观察光斑的灰度的变化，直至科学级CCD相机上的光斑灰度值为科学级CCD相机的饱和灰度的71%。
3.移除待测样品，从低到高，级数为12，逐级调整脉冲激光器（1）发射的脉冲激光能量，记录反射激光Ⅲ在科学级CCD相机上的光斑P10–光斑P1n的灰度分布，同时记录能量计的读数 Ein(P10)-Ein(P1n)；
4.放置待测样品，从低到高，级数为12，逐级调整脉冲激光器发射的脉冲激光能量，记录反射激光Ⅲ在科学级CCD相机上的光斑P20-光斑P2n的灰度分布，同时记录能量计的读数Eout(P20)-Eout(P2n)；
5.绘制光斑上各点的灰度和位置的关系曲线G(X,Y),G(X,Y)为高斯分布，光斑半高宽约为20像素，光斑的峰值灰度为Gp，本底信号为G0；在光斑周围选取100像素×100 像素的范围，在该范围内的计算光斑灰度 QUOTE ；高斯光束等效的光斑面积 QUOTE ；最终获得光斑P10–光斑P1n对应的S(P10)-S(P1n)和GA(P10)-GA(P1n)，光斑P20-光斑P2n对应的S(P20)-S(P2n)和GA(P20)-GA(P2n)；
6.将步骤3的Ein(P10)-Ein(P1n)和步骤5的GA(P10)-GA(P1n)一一对应，光斑均值灰度和入射激光能量近似呈线性关系，为了获得更精确的Ein(GA)关系，采用二阶多项式拟合数据；
7.利用Ein(GA)关系计算待测样品的GA(P20)-GA(P2n)对应的Ein(P20)-Ein(P2n)；
8.通过T=Ein/Eout计算待测样品的透过率，得到T(P20)-T(P2n)；
9.通过Iin= Ein/（τ·S）计算激光强度，得到Iin(P20)- Iin(P2n)；
10.将步骤8的T(P20)-T(P2n)和步骤9的Iin(P20)- Iin(P2n)一一对应，通过多项式拟合获得T(Iin)。
结果表明，随着激光强度的增加，DKDP晶体的透过率呈非线性下降，且下降速率逐渐减小；激光强度大于10 GW/cm2时，透过率逐渐趋于定值。
实施例2
本实施例与实施例1的实施方式基本相同，主要区别在于，晶体倍频***为两块KDP晶体，产生ω 2=351 nm的三倍频光；长焦透镜的焦距约为140 cm，科学级CCD相机感光面和待测样品至透镜的距离为104 cm；衰减片为三倍频激光衰减片，科学级CCD相机上的光斑灰度最大值为其饱和灰度的87%。结果表明，随着激光强度的增加，DKDP晶体的透过率呈非线性下降，与实施例1中的结果相比351 nm激光辐照下DKDP晶体的非线性吸收显著降低。
实施例3
本实施例与实施例1的实施方式基本相同，主要区别在于，脉冲激光器增益介质为Nd:YAG，输出基频光ω 1=1064 nm；晶体倍频***为KDP和DKDP晶体，KDP和DKDP晶体的切割角度针对1064 nm激光产生ω 2=266 nm的四倍频光。

Claims (5)

1.一种测量材料非线性吸收曲线的装置，其特征在于：所述的装置包括脉冲激光器（1）、晶体倍频***（2）、色散棱镜（3）、长焦透镜（4）、光阑（5）、分光板Ⅰ（6）、分光板Ⅱ（7）、衰减片（8）、科学级CCD相机（9）、待测样品（10）和能量计（11），脉冲激光器（1）发射脉冲激光，通过晶体倍频***（2）射入色散棱镜（3），获得单波长激光，单波长激光经长焦透镜（4）和光阑（5）后形成聚焦激光，聚焦激光入射至分光板Ⅰ（6），分光板Ⅰ（6）的反射激光Ⅰ经分光板Ⅱ（7）反射成反射激光Ⅱ，反射激光Ⅱ至衰减片（8）透射出反射激光Ⅲ，反射激光Ⅲ进入科学级CCD相机（9）；分光板Ⅰ（6）的透射激光Ⅰ经待测样品（10）成为透射激光Ⅱ进入能量计（11）；
所述的长焦透镜（4）的焦距f、待测样品（10）的厚度h和单波长激光的光斑直径d之间比例为f/h≥100，f/d≥100；所述的待测样品（10）到长焦透镜（4）焦点的距离L与待测样品（11）的厚度h之比为L/h≥30；所述的科学级CCD相机（9）的感光面到长焦透镜（4）的折线距离为s，s=f-L。
2.根据权利要求1所述的一种测量材料非线性吸收曲线的装置，其特征在于：所述的脉冲激光器（1）发射的脉冲激光的脉宽τ为皮秒或纳秒量级，脉冲激光的波长为1053 nm或1064 nm。
3.根据权利要求1所述的一种测量材料非线性吸收曲线的装置，其特征在于：所述的晶体倍频***（2）包括一片以上的串联排列的KDP类晶体。
4.根据权利要求1所述的一种测量材料非线性吸收曲线的装置，其特征在于：所述的测量材料非线性吸收曲线的装置放置在暗室中的减震光学平台上，科学级CCD相机（9）的周围无杂散光干扰。
5.根据权利要求1所述的一种测量材料非线性吸收曲线的装置，其特征在于：所述的分光板Ⅰ（6）和分光板Ⅱ（7）的材料为融石英，反射率为4%。
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