本發(fā)明屬于強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用領(lǐng)域，具體涉及一種測(cè)量材料非線性吸收曲線的裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)光通過(guò)材料時(shí)，光與材料中的原子、電子等相互作用造成光的吸收；在弱光條件下材料的吸收系數(shù)為常數(shù)，此時(shí)的吸收為線性吸收；強(qiáng)光輻照時(shí)材料的吸收隨激光強(qiáng)度變化，表現(xiàn)出非線性吸收特性：吸收系數(shù)隨入射光強(qiáng)的增加而減小的現(xiàn)象稱為飽和吸收；吸收系數(shù)隨入射光強(qiáng)的增加而增加的為反飽和吸收。材料的非線性吸收在強(qiáng)激光中扮演著重要角色，利用材料的飽和吸收特性可以實(shí)現(xiàn)激光脈沖壓縮，利用材料的反飽和吸收特性可以制作光限幅等光學(xué)器件。然而，在高功率激光系統(tǒng)中材料的非線性吸收是引起損傷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，成為制約高功率激光系統(tǒng)能量提升的主要瓶頸。因此，研究材料的非線性吸收特性具有十分重要的意義，而準(zhǔn)確測(cè)量材料的非線性吸收曲線是研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。
材料的非線性吸收多歸結(jié)為材料的多光子吸收，材料的非線性吸收和入射波長(zhǎng)有關(guān)，研究材料的非線性吸收時(shí)需測(cè)量不同波長(zhǎng)入射時(shí)的非線性吸收曲線。激光通過(guò)材料時(shí)，材料對(duì)光的吸收會(huì)引起其透過(guò)率的變化，材料的透過(guò)率隨入射激光強(qiáng)度的變化可以表征材料的非線性吸收。測(cè)量材料的非線性吸收曲線通常采用Z-掃描技術(shù)，Z-掃描技術(shù)采用透鏡聚焦獲得強(qiáng)度沿Z向變化的激光，通過(guò)改變樣品在Z向的位置獲得其非線性吸收曲線，Z-掃描技術(shù)降低了測(cè)量非線性吸收曲線時(shí)對(duì)激光器輸出能量的要求，但此方法適用于厚度較小的樣品，且樣品在Z向移動(dòng)時(shí)激光入射晶體的位置也將變化，不可避免地引入測(cè)量誤差。隨著高功率激光技術(shù)的發(fā)展，透過(guò)率測(cè)量法也得到了廣泛應(yīng)用，透過(guò)率測(cè)量法將待測(cè)樣品位置固定，通過(guò)不斷提高入射激光強(qiáng)度測(cè)量材料的透過(guò)率曲線，利用材料透過(guò)率的變化反映其非線性吸收特性，該方法對(duì)樣品厚度無(wú)嚴(yán)格限制，測(cè)量時(shí)樣品位置固定，誤差較小。測(cè)量材料的非線性吸收曲線時(shí)通常利用分光板獲得較小比例的入射激光并利用能量計(jì)檢測(cè)，能量計(jì)有一定的響應(yīng)閾值，低能量激光入射時(shí)能量計(jì)難以響應(yīng)，這就限制了非線性吸收曲線的測(cè)量范圍，并且還需單獨(dú)測(cè)量入射激光光斑尺寸，增加了測(cè)量裝置的復(fù)雜性。
目前，亟需改進(jìn)非線性透過(guò)率測(cè)量法，提高測(cè)量范圍，簡(jiǎn)化測(cè)量系統(tǒng)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種測(cè)量材料非線性吸收曲線的裝置。
本發(fā)明的測(cè)量材料非線性吸收曲線的裝置，其特點(diǎn)是：所述的裝置包括脈沖激光器、晶體倍頻系統(tǒng)、色散棱鏡、長(zhǎng)焦透鏡、光闌、分光板Ⅰ、分光板Ⅱ、衰減片、科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)、待測(cè)樣品和能量計(jì)，脈沖激光器發(fā)射脈沖激光，通過(guò)晶體倍頻系統(tǒng)射入色散棱鏡，獲得單波長(zhǎng)激光，單波長(zhǎng)激光經(jīng)長(zhǎng)焦透鏡和光闌后形成聚焦激光，聚焦激光入射至分光板Ⅰ，分光板Ⅰ的反射激光Ⅰ經(jīng)分光板Ⅱ反射成反射激光Ⅱ，反射激光Ⅱ至衰減片透射出反射激光Ⅲ，反射激光Ⅲ進(jìn)入科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)；分光板Ⅰ的透射激光Ⅰ經(jīng)待測(cè)樣品成為透射激光Ⅱ進(jìn)入能量計(jì)；
所述的長(zhǎng)焦透鏡的焦距f、待測(cè)樣品的厚度h和單波長(zhǎng)激光的光斑直徑d之間比例為f/h≥100，f/d≥100；所述的待測(cè)樣品到長(zhǎng)焦透鏡焦點(diǎn)的距離L與待測(cè)樣品的厚度h之比為L(zhǎng)/h≥30；所述的科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)的感光面到長(zhǎng)焦透鏡的折線距離為s，s=f-L。
所述的脈沖激光器發(fā)射的脈沖激光的脈寬τ為皮秒或納秒量級(jí)，脈沖激光的波長(zhǎng)范圍為1053 nm或1064 nm。
所述的晶體倍頻系統(tǒng)包括一片或一片以上的串聯(lián)排列的KDP類晶體。
所述的測(cè)量材料非線性吸收曲線的裝置放置在暗室中的減震光學(xué)平臺(tái)上，科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)的周圍無(wú)雜散光干擾。
所述的分光板Ⅰ和分光板Ⅱ的材料為融石英，反射率為4%。
所述的晶體倍頻系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)基頻光的二倍頻、三倍頻、四倍頻及五倍頻激光輸出，并通過(guò)色散棱鏡選取不同波長(zhǎng)的單波長(zhǎng)激光。
所述的長(zhǎng)焦透鏡的焦距f與光斑直徑d之間比例f/d≥100，能夠減小樣品厚度引起的樣品前后表面光斑尺寸差異的絕對(duì)值。
所述的光闌放置于長(zhǎng)焦透鏡后，通過(guò)光闌控制單波長(zhǎng)激光光斑的形狀和口徑，可以獲得形狀較為規(guī)則、灰度較為均勻的聚焦激光。
所述的待測(cè)樣品對(duì)入射激光有一定的透過(guò)率，而且待測(cè)樣品到長(zhǎng)焦透鏡焦點(diǎn)的距離L與待測(cè)樣品的厚度h之比為L(zhǎng)/h≥30，能夠減小樣品厚度引起的樣品前后表面光斑尺寸差異的相對(duì)值。
所述的科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)具有較低的響應(yīng)閾值和較寬的響應(yīng)波段，利用科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)檢測(cè)反射激光Ⅲ的能量和光斑，s=f-L使得科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)感光面上反射激光Ⅲ的光斑尺寸與待測(cè)樣品上透射激光Ⅰ的光斑尺寸相等。
本發(fā)明的測(cè)量材料非線性吸收曲線的裝置采用的分光板Ⅰ、分光板Ⅱ的兩級(jí)分光板取樣，同時(shí)在科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)前放置合適衰減倍率的衰減片，保證入射的脈沖激光能量最大時(shí)，科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)獲得的光斑灰度的最大值為科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)飽和灰度的65%-95%。
本發(fā)明的測(cè)量材料非線性吸收曲線的裝置放置于暗室中減震光學(xué)平臺(tái)上，周圍無(wú)雜散光干擾。
本發(fā)明的測(cè)量材料非線性吸收曲線的裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)：
1. 利用KDP類晶體將基頻光倍頻，并采用色散棱鏡分揀出所需的單波長(zhǎng)激光，可實(shí)現(xiàn)利用多種波長(zhǎng)的單波長(zhǎng)激光測(cè)量材料的非線性吸收曲線；
2. 科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)具有較低的響應(yīng)閾值和較高的飽和灰度，利用科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)檢測(cè)單波長(zhǎng)激光能量，可在較寬的單波長(zhǎng)激光強(qiáng)度范圍內(nèi)測(cè)量材料的非線性吸收曲線；
3. 利用科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)同時(shí)檢測(cè)入射激光的光斑強(qiáng)度分布，根據(jù)此分布可以準(zhǔn)確獲得光斑的尺寸，簡(jiǎn)化了測(cè)量裝置，提高了測(cè)量精度。
本發(fā)明的測(cè)量材料非線性吸收曲線的裝置采用晶體倍頻系統(tǒng)和色散棱鏡獲得所需的單波長(zhǎng)激光，然后通過(guò)長(zhǎng)焦透鏡提高入射激光強(qiáng)度，采用科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)記錄入射激光的能量和光斑尺寸，通過(guò)能量計(jì)測(cè)得出射激光能量，獲得了待測(cè)樣品的非線性吸收曲線。本發(fā)明的測(cè)量材料非線性吸收曲線的裝置提高了非線性吸收曲線的測(cè)量范圍，簡(jiǎn)化了非線性吸收曲線測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多波長(zhǎng)、寬范圍、高精度非線性吸收曲線測(cè)量。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明的測(cè)量材料非線性吸收曲線的裝置示意圖；
圖中，1.脈沖激光器 2.晶體倍頻系統(tǒng) 4.色散棱鏡 5.長(zhǎng)焦透鏡 6.光闌 7.分光板Ⅰ 8.分光板Ⅱ 9.衰減片 10.科學(xué)級(jí)CCD相機(jī) 11.待測(cè)樣品 12.能量計(jì)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。以下實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制。有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化、替換和變型，因此同等的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇。
如圖1所示，本發(fā)明的測(cè)量材料非線性吸收曲線的裝置，包括脈沖激光器1、晶體倍頻系統(tǒng)2、色散棱鏡3、長(zhǎng)焦透鏡4、光闌5、分光板Ⅰ6、分光板Ⅱ7、衰減片8、科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)9、待測(cè)樣品10和能量計(jì)11，脈沖激光器1發(fā)射脈沖激光，通過(guò)晶體倍頻系統(tǒng)2射入色散棱鏡3，獲得單波長(zhǎng)激光，單波長(zhǎng)激光經(jīng)長(zhǎng)焦透鏡4和光闌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經(jīng)分光板Ⅱ7反射成反射激光Ⅱ，反射激光Ⅱ至衰減片8透射出反射激光Ⅲ，反射激光Ⅲ進(jìn)入科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)9,分光板Ⅰ7的透射激光Ⅰ經(jīng)待測(cè)樣品10成為透射激光Ⅱ進(jìn)入能量計(jì)11；
所述的長(zhǎng)焦透鏡5的焦距f、待測(cè)樣品11的厚度h和單波長(zhǎng)激光的光斑直徑d之間比例為f/h≥100，f/d≥100；所述的待測(cè)樣品11到長(zhǎng)焦透鏡5焦點(diǎn)的距離L與待測(cè)樣品11的厚度h之比為L(zhǎng)/h≥30；所述的科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)10的感光面到長(zhǎng)焦透鏡5的折線距離為s，s=f-L。
所述的脈沖激光器1發(fā)射的脈沖激光的脈寬τ為皮秒或納秒量級(jí)，脈沖激光的波長(zhǎng)范圍為1053 nm或1064 nm。
所述的晶體倍頻系統(tǒng)2包括一片或一片以上的串聯(lián)排列的KDP類晶體。
所述的測(cè)量材料非線性吸收曲線的裝置放置在暗室中的減震光學(xué)平臺(tái)上，科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)10的周圍無(wú)雜散光干擾。
所述的分光板Ⅰ7和分光板Ⅱ8的材料為融石英，反射率為4%。
實(shí)施例1
脈沖激光器增益介質(zhì)為Nd:YLF，輸出基頻光ω1=1053 nm，脈寬τ=50 ps，基頻光斑直徑 0.7cm，出射激光水平偏振；晶體倍頻系統(tǒng)由KDP和DKDP晶體組成，經(jīng)頻率轉(zhuǎn)換后獲得ω2=263 nm的四倍頻光；色散棱鏡和長(zhǎng)焦透鏡均為紫外高透元件，長(zhǎng)焦透鏡的焦距f約為130 cm；分光板的材料為融石英，反射率為4%；待測(cè)樣品為氘含量為66%的DKDP晶體，樣品厚度h為0.8 cm，樣品表面經(jīng)精細(xì)拋光；科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)的分辨率為1024 像素×1024 像素，單個(gè)像素點(diǎn)尺寸為13 μm×13 μm；衰減片為四倍頻激光衰減片；能量計(jì)的測(cè)量范圍為20 μJ-10 J；科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)和待測(cè)樣品均放置于可沿光路平移的平移臺(tái)上，科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)感光面和待測(cè)樣品至透鏡距離s為103 cm；整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)置于暗室中減震光學(xué)平臺(tái)上，周圍無(wú)雜散光干擾。
所述的測(cè)量材料非線性吸收曲線的方法的測(cè)量步驟如下：
1.脈沖激光器發(fā)射脈沖激光，調(diào)整晶體倍頻系統(tǒng)中KDP和DKDP晶體的匹配角度，直至脈沖激光的倍頻轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值；
2.脈沖激光器發(fā)射的脈沖激光能量最低時(shí)，CCD相機(jī)前加入多片衰減片，通過(guò)科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)觀察光斑的灰度，光斑灰度值低于科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)的飽和灰度；逐漸提高脈沖激光器發(fā)射的脈沖激光能量直至最大，衰減片的數(shù)量不變，通過(guò)科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)觀察光斑的灰度，光斑灰度值低于科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)的飽和灰度；逐片減少衰減片的數(shù)量，通過(guò)科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)上觀察光斑的灰度的變化，直至科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)上的光斑灰度值為科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)的飽和灰度的71%。
3.移除待測(cè)樣品，從低到高，級(jí)數(shù)為12，逐級(jí)調(diào)整脈沖激光器（1）發(fā)射的脈沖激光能量，記錄反射激光Ⅲ在科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)上的光斑P10–光斑P1n的灰度分布，同時(shí)記錄能量計(jì)的讀數(shù) Ein(P10)-Ein(P1n)；
4.放置待測(cè)樣品，從低到高，級(jí)數(shù)為12，逐級(jí)調(diào)整脈沖激光器發(fā)射的脈沖激光能量，記錄反射激光Ⅲ在科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)上的光斑P20-光斑P2n的灰度分布，同時(shí)記錄能量計(jì)的讀數(shù)Eout(P20)-Eout(P2n)；
5.繪制光斑上各點(diǎn)的灰度和位置的關(guān)系曲線G(X,Y),G(X,Y)為高斯分布，光斑半高寬約為20像素，光斑的峰值灰度為Gp，本底信號(hào)為G0；在光斑周圍選取100像素×100 像素的范圍，在該范圍內(nèi)的計(jì)算光斑灰度 QUOTE ；高斯光束等效的光斑面積QUOTE ；最終獲得光斑P10–光斑P1n對(duì)應(yīng)的S(P10)-S(P1n)和GA(P10)-GA(P1n)，光斑P20-光斑P2n對(duì)應(yīng)的S(P20)-S(P2n)和GA(P20)-GA(P2n)；
6.將步驟3的Ein(P10)-Ein(P1n)和步驟5的GA(P10)-GA(P1n)一一對(duì)應(yīng)，光斑均值灰度和入射激光能量近似呈線性關(guān)系，為了獲得更精確的Ein(GA)關(guān)系，采用二階多項(xiàng)式擬合數(shù)據(jù)；
7.利用Ein(GA)關(guān)系計(jì)算待測(cè)樣品的GA(P20)-GA(P2n)對(duì)應(yīng)的Ein(P20)-Ein(P2n)；
8.通過(guò)T=Ein/Eout計(jì)算待測(cè)樣品的透過(guò)率，得到T(P20)-T(P2n)；
9.通過(guò)Iin= Ein/（τ·S）計(jì)算激光強(qiáng)度，得到Iin(P20)- Iin(P2n)；
10.將步驟8的T(P20)-T(P2n)和步驟9的Iin(P20)- Iin(P2n)一一對(duì)應(yīng)，通過(guò)多項(xiàng)式擬合獲得T(Iin)。
結(jié)果表明，隨著激光強(qiáng)度的增加，DKDP晶體的透過(guò)率呈非線性下降，且下降速率逐漸減??；激光強(qiáng)度大于10 GW/cm2時(shí)，透過(guò)率逐漸趨于定值。
實(shí)施例2
本實(shí)施例與實(shí)施例1的實(shí)施方式基本相同，主要區(qū)別在于，晶體倍頻系統(tǒng)為兩塊KDP晶體，產(chǎn)生ω2=351 nm的三倍頻光；長(zhǎng)焦透鏡的焦距約為140 cm，科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)感光面和待測(cè)樣品至透鏡的距離為104 cm；衰減片為三倍頻激光衰減片，科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)上的光斑灰度最大值為其飽和灰度的87%。結(jié)果表明，隨著激光強(qiáng)度的增加，DKDP晶體的透過(guò)率呈非線性下降，與實(shí)施例1中的結(jié)果相比351 nm激光輻照下DKDP晶體的非線性吸收顯著降低。
實(shí)施例3
本實(shí)施例與實(shí)施例1的實(shí)施方式基本相同，主要區(qū)別在于，脈沖激光器增益介質(zhì)為Nd:YAG，輸出基頻光ω1=1064 nm；晶體倍頻系統(tǒng)為KDP和DKDP晶體，KDP和DKDP晶體的切割角度針對(duì)1064 nm激光產(chǎn)生ω2=266 nm的四倍頻光。