CN108318459A - 脉冲强激光诱导光致发光谱的测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种脉冲强激光诱导光致发光谱的测量装置及测量方法，应用高功率脉冲强激光以一定频率连续辐照光学元件材料内部，待测元件采用正侧面抛光，并在其侧面放置光纤探头和光谱仪以测量其散射信号，有效地减少了表面散射信号对结果的影响。采用时间积分的方式增加散射信号测量值，采用镜面对称相减的数据处理方法滤除瑞利散射信号，由此提取出高信噪比的强激光诱导的光致发光谱。本发明适用于各类透明光学元件的脉冲强激光诱导光致发光谱的在线探测。
Description
技术领域
本发明涉及光致发光谱探测，特别是一种脉冲强激光诱导光致发光谱的测量装置及测量方法。
背景技术
光谱技术是表征与研究材料性质的重要手段。根据现代量子物理学，原子核外电子的可能状态是不连续的，因此各状态对应能量也是不连续的，这些能量值就是能级。而光的粒子性决定了光子可以携带不同大小的能量，因此，当光子能量与材料的能级相匹配时，就会发生光子吸收、能级跃迁、光子辐射等微观行为，这些微观行为即会引起光谱的各种变化。使用光谱技术可以较为直观地反应材料内的能级情况。
光致发光谱是常用的光谱技术的其中一种。物质受到外界光源照射时获得能量并产生激发导致发光的现象即被称为光致发光，发出光组成的光谱即为光致发光谱。光致发光可以提供有关材料的结构、成分及环境原子排列的信息。
商用的光致发光谱探测中，使用的激发光源通常是普通单色光或者连续激光。而本发明采用高功率脉冲强激光作为激发光源，大幅提高了激发光源的能量密度。强激光作用下，更易产生双光子吸收、多光子吸收等非线性光学效应，由此可以得到更多待测光学元件的能级结构信息。
发明内容
本发明提供一种脉冲强激光诱导光致发光谱的测量装置及测量方法，适用于各类透明光学元件光致发光谱的在线测试。
本发明的基本原理主要基于以下几点：
1.晶体是由大量的原子有序堆积而成，原子核外电子存在不连续的可能状态使得原子在不同状态具备不连续的能量值，形成了不同的原子轨道，而各种原子的原子轨道构成了晶体中具有分立能级的分子轨道。由原子轨道所构成的分子轨道数量非常之大，以至于可以将所形成的分子轨道的能级看成是准连续的，即形成了能带。当物体被外界光源照射时，物体中的电子可以吸收光子携带的能量，从而从较低的能态跃迁到较高的激发态。在这些电子回到热平衡态的过程中，多余的能量可以通过非辐射过程和发光过程释放，其中发光过程就可以被光谱仪探测到，收集到与激发光波长不一致的其他波段光信号，即体现为光致发光谱。
2.当强激光与介质相互作用时，光与介质会发生能量交换、光的频率会发生改变，这就是产生了非线性光学效应。常见的非线性光学效应包括：产生高次谐波、光学混频、受激拉曼散射、多光子吸收等。本文的脉冲强激光诱导光致发光谱的测量装置使用的是高功率脉冲强激光作光源，可以探测到相关的非线性光学效应。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种脉冲强激光诱导光致发光谱的测量装置及测量方法，特征在于其构成包括：由脉冲激光器、衰减控制器、半波片和聚焦透镜组成的脉冲强激光辐照系统；由光纤探头和光谱仪组成的光致发光信号收集系统；沿该脉冲激光器的激光输出方向依次是所述的衰减控制器、半波片、聚焦透镜和供待测光学元件放置的移动平台，该移动平台与计算机相连；供待测光学元件放置的移动平台的正侧面依次是所述的光纤探头和光谱仪，所述的光谱仪的输出端与计算机的输入端相连。
所述的脉冲强激光诱导光致发光谱的测量装置，其特征在于，所述的脉冲强激光的脉宽在飞秒至纳秒的范围内。
所述的脉冲强激光诱导光致发光谱的测量装置，其特征在于，所述的光谱仪的单次积分时间设置范围为1秒至10秒。
利用上述的脉冲强激光诱导光致发光谱的测量装置实现光致发光谱的测量方法，包括下列步骤：
1)选择长焦或短焦的透镜作为聚焦透镜，若为了测量材料整体的光致发光谱，通常选择焦距为5m的长焦透镜；若为了测量材料内某一点的光致发光谱，则选择焦距为0.3m的短焦透镜；
2)通过计算机控制样品移动平台运动，使脉冲强激光以0度入射角穿过待测光学元件的测试区域；
3)设置脉冲激光器的输出功率，使得辐照待测光学元件的激光通量为其损伤阈值的75％；
4)通过计算机设置光谱仪的单次积分时间为1秒至10秒，开启脉冲激光器，控制光谱仪开始持续采集积分时间内的光谱数据，采集完成后，关闭脉冲激光器；
5)利用计算机对光谱数据进行数据处理，消除光谱数据中的激发光瑞利散射信号得到光致发光信号。
上述的数据处理具体步骤包括：
1)获得原始光谱：导入光谱仪采集的数据，即得到200-1200纳米范围内各波长对应的强度数据，波长λ与对应强度Iλ组成原始光谱；
2)获得瑞利散射信号：假设激发光波长为λ0，只选取原始光谱中波长λ0至(λ0-50)纳米内的光谱，即为瑞利散射信号的短波边；计算λ0至(λ0+50)纳米内各波长对应的强度，其中波长λ处的强度得到的λ0至(λ0+50)纳米内的光谱即为瑞利散射信号的长波边，瑞利散射信号的短波边与长波边相叠加即得到瑞利散射信号；
3)获得光致发光信号：将步骤2)所得的瑞利散射信号从步骤1)所得的原始光谱中减去，即得到光致发光信号。
本发明与在先技术相比具有以下技术效果：
(1)本发明使用高功率脉冲强激光作为激发光源，强激光与物质相互作用时会发生非线性光学效应，测量所得的光致发光谱中包含更多信息；
(2)利用一定频率多脉冲激光连续辐照和时间积分的方法增加散射信号测量值以探测到微弱的散射信号；
(3)采用在线实时探测，光学元件受脉冲强激光辐射可能发生瞬态变化，本发明保证材料瞬态变化所引起的光致发光特性变化可被探测到；
(4)采用镜面对称相减的数据处理方法，消除原始光谱数据中较强的激发光瑞利散射信号，获得高信噪比的强激光致光致发光信号。
附图说明
图1是本发明脉冲强激光诱导光致发光谱的测量装置的框图。
图2是镜面对称相减的数据处理方法示意图。
图中：1-脉冲激光器，2-衰减控制器，3-半波片，4-聚焦透镜，5-待测光学元件，6-移动平台，7-光纤探头，8-光谱仪，9-计算机，10-数据处理，11-原始光谱数据，12-瑞利散射信号，13-光致发光信号。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明脉冲强激光诱导光致发光谱的测量装置的框图，由图可见，本发明脉冲强激光诱导光致发光谱的测量装置包括：由脉冲激光器1、衰减控制器2、半波片3和聚焦透镜4组成的脉冲强激光辐照系统；由光纤探头7和光谱仪8组成的光致发光信号收集系统；供待测光学元件5放置的移动平台6。其中计算机9分别与光谱仪8的输出端和移动平台6相连。该装置的光路是，脉冲激光器1发出的脉冲强激光经过衰减控制器2和半波片3，由聚焦透镜4聚焦在待测光学元件6的内部构成一个脉冲激光辐照区域，所述的待测光学元件5经所述的脉冲激光辐照发出的光谱数据通过正侧面的光纤探头7收集，信号经由光谱仪8输入所述的计算机9，该计算机对收集到的信号进行镜面对称相减10的数据处理方法。
所述的脉冲强激光的脉宽在飞秒至纳秒的范围内。
所述的光谱仪8的单次积分时间设置范围为1秒至10秒。
所述的待测光学元件5的侧面抛光，其厚度较薄约为12mm，所述的聚焦透镜4的焦距既可以选择较长焦距也可以选择较短焦距，选择较长焦距5m时，在样品体内被辐照区域激光光斑直径基本相同，激光光斑的有效直径为0.7mm，脉宽为8ns；选择较短焦距0.3m时，激光光斑的有效直径为0.04mm，脉宽为8ns。
利用所述的脉冲强激光诱导光致发光谱的测量装置实现光致发光谱的测量方法，包括下列步骤：
1)选择长焦或短焦的透镜作为聚焦透镜4，若为了测量材料整体的光致发光谱，通常选择焦距为5m的长焦透镜；若为了测量材料内某一点的光致发光谱，则选择焦距为0.3m的短焦透镜；
2)通过计算机9控制样品移动平台6运动，使脉冲强激光以0度入射角穿过待测光学元件5的测试区域；
3)设置脉冲激光器1的输出功率，使得辐照待测光学元件5的激光通量为其损伤阈值的75％；
4)通过计算机9设置光谱仪8的单次积分时间为1秒至10秒，开启脉冲激光器1，控制光谱仪8开始持续采集积分时间内的光谱数据，采集完成后，关闭脉冲激光器1；
通过上述步骤所得的原始光谱数据中包含较强的激发光瑞利散射信号，为了消除该瑞利散射信号，需要对原始光谱数据进行相应处理。由于频率上转换效应的发生几率较小，因此该瑞利散射信号的短波边一般没有其他信号的干扰；而该信号的长波边则会含有拉曼散射信号、荧光信号等，故不能直接消除，需要利用镜面对称相减的数据处理方法，具体步骤包括：
1)获得原始光谱11：导入光谱仪8采集的数据，即得到200-1200纳米范围内各波长对应的强度数据，波长λ与对应强度Iλ组成原始光谱；
2)获得瑞利散射信号12：假设激发光波长为λ0，只选取原始光谱11中波长λ0至(λ0-50)纳米内的光谱，即为瑞利散射信号的短波边；计算λ0至(λ0+50)纳米内各波长对应的强度，其中波长λ处的强度得到的λ0至(0+50)纳米内的光谱即为瑞利散射信号的长波边，瑞利散射信号的短波边与长波边相叠加即得到瑞利散射信号；
3)获得光致发光信号13：将步骤2)所得的瑞利散射信号12从步骤1)所得的原始光谱11中减去，即得到光致发光信号。
实验表明，本发明可以获得高信噪比的脉冲强激光诱导光致发光信号，具有在线实时测量、不会破坏待测样品的特点。
Claims (5)
1.一种脉冲强激光诱导光致发光谱的测量装置及测量方法，特征在于其构成包括：由脉冲激光器(1)、衰减控制器(2)、半波片(3)和聚焦透镜(4)组成的脉冲强激光辐照系统；由光纤探头(7)和光谱仪(8)组成的光致发光信号收集系统；沿该脉冲激光器(1)的激光输出方向依次是所述的衰减控制器(2)、半波片(3)、聚焦透镜(4)和供待测光学元件(5)放置的移动平台(6)，该移动平台(6)与计算机(9)相连；供待测光学元件(5)放置的移动平台(6)的正侧面依次是所述的光纤探头(7)和光谱仪(8)，所述的光谱仪(8)的输出端与计算机(9)的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的脉冲强激光诱导光致发光谱的测量装置，其特征在于，所述的脉冲强激光的脉宽在飞秒至纳秒的范围内。
3.根据权利要求1所述的脉冲强激光诱导光致发光谱的测量装置，其特征在于，所述的光谱仪(8)的单次积分时间设置范围为1秒至10秒。
4.利用权利要求1-3任一所述的脉冲强激光诱导光致发光谱的测量装置实现光致发光谱的测量方法，包括下列步骤：
步骤1)聚焦透镜(4)的选择：若需测量材料整体的光致发光谱，则选择焦距为5m的长焦透镜；若需测量材料内某一点的光致发光谱，则选择焦距为0.3m的短焦透镜；
步骤2)通过计算机(9)控制样品移动平台(6)移动，使脉冲强激光以0度入射角穿过待测光学元件(5)的测试区域；
步骤3)设置脉冲激光器(1)的输出功率，使得辐照待测光学元件(5)的激光通量为其损伤阈值的75％；
步骤4)设置光谱仪(8)的单次积分时间，开启脉冲激光器(1)，控制光谱仪(8)持续采集积分时间内的光谱数据，采集完成后，关闭脉冲激光器(1)；
步骤5)利用计算机(9)对光谱数据进行数据处理(10)，消除光谱数据中的激发光瑞利散射信号得到光致发光信号。
5.根据权利要求4所述的脉冲强激光诱导光致发光谱的测量方法，其特征在于，所述的步骤5)中数据处理，具体包括如下步骤：
1)获得原始光谱(11)：导入光谱仪(8)采集的数据，即得到200-1200纳米范围内各波长对应的强度数据，波长λ与对应强度Iλ组成原始光谱；
2)获得瑞利散射信号(12)：假设激发光波长为λ0，只选取原始光谱(11)中波长λ0至(λ0-50)纳米内的光谱，即为瑞利散射信号的短波边；计算λ0至(λ0+50)纳米内各波长对应的强度，其中波长λ处的强度得到的λ0至(λ0+50)纳米内的光谱即为瑞利散射信号的长波边，瑞利散射信号的短波边与长波边相叠加即得到瑞利散射信号；
3)获得光致发光信号(13)：将步骤2)所得的瑞利散射信号(12)从步骤1)所得的原始光谱(11)中减去，即得到光致发光信号。
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