CN102163792B - 激光功率控制系统和激光加温系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光功率控制系统，其包括光学偏振模块、机电控制系统、激光功率检测系统、温度监测系统和显微观察系统，其中，机电控制系统包括旋转台和步进电机控制器，激光功率检测系统包括功率计和功率读出器，显微观察系统包括摄像头和监视器，光学偏振模块包括λ/4波片和偏振分束器，机电控制系统控制光学偏振模块的移动和转动。本发明还公开了一种激光加温系统。上述系统可以有效控制加温激光的功率，在DAC中获得稳定可调、均匀分布的样品温度。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光加温系统和激光功率控制系统，尤其涉及一种在基于金刚石对顶砧(DAC)的高压高温原位测试中，可以在保证加温光斑均匀和稳定的情况下有效地控制压腔内样品温度大小的激光加温系统和激光功率控制系统。
背景技术
在采用金刚石对顶砧的激光加温高压实验中，样品的温度通过对高功率红外激光的吸收而获得。实验中需要改变照射样品的激光功率大小以获得不同的温度，通常采用的方法是调节激光器的工作电流。由于DAC激光加温实验中采用的灯泵浦高功率红外激光器，只有其工作在最大电流时才有好的模输出，因此通过调整激光器的工作电流来改变照射样品的激光功率，不能保证输出的激光光束具有均匀的功率分布，从而造成样品的加温区域温度分布很不均匀，影响实验数据的可靠性。另外一个问题，由于在偏离工作电流时，激光器的模处于不稳定状态，引起功率的随机变化很大，很难在样品上获得稳定的温度。为了保证在DAC中能够获得均匀分布且稳定可调的样品温度，需要一种有效的入射激光功率控制方法，在改变入射激光功率大小的同时保证稳定的模输出。
发明内容
本发明的目的是提供一种有效控制加温激光的功率，在DAC中获得稳定可调、均匀分布的样品温度的激光功率控制系统及激光加温系统。
本发明公开了一种激光功率控制系统，其包括光学偏振模块、机电控制系统、激光功率检测系统、温度监测系统和显微观察系统，其中，机电控制系统包括旋转台和步进电机控制器，激光功率检测系统包括功率计和功率读出器，显微观察系统包括摄像头和监视器，光学偏振模块包括λ/4波片和偏振分束器，光学偏振模块可以使单一方向的线偏振光变为互相垂直的第一线偏振光和第二线偏振光，第一线偏振光用于样品加温，第二线偏振光由所述功率计接收，调节波片光轴和入射激光线偏振方向之间的夹角可以改变第一线偏振光和第二线偏振光的功率比值，机电控制系统控制光学偏振模块的移动和转动。
本发明同时公开了一种激光加温系统，其包括激光器、光学偏振模块、机电控制系统、激光功率检测系统，温度监测系统和显微观察系统，其中，机电控制系统包括旋转台和步进电机控制器，激光功率检测系统包括功率计和功率读出器，显微观察系统包括摄像头和监视器，光学偏振模块包括λ/4波片和偏振分束器，光学偏振模块位于激光器的光轴上，光学偏振模块使单一方向的线偏振光变为互相垂直的第一线偏振光和第二线偏振光，第一线偏振光用于样品加温，第二线偏振光由所述功率计接收，调节波片光轴和入射激光线偏振方向之间的夹角可以改变第一线偏振光和第二线偏振光的功率比值，机电控制系统控制光学偏振模块的移动和转动，激光功率检测系统检测传输到样品上的激光出功率。
激光器1优选输出具有线偏振特性红外激光的激光器，更优选具有TEM01 *模输出的Nd:YLF激光器。
本发明的激光功率控制系统以及激光加温系统，其优点在于保证激光器工作在最佳工作点的同时，可以量化地控制入射到DAC样品腔中的激光功率，以避免激光模紊乱引起的径向温度梯度，同时可以获得最佳的温度稳定效果。
附图说明
图1为本发明的包括激光功率控制系统及激光加温系统的结构示意图。
图2为本发明的激光功率控制系统的原理图。
图3为使用本发明的激光加温系统得到的加温图像。
图4为使用本发明的激光加温系统得到的样品温度分布图。
图5为使用本发明的激光加温系统得到的温度稳定性实验图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员可以更清楚的了解本发明的技术方案，下面结合附图通过具体实施方式对本发明的系统做进一步说明。
如图1所示，本发明的激光功率控制系统包括光学偏振模块、机电控制系统、激光功率检测系统、温度监测系统10、显微观察系统。光学偏振模块包括λ/4波片2和偏振分束器5，机电控制系统包括旋转台3和步进电机控制器4，激光功率检测系统包括功率计6和功率读出器7，显微观察系统包括摄像头11和监视器12。机电控制系统控制光学偏振模块的移动和转动。
本发明的激光功率控制系统的设计思路是采用光学偏振原理改变DAC中样品所受激光功率的大小。光学偏振模块采用λ/4波片2和偏振分束器5组合的方式，使单一方向的线偏振光变为互相垂直的两路线偏振光，如图2所示，其中一路用于样品加温，另一路由功率计6接收。由步进电机控制器4控制的旋转台3携带λ/4波片2在垂直于光路传输方向的平面内转动，通过调节波片光轴和入射激光线偏振方向的夹角可以改变两路偏振光的功率比值，由此达到控制加温激光功率大小的目的。
激光功率检测系统包括功率计6和功率读出仪7，可以检测激光的原始输出功率，从而控制激光的原始功率输出。
温度检测系统10可以实时地测量DAC中样品的温度大小，以此作为调整波片转角的反馈信息。
显微观察系统包括摄像头11和监视器12，显微观察系统可以将样品的加温图像实时成像在监视器上，直观地监视样品的加温状态。具体地，样品9被激光加温后的温度由温度检测系统10测量，加温图像由摄像头11接收，实时地显示在监视器12上。
该激光功率控制系统利用光学偏振原理，在不改变激光模的情况下，可以使照射DAC中样品的激光功率可调且保持稳定，避免了调节激光器工作电流带来的模紊乱和功率波动。
如图1所示，本发明的激光加温系统包括激光器1、光学偏振模块、机电控制系统、激光功率检测系统、温度监测系统10、显微观察系统。光学偏振模块包括λ/4波片2和偏振分束器5，机电控制系统包括旋转台3和步进电机控制器4，激光功率检测系统包括功率计6和功率读出器7，显微观察系统包括摄像头11和监视器12。光学偏振模块位于激光器的光轴上，机电控制系统控制光学偏振模块的移动和转动，激光功率检测系统检测激光器的原始输出功率。另外，图1中还包括了激光加温系统的加温对象，金刚石对顶砧(DAC)8及其中的样品9。
本发明中，根据DAC中样品通过吸收激光产生温度的特点，激光器1作为加热源，优选红外激光器，更优选具有TEM01 *模输出的Nd:YLF激光器(下文中简称YLF激光器)。这种激光器输出的激光束具有类环状的光斑，相比于具有其它模的激光束而言，样品吸收后沿横向分布的温度梯度最小。实验中，激光器工作电流调节在最佳工作点，具有稳定的模输出。
YLF激光器优选输出波长为1053nm红外激光的YLF激光器，其具有垂直线偏振特性，在工作电流为35A时具有完好的TEM01*模。
本发明的设计思路是采用光学偏振原理改变DAC中样品所受激光功率的大小。由于Nd:YLF激光器输出的激光束具有线偏振特性，利用此特性，光学偏振模块采用λ/4波片2和偏振分束器5组合的方式，使单一方向的线偏振光变为互相垂直的两路线偏振光，其中一路用于样品加温，另一路由功率计6接收。由步进电机控制器4控制的旋转台3携带λ/4波片2在垂直于光路传输方向的平面内转动，通过调节波片光轴和入射激光线偏振方向的夹角可以改变两路偏振光的功率比值，由此达到控制加温激光功率大小的目的。由于激光器总是工作在最佳工作点，因此可以保证加温激光束始终具有好的模。
更具体地，垂直偏振的激光经过λ/4波片2后转换为椭圆偏振光，再经过偏振分束器5后分为两路，一路沿原光轴方向，另一路垂直于光轴(参见图2)。λ/4波片2安装在旋转台3上，通过步进电机控制器4可以使λ/4波片2在垂直于光轴的平面内旋转，以改变椭圆偏振光的水平和垂直分量比，由此改变分束器5两路光的功率大小。经过分束器5择偏分束后沿光轴的激光束用于DAC 8中样品9的加温，水平偏转的激光束由功率计6接收，由功率读出器7显示功率值。
激光功率检测系统包括功率计6和功率读出仪7。温度检测系统10可以实时地测量DAC中样品的温度大小，以此作为调整波片转角的反馈信息。
显微观察系统包括摄像头11和监视器12，显微观察系统可以将样品的加温图像实时成像在监视器上，直观地监视样品的加温状态。具体地，样品9被激光加温后的温度由测温系统10测量，加温图像由摄像头11接收，实时地显示在监视器12上。
本发明的激光功率控制系统，可以在保证激光模不变的情况下调节照射样品的激光功率，以使样品在改变温度时不会因为激光功率的分布不均匀引起径向的温度梯度。本发明的激光加温系统可以DAC中获得稳定可调、均匀分布的样品温度。图3为使用本发明的系统得到的DAC压腔中样品的加温图像。图4是加温区域中的温度分布，在100微米的范围内温度偏差小于±2％。由于系统在调节激光功率时保证了激光束的模不变，也使样品温度容易达到很高的稳定性。图5是样品TiO2和Mg2SiO4在高压下加温时获得的温度，温度不稳定性小于2.5％。
Claims (4)
1.一种激光功率控制系统，包括光学偏振模块、机电控制系统、激光功率检测系统、温度监测系统和显微观察系统，其特征在于，所述机电控制系统包括旋转台和步进电机控制器，所述激光功率检测系统包括功率计和功率读出器，所述显微观察系统包括摄像头和监视器，所述光学偏振模块包括λ/4波片和偏振分束器，所述光学偏振模块可以使单一方向的线偏振光变为互相垂直的第一线偏振光和第二线偏振光，所述第一线偏振光用于样品加温，所述第二线偏振光由所述功率计接收，调节所述波片的光轴和入射激光线偏振方向之间的夹角可以改变所述第一线偏振光和所述第二线偏振光的功率比值，所述机电控制系统控制所述光学偏振模块的移动和转动。
2.一种激光加温系统，包括激光器、光学偏振模块、机电控制系统、激光功率检测系统，温度监测系统和显微观察系统，其特征在于，所述机电控制系统包括旋转台和步进电机控制器，所述激光功率检测系统包括功率计和功率读出器，所述显微观察系统包括摄像头和监视器，所述光学偏振模块包括λ/4波片和偏振分束器，所述光学偏振模块位于所述激光器的光轴上，所述光学偏振模块使单一方向的线偏振光变为互相垂直的第一线偏振光和第二线偏振光，所述第一线偏振光用于样品加温，所述第二线偏振光由所述功率计接收，调节所述波片的光轴和入射激光线偏振方向之间的夹角可以改变所述第一线偏振光和所述第二线偏振光的功率比值，所述机电控制系统控制所述光学偏振模块的移动和转动，所述激光功率检测系统检测所述激光器的原始输出功率。
3.如权利要求2所述的激光加温系统，其特征在于，所述激光器为输出具有线偏振特性红外激光的激光器。
4.如权利要求2所述的激光加温系统，其特征在于，所述激光器为具有TEM01 *模输出的Nd:YLF激光器。
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