CN102890071B

CN102890071B - 一种测量激光工作介质散射系数与吸收系数的装置

Info

Publication number: CN102890071B
Application number: CN201110368932.8A
Authority: CN
Inventors: 许祖彦; 申玉; 薄勇; 宗楠; 彭钦军
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2011-07-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2031-11-18
Also published as: CN102890071A

Abstract

一种测量激光材料散射系数与吸收系数的装置，其由测试激光器、积分球、光电探测器、激光功率计及示波器组成；空心积分球内壁涂白色漫反射层；球壁上设入光孔、出光孔和探测孔；入光孔及出光孔位于积分球左、右侧球壁上，入光孔和出光孔中心连线为水平线且穿过球心；测试激光器和激光功率计分别置于入光孔和出光孔外侧；光电探测器位于探测孔外侧与探测孔相连；待测激光工作介质样品固定在积分球中央；测试激光器发出的测试激光从入光孔入射，并垂直入射至样品一端面，从样品另一端面及出光孔出射；利用样品的总透过率与总散射率测量值以及散射系数、吸收系数计算式，得出待测试样品的损耗系数；其精确度高，可更好表征激光工作介质的光学性能。

Description

一种测量激光工作介质散射系数与吸收系数的装置

技术领域

本发明属于激光工作介质表征与评估领域，特别涉及一种测量激光工作介质散射系数与吸收系数的装置。

背景技术

自1960年世界上第一台激光器诞生以来，各类激光器及激光技术的发展极为迅速。激光技术在各个领域，特别是科学研究以及国防建设等领域得到了广泛的应用，已经成为现代科学技术及社会发展的重要支柱之一。其中激光二极管泵浦的固体激光器(laser diode pumped solid state laser，LDPSSL或DPL)，即全固态激光器凭借其体积小和重量轻的特点发展尤为突出，在材料加工、军事与医学等方面呈现出巨大的应用前景。

在全固态激光技术及其相关领域的发展中，固体激光工作物质的开发和选取是研究基础和先导，高性能的激光工作介质对于产生高性能的激光输出具有决定性的作用。损耗是评价激光工作介质激光性能的重要参数，直接影响其激光输出特性，激光工作介质的损耗主要分为两部分：散射损耗与吸收损耗。散射损耗由激光工作介质内部的缺陷(如气孔、晶界等)引起；吸收损耗由激光工作介质中杂质离子的吸收引起；损耗系数为定量评价样品损耗大小的参数，为了揭示引起材料损耗的原因，改进其制备方案降低损耗，需要定量测量材料的损耗系数，由于总损耗系数不能区分造成损耗的具体原因，因此需要分别测试其散射系数与吸收系数。目前激光工作介质的损耗测量方法可分为三种：吸收系数测量、总损耗系数测量，以及散射系数与吸收系数测量，其中前两种方法能评价材料的吸收特性或总损耗，但均不能全面的评价材料的损耗特性，为此我们曾研制了一台能实现散射系数与吸收系数测量的损耗测量仪器²，即上述第三种损耗测量方法。该方法能测量样品的散射系数与吸收系数，从而能定量、全面的评价材料的散射性能与吸收性能，不足之处为：利用单一脉冲激光测试样品的散射率与透过率，透过率测量误差较大；并且理论计算过程未考虑激光工作介质端面对泵浦光的菲涅尔损耗，利用泵浦光在材料内部单程传输近似计算散射系数与吸收系数，精确度较低。本发明考虑材料端面菲涅尔损耗以及测试激光在样品内部多次反射与吸收的复杂情况精确推导了样品散射系数与吸收系数的精确计算公式，为了提高测量精度本发明将测试激光器由原有的单一脉冲激光器改为可选择输出连续激光或脉冲激光的可调激光器，利用高稳定性连续波激光与高峰值功率的脉冲激光分别测量样品的透过率和散射率。

与现有损耗系数测量方法相比，本发明能测量激光工作介质散射系数与吸收系数，精确度高，能更好的表征激光工作介质的光学性能，从而为激光工作介质制备方法及参数的改进等提供重要参考。

发明内容

本发明针对现有激光工作介质损耗测量技术的不足，提供一种能精确测量激光工作介质散射系数与吸收系数的装置，本发明精确推导了散射系数与吸收系数的计算公式，利用高稳定性的连续波激光和高峰值功率的脉冲激光分别测量激光工作介质的总透过率与总散射率，从而提高了测量精度。

本发明所采用的技术方案为：

本发明提供的一种测量激光材料散射系数与吸收系数的装置，包括测试激光器1、积分球2、光电探测器3与示波器4。如图1所示，积分球为一支撑架固定支撑的内壁涂有白色漫反射材料层的空腔球体；该空腔球体的球壁上设有透过球壁的入光孔、出光孔和探测孔三个圆孔；所述入光孔及出光孔分别位于所述积分球左侧球壁和右侧球壁上，所述入光孔和出光孔的中心连线为水平线，并且穿过所述积分球球心；

所述测试激光器1和激光功率计7分别置于所述入光孔外侧和出光孔外侧；

所述光电探测器3位于所述探测孔外侧，并与探测孔相连；

待测激光工作介质由固定支撑装置6固定在积分球中央；测试激光器发出的测试激光从入光孔入射，并垂直入射至待测激光工作介质一端面，从待测激光工作介质另一端面及出光孔出射；入射激光能全部通过待测激光工作介质且面积尽可能大的覆盖待测激光工作介质；入射激光功率为P_i、经样品入射端面反射、样品内部散射、吸收后经输出端面透射，总反射功率为P_R，总散射功率为P_s，总吸收功率为P_a；总透过功率为P_T；由激光功率计7测量入射激光功率P_i以及出射光功率P_T，则，待测激光工作介质(样品)对测试激光的总透过率不放样品时，使功率为P_i的脉冲激光入射积分球，由光电探测器3测得脉冲信号强度为D_i；放入样品，使脉冲激光P_i入射样品后出射，由光电探测器3测得功率为P_s的散射脉冲信号强度为D_s，样品总散射率

本发明根据激光工作介质散射与吸收特性关系，考虑样品多次反射与吸收的复杂情况，推导了样品总损耗系数α、散射系数α_s与吸收系数α_a的精确计算公式：

α = \ln (\frac{2 {R_{b}}^{2} T}{- {(1 - R_{b})}^{2} + \sqrt{{(1 - R_{b})}^{4} + 4 T^{2} {R_{b}}^{2}}}) / L - - - (1)

a_{s} = \frac{S \cdot a}{1 - R - T} - - - (2)

a_a＝a-a_s (3)

式中R_b，R，L分别为样品端面反射率、样品总反射率以及样品长度。

利用总透过率T与总散射率S测量值以及散射系数、吸收系数计算公式(1)至(3)式，可以精确测试样品的损耗系数。

上述技术方案中，所述测试激光器1可以实现高稳定性连续激光输出或高峰值功率脉冲激光输出两种输出方式，或者由连续与脉冲两种激光器组成。

上述技术方案中，测试激光器输出中心波长为待测激光工作介质的非本征吸收波段。

上述技术方案中，测量待测激光工作介质总透过率T时测试激光器为连续激光输出，测量样品总散射率S时，测试激光器为脉冲激光输出。

上述技术方案中，所述积分球为光度测量中采用的中空球体，内壁涂有白色漫反射材料，采用不易变形以及不易受外界环境影响的材料制成，球壁上三个孔，分别用作入光孔、出光孔与探测孔，球外形尺寸以及开孔位置为：外半径R₁×内半径R₂；积分球任一直径D₁左端一个半径为R₃的入光孔(圆孔)8、右端一个半径为R₄的出光孔(圆孔)9，积分球球壁任意位置半径为R₅的探测孔(圆孔)10；为方便样品操作，积分球沿与直径D₁呈α角截面分成两部分。

上述技术方案中，所述积分球内壁为良好的球面，涂以理想的漫反射材料(即满反射系数接近于1的材料)，如氧化镁或硫酸钡。

上述技术方案中，所述电探测器以及所述示波器均为本行业常用的商业探测器与示波器，对测试激光波长有响应。

上述技术方案中，所述样品端面总反射率R具体确定方法为：考虑测试激光在样品内多次反射与吸收的复杂情况，样品端面总反射率

R = \frac{P_{R}}{P_{i}} = R_{b} (\frac{1 + (1 - 2 R_{b}) \cdot \exp (- 2 aL)}{1 - R_{b}^{2} \cdot \exp (- 2 aL)}) .

相对于其它损耗测量方法，本发明能测量激光工作介质的散射系数与吸收系数，精确度高，能更好的表征激光工作介质的光学性能。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种精确测量Nd:YAG陶瓷激光工作介质散射系数与吸收吸收的实验装置

图2给出本发明提供的积分球结构示意图

图3给出测试激光入射样品时入射功率、反射功率、散射功率、吸收功率以及透射功率分布示意图。

图面说明如下：

1-测试激光器 2-积分球

3-光电探测器 4-示波器

5-待测激光工作介质(样品) 6-固定支撑装置

7-激光功率计 8-入光孔

9-出光孔 10-探测孔

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图实施例对本发明做进一步详细描述。

实施例1

本实施例提供一种测量Nd:YAG陶瓷激光工作介质散射系数与吸收系数的实验装置。

本实施例具体结构参考图1；待测Nd:YAG陶瓷材料5(待测激光工作介质)放置并由固定支撑装置6固定在积分球2中央，测试激光经入光孔8进入积分球并从样品一端垂直入射、另一端透射，入射激光功率为P_i经样品入射端面反射、样品内部散射与吸收后透过功率为P_T，总反射功率、总散射功率与总吸收功率分别为P_R、P_s、P_a；放样品前后，分别由出光孔9后方垂直于测试激光传播方向放置的激光功率计7测量入射激光功率P_i以及出射光功率P_T，可测试样品对测试激光的总透过率T＝P_T/P_i，此测量过程测试激光器为连续激光输出。不放样品时出光孔9闭合，使功率为P_i的脉冲激光入射积分球，由放置于出光孔10的光电探测器3探测并传输到高精度示波器4进行处理，得到脉冲信号强度为D_i；放入样品，出光孔9开启使脉冲激光P_i入射样品后出射，由光电探测器3测得功率为P_s的散射脉冲信号强度为D_s，样品总散射率S＝P_s/P_i＝D_s/D_i，此测量过程测试激光器为脉冲激光输出。利用透过率T与散射率S测量值以及样品总损耗系数、散射系数与吸收系数精确计算公式即可得到Nd:YAG陶瓷样品的总损耗系数、吸收系数与散射系数。

本实施例中的测试激光器1为声光调Q脉冲激光器，输出中心波长为1064nm；Q开关处于关闭状态时输出连续激光，不稳定性小于0.5％；Q开关处于开启状态时为脉冲激光输出，重复频率为10Hz，脉冲宽度约为200ns。

本实施例中积分球2尺寸为外值径φ300mm、内直径φ290mm，入光孔8、出光孔9、探测孔10的直径分别为φ4mm、φ20mm与φ30mm。

探测孔10为(圆孔)，其位置确定如下：探测孔10圆心与积分球2球心所确定的直线垂直于入光孔(圆孔)8圆心与出光孔(圆孔)9圆心所确定的直线(入光孔8圆心与出光孔9圆心在一条水平线上)；积分球2沿入光孔8与出光孔9连线顺时针30°方向分成上下两部分，积分球2底部带有支撑底座。

本实施例中测试样品Nd:YAG陶瓷材料为1at.％掺杂的圆棒，尺寸为φ3mm×40mm。

本实施例中样品固定支撑装置6为固定在支撑架上且内径大于样品端面尺寸的石英管，外直径φ14mm×内直径φ12mm×长φ14mm。

本实施例测量结果为，测试样品Nd:YAG陶瓷材料散射系数为0.005cm^-1，吸收系数0.002cm^-1，总损耗系数0.007cm^-1，该样品散射损耗与非本征吸收引起的吸收损耗比较低，光学性能较好。

本实施例提供的精确测量Nd:YAG陶瓷激光工作介质散射系数与吸收系数的实验装置相对于其它损耗测量方法具有如下特点：利用高稳定性连续激光与高峰值功率脉冲激光分别测试样品的透过率T与散射率S，测量精度高；并且考虑样品的端面反射以及测试激光在样品内部多次反射与吸收的复杂情况，推导了样品散射系数与吸收系数的精确计算公式，能精确测量激光工作介质的散射系数与吸收系数，更好的表征与评估激光工作介质的光学性能。

实施例2

本实施例提供一种测量Yb:YAG激光晶体散射系数与吸收系数的实验装置，本实施例与实施例1类似，不同之处为：

1、测试激光器输出中心波长为1μm。

2、测试样品为Yb:YAG激光晶体，尺寸为4.9mm×6.85mm×15mm。

本实施例测量结果为：样品散射系数0.009cm^-1，吸收系数0.007cm^-1，总损耗系数0.016cm^-1，该样品损耗系数较大不利于高性能激光输出，其中由气孔、晶界等引起的散射损耗、由杂质引起的非本征吸收损耗均比较大，可通过减少气孔、降低杂质含量提高材料光学性能。

本发明还可以有其他多种实施例，再不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出相应的改变和变型，但这些相应的改变和变型都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种测量激光材料散射系数与吸收系数的装置，其包括测试激光器、积分球、光电探测器、激光功率计及示波器；其特征在于，

所述的积分球为一支撑架固定支撑的内壁涂有白色漫反射材料层的空腔球体；该空腔球体的球壁上设有透过球壁的入光孔、出光孔和探测孔三个圆孔；所述入光孔及出光孔分别位于所述积分球左侧球壁和右侧球壁上，所述入光孔和出光孔的中心连线为水平线，并且穿过所述积分球球心；

所述测试激光器和激光功率计分别置于所述入光孔外侧和出光孔外侧；

所述光电探测器位于所述探测孔外侧，并与探测孔相连；

待测激光工作介质由固定支撑装置固定在积分球中央；测试激光器发出的测试激光从入光孔入射，并垂直入射至待测激光工作介质一端面，从待测激光工作介质另一端面及出光孔出射；入射激光能全部通过待测激光工作介质且面积尽可能大的覆盖待测激光工作介质；

由激光功率计测量入射激光功率P_i和出射激光功率P_T，则待测激光工作介质对入射激光的总透过率不放样品时，用入射激光功率P_i的脉冲激光入射积分球，由光电探测器测得脉冲信号强度为D_i；放入样品后，用入射激光功率P_i入射积分球中的积分球，由光电探测器测得功率为P_s的散射脉冲信号强度为D_s，样品总散射率

S = \frac{P_{s}}{P_{i}} = \frac{D_{s}}{D_{i}};

测量待测激光工作介质的总透过率T时，测试激光器为连续激光输出激光器；测量待测激光工作介质的总散射率S时，测试激光器为脉冲激光输出激光器；

根据待测激光工作介质散射与吸收特性关系，得出的待测激光工作介质总损耗系数α、散射系数α_s与吸收系数α_a如下：

α = \ln (\frac{{2 R}_{b}^{2} T}{- {(1 - R_{b})}^{2} + \sqrt{{(1 - R_{b})}^{4} + {4 T}^{2} {R_{b}}^{2}}}) / L - - - (1)

a_{s} = \frac{S \cdot a}{1 - R - T} - - - (2)

a_a＝a-a_s (3)

式中R_b,R,L分别为待测激光工作介质端面反射率、待测激光工作介质总反射率以及待测激光工作介质长度；

利用待测激光工作介质的总透过率T与总散射率S测量值以及散射系数、吸收系数计算式，则得出待测试样品的损耗系数。

2.按权利要求1所述的测量激光工作介质散射系数与吸收系数的装置，其特征在于，所述的测试激光器为由连续激光输出激光器与脉冲激光输出激光器两台激光器组合而成，或为可选择性实现连续激光输出或脉冲激光输出的两种输出方式的一台激光器。

3.按权利要求1所述的测量激光工作介质散射系数与吸收系数的装置，其特征在于，测试激光器输出中心波长为待测激光工作介质的非本征吸收波段。