CN103900963B - 大口径晶体材料光吸收系数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大口径晶体材料光吸收系数测量装置，所述的测量装置利用可调谐激光光源、激光稳功率系统形成稳定的准直激光束，稳定的激光束照射在被测大口径晶体上，利用光学自准直法对入射激光与大口径晶体表面的垂直性、大口径晶体o轴或e轴与台面的垂直性提供监控，利用起偏、检偏器调整输出激光偏振方向与大口径晶体的o轴或e轴平行，通过测量特定偏振态下大口径晶体o光或e光的透射比，利用比尔－朗伯定律推导出晶体材料对o光或e光的单点吸收系数公式，从而可实现大口径晶体吸收系数的测量，最后经过高精度扫描样品载台机构对大口径晶体材料进行扫描拼接测量，实现大口径晶体材料对o光或e光的光吸收系数的精密测量。

Description

大口径晶体材料光吸收系数测量装置

技术领域

本发明属于光学元件检测设备领域，具体涉及一种晶体材料光吸收系数测量装置，尤其涉及一种大口径晶体材料在特定偏振态下o轴或e轴的光吸收系数测量方法。

背景技术

晶体材料广泛用于激光变频、电光调制和光快速开关等高新技术领域，在晶体的诸多性能参数中，光吸收系数随波长的不同而变化，而且具有各向异性，随着入射光振动方向的不同，材料对光的吸收程度也不同。用于产生二次谐波的倍频晶体,由于吸收了部分基波和谐波功率,导致晶体折射率的不均匀变化,引起失匹配,影响了倍频效率的提高。因此,吸收系数是表征晶体材料光学特性不可忽略的重要参数之一。它的精确测量,对于评价晶体质量,准确设计器件以及提高器件性能都具有实际的意义。对于大尺寸的晶体，特定偏振态下o轴或e轴的光吸收系数是评价大口径晶体材料的重要技术参数之一，因此必须对大口径晶体材料的光吸收系数进行测量。如大口径KDP晶体的光吸收系数对于激光核聚变系统的损伤阈值、光束质量和系统的稳定性影响很大，是大尺寸晶体的重要性能参数指标，是惯性约束聚变光学元件检测中的重大课题。

目前，俄罗斯、英国、美国等国家都相继开展了晶体材料光吸收系数测量技术的研究，主要采用激光量热法和基于比尔－朗伯定律的测量方法进行晶体材料光吸收系数的测量，并通过增加二维扫描机构实现晶体材料光吸收系数的测量。

国内主要也采用激光量热法和基于比尔－朗伯定律的测量方法进行晶体材料光吸收系数的测量。中科院物质结构研究所、中科院上海光机所等单位采用激光量热法测量晶体光吸收系数，通过测量打开激光后晶体样品的温升曲线和突然关断激光后的衰减曲线以及透过晶体样品的光功率，计算出晶体样品的吸收系数，测量精度为8%。例如，《人工晶体》第18卷，第1期上，《激光量热法测量晶体吸收系数的实验研究》一文中，采用的方法就是激光量热法测量晶体光吸收系数。而这种方法是用于测量低吸收系数既方便又灵敏的一种方法。福州大学信息科学与技术学院、中科院物质结构研究所采用基于比尔－朗伯定律的测量方法测量晶体光吸收系数，通过测量晶体的折射率、长度和透过率（只考虑一次透过），计算出晶体的吸收系数。例如，JB/T《光学晶体光吸收系数测量方法》中，采用的方法就是通过测量光学晶体白光透过率并根据比尔－朗伯定律计算得到光学晶体光吸收系数。《福州大学学报》第30卷，第2期，《钛酸铋晶体的吸收系数与光强的关系》一文中，采用的方法是通过测量光学晶体激光透过率得到光学晶体光吸收系数。但是，并没有解决特定偏振态下o轴或e轴的光吸收系数的测量问题。

尚未查到有关晶体材料光吸收系数的测量的相关的报道。

发明内容

本发明提供一种大口径晶体材料光吸收系数的测量装置。该检测装置具有测量光束入射角调整、偏振态调节、测量光束位置可调的功能，同时该装置操作简单，具有较高的测量重复性和复现性。

本发明的一种大口径晶体材料吸收系数测量装置，其特点是，所述装置中心可调谐激光器发出的光束经过激光稳功率系统后形成稳定的准直的激光束，稳定的准直激光束经过分束器的反射光束由监视探测器接收，透射光束经过起偏器起偏后照射在大口径晶体样品上，通过大口径晶体样品7的透射光束由测量探测器接收，检偏器及电控台在调试光路时使用，测量时移出光路，准直CCD通过分束器背向光路的反射面观察激光经过大口径晶体样品的反射光束，确保入射激光与大口径晶体表面的垂直性，自准直仪对准晶体样品的侧面，确保大口径晶体o轴或e轴与台面的垂直性，准直CCD、自准直仪、监视探测器和测量探测器测得数据输出送入计算机，起偏器电控台、检偏器电控台、大口径晶体的样品载台受计算机控制；

测量过程是：1)将可调谐激光器调整到波长点，激光发出连续光通过激光稳率系统将其输出功率稳定在非常高的稳定范围内，计算机控制监视探测器和测量探测器同时采集输出激光的测量信号和；2)将被测大口径晶体安装在样品载台上，计算机控制调整样品载台，使激光从被测大口径晶体中心入射，通过观察CCD上显示的光斑位于CCD中心，确保照射到被测大口径晶体的反射光原路返回。自准直仪对准被测大口径晶体侧面照射，观察反射像，计算机控制调整样品载台，使照射到大口径晶体侧面的准直光沿原路返回，确保大口径晶体o轴（或e轴）的垂直性；3)计算机控制检偏器电控台，将检偏器移入光路，计算机同步旋转被测大口径晶体前后的起偏器和检偏器，当透过检偏器的光信号调整到最小时，入射激光的偏振方向与晶体的o轴或e轴平行，计算机控制检偏器电控台，移出检偏器。4）计算机控制监视探测器和测量探测器同时采集输出激光的信号和，通过公式（a）计算出大口径晶体的透射比τ，然后通过公式（b）可以精确计算被测大口径晶体对o轴或e轴的吸收系数k；

（a）

（b）

其中，，

式中ρ为晶体材料反射系数，n为晶体材料折射率，l为晶体材料长度。

本发明的整体技术效果体现为：

（一）本发明利用可调谐激光光源、激光稳功率系统形成稳定的激光束照射在被测大口径晶体上，准直CCD对入射激光与大口径晶体表面的垂直性提供监控，光学自准直仪对大口径晶体o轴或e轴与台面的垂直性提供监控，利用起偏、检偏器调整输出激光的偏振方向，使之与大口径晶体的o轴或e轴平行，然后通过测量特定偏振态下大口径晶体o轴或e轴的透射比，利用比尔－朗伯定律推导出晶体材料对o光和e光的单点吸收系数，最后经过高精度扫描样品载台机构对大口径晶体材料进行扫描拼接测量，实现大口径晶体材料对o轴或e轴的光吸收系数的精密测量，解决了大口径晶体材料在特定偏振态下o轴或e轴的光吸收系数测量的难题。

（二）本发明采用准直CCD对入射激光与大口径晶体表面的垂直性进行监控，采用光学自准直仪对大口径晶体o轴或e轴与台面的垂直性进行安装调整，利用起偏器、检偏器调整输出激光的偏振方向，使之与大口径晶体的o轴或e轴平行。

（三）本发明中的吸收系数计算公式是在比尔－朗伯定律的基础上充分考虑激光在晶体表面的多次反射的影响而推导出来的，从而使吸收系数的测量更加准确。

（四）本发明采用监视探测器与测量探测器同步并行采集信号，精确测量分束器的分束比，对测量结果进行修正，进一步减小由于激光输出功率的不稳定对测量结果的影响，极大改善测量结果的不确定度。

附图说明

图1是适用于大口径晶体材料光吸收系数的测量装置结构示意图；

图2是激光稳功率系统组成示意图；

图中：1.可调谐激光器2.激光稳功率系统3.分束器4.准直CCD5.监视探测器6.起偏器7.大口径晶体样品8.大口径晶体的样品载台9.自准直仪10.检偏器及电控台11.测量探测器12.计算机13.电控台A14.电控台B。

具体实施方式

如图1所示，本发明适用于大口径晶体材料光吸收系数的测量装置,含有1.可调谐激光器1、激光稳功率系统2、分束器3、准直CCD4、监视探测器5、起偏器6、大口径晶体样品7、大口径晶体的样品载台8、自准直仪9、检偏器及电控台10、测量探测器11、计算机12、电控台A13、电控台B14。适用于大口径晶体材料光吸收系数的测量装置特征在于：可调谐激光器1发出的光束经过激光稳功率系统2后形成稳定的准直的激光束，稳定的准直激光束经过分束器3的反射光束由监视探测器5接收，透射光束经过起偏器6起偏后照射在大口径晶体样品7上，通过大口径晶体样品7的透射光束由测量探测器11接收，检偏器及电控台10在调试光路时使用，测量时移出光路，准直CCD4通过分束器3背向光路的反射面观察激光经过大口径晶体样品7的反射光束，确保入射激光与大口径晶体表面的垂直性，自准直仪9对准晶体样品的侧面，确保大口径晶体o轴或e轴与台面的垂直性，准直CCD4、自准直仪9、监视探测器5和测量探测器11测得数据输出送入计算机12，电控台A13、电控台B14、大口径晶体的样品载台8受计算机12控制。

可调谐激光器1输出光束波长为351nm，也可根据待测晶体材料的使用需求选择相应输出光束的波长。

激光稳功率系统2具有稳定可调谐激光器(1)输出光束功率的功能，要求经激光稳功率系统2后的激光功率在8小时内稳定性优于0.5%。

入射至大口径晶体7表面的激光束入射角为0度，且入射光束的偏振方向应与大口径晶体的o轴或e轴平行。

Claims (4)

1.一种大口径晶体材料光吸收系数测量装置，其特征在于：所述装置中可调谐激光器（1）发出的光束经过激光稳功率系统（2）后形成功率稳定的准直的激光束，稳定的准直激光束经过分束器（3）后分为透射光和反射光两束，其中，反射光束被监视探测器（5）接收，透射光束经过起偏器（6）起偏后照射在大口径晶体样品（7）上，通过大口径晶体样品（7）的透射光束被测量探测器（11）接收，检偏器（10）在调试测量光束偏振态与大口径晶体样品（7）的o轴或e轴间的角度时使用，测量时移出光路，经过大口径晶体样品（7）的反射的光束经分束器（3）后入射至准直CCD（4），以确保入射激光与大口径晶体表面的垂直性，自准直仪（9）对准晶体样品的侧面，确保大口径晶体o轴或e轴与台面的垂直性，准直CCD（4）、自准直仪（9）、监视探测器（5）和测量探测器（11）测得数据输出送入计算机（12），起偏器电控台（13）、检偏器电控台（14）、大口径晶体的样品载台（8）受计算机（12）控制。

2.根据权利要求1所述的一种大口径晶体材料光吸收系数测量装置，其特征在于：所述可调谐激光器(1)的输出光束波长为351nm。

3.根据权利要求1所述的一种大口径晶体材料光吸收系数测量装置，其特征在于：所述入射至大口径晶体样品（7）表面的激光束入射角为0度，且入射光束的偏振方向与大口径晶体的o轴或e轴平行。

4.根据权利要求1所述的一种大口径晶体材料光吸收系数测量装置，其特征在于：所述计算机(12)先控制监视探测器(5)和测量探测器(11)同时采集不放大口径晶体样品（7）时输出激光的信号和，再采集放有大口径晶体样品（7）时输出激光的信号和，通过公式（a）计算出大口径晶体样品的透射比τ，然后通过公式（b）精确计算被测大口径晶体样品（7）对o轴光或e轴光的吸收系数k；

（a）

（b）

其中，，

式中ρ为大口径晶体样品(7)的反射系数，n为大口径晶体样品(7)的折射率，l为大口径晶体样品(7)的长度，τ为大口径晶体样品(7)的透射比。