CN104792411A - 紫外激光能量的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种紫外激光能量的测量方法，利用CsI:TI晶体在紫外激光的照射下产生荧光效应的特性。通过标定荧光强度与入射激光强度的线性关系，对紫外激光能量进行测量。本发明测量方法的荧光量子效率稳定，激光能量密度阈值高。

Description

紫外激光能量的测量方法

技术领域

本发明涉及激光能量测量，具体是一种紫外激光能量的测量方法。

背景技术

近年来随着紫外激光技术的发展，紫外激光在器件精细加工、生物医学及光存储等领域有着越来越近年来随着激光技术的发展，紫外激光在器件精细加工、生物医学及光存储等领域有着很重要的应用。这些紫外激光的应用需要对激光束能量进行实时精密测量。

在紫外激光能量测量领域，目前的紫外激光荧光测量方法一种是在成像器件上镀制变频薄膜。例如将荧光物质水杨酸钠、coronene、lumogen等在CCD表面蒸镀形成一层薄膜，紫外波段的激光通过这层薄膜转换为常规波段光然后再进行能量测量(王丽辉等.增强CCD紫外和极紫外成像的荧光物质的研究[J].光学技术,2006,32:479-481.)。这种测量方法薄膜制备工艺复杂，沉积薄膜时厚度难以控制，薄膜与CCD的粘附性有待提高。薄膜性质不稳定，量子效率随时间衰变明显，测量稳定性低。还有一种是利用宽光谱响应的光电二极管进行测量(参见专利CN201320548173.8，刁寒虎等)，这种测量方法承受的激光能量阈值低，只能进行微弱激光信号的测量。

近年来有研究发现掺铊碘化铯晶体(以下简称CsI:TI)在紫外激光的照射下可以产生荧光效应，将该荧光效应应用到紫外能量测量领域，提出一种紫外激光测量方法。

发明内容

为了克服上述技术问题，本发明提出一种紫外激光测量方法。该测量方法的荧光量子效率稳定，激光能量密度阈值高。

本发明的技术解决方案：

一种紫外激光能量的测量方法，其特点在于：该方法包括下列步骤：

1)紫外激光能量测量光路由激光入口、衰减片、石英透镜组、CsI:TI晶体、K9透镜、单色仪、光电倍增管、数据采集系统和计算机组成，在同心光路上依次设置激光入口、衰减片和石英透镜组，石英透镜组后放置一个使激光以小角度掠入射的CsI:TI晶体，在CsI:TI晶体的前向荧光发射区域放置一个大口径短焦距K9透镜，在K9玻璃透镜后焦点处放置单色仪，所述的光电倍增管的阴极一端紧靠所述的单色仪的输出狭缝，所述的光电倍增管阳极输出端连接数据采集系统，该数据采集系统的输出端与计算机的输入端相连，紫外激光通过激光入口进入测量光路，经过衰减片衰减后的激光经两个不同焦距石英透镜组成的石英透镜组调节光斑大小后掠入射到CsI:TI晶体上产生发射峰值为550nm的荧光，使用K9透镜收集前向荧光并汇聚到单色仪输入端，单色仪输出550nm发射峰值处的荧光，单色仪输出狭缝后的光电倍增管对该荧光强度P₀进行测量，经由数据采集系统记录荧光强度P₀到计算机上；

2)紫外激光能量与荧光强度关系标定：紫外激光能量与荧光强度关系E＝KP的标定光路由激光入口、石英透镜组、50％分束镜、标准能量计、CsI:TI晶体、K9透镜、单色仪、光电倍增管和数据采集系统组成，在石英透镜组后使用50％的分束镜将紫外激光分成两束能量相同的激光，一束激光直接入射到标准能量计，另一束入射到CsI:TI晶体产生荧光效应，记录标准能量计的紫外激光能量与对应CsI:TI晶体产生的荧光强度P，不断增大激光器能量E，绘制紫外激光能量与对应荧光强度关系曲线，确定E＝KP的系数K；

3)紫外激光能量计算：在紫外激光能量测量光路中光电倍增管输出的荧光强度经由数据采集系统输入计算机，利用已经标定的紫外激光能量与荧光强度关系系数K和衰减片的系数α，计算得到紫外激光的能量E₀＝KP₀/α。

所述的CsI:TI晶体是厚度为2mm的薄片。

所述的步骤1)中所述的CsI:TI晶体前放置的石英透镜组第一个透镜的后焦点与第二个透镜的前焦点重合，能够实现激光光斑与CsI:TI晶体受光面积匹配。

步骤1)中在CsI:TI晶体之后使用K9透镜收集荧光并汇聚到单色仪的入射狭缝处，K9透镜的透光波段大于320nm，不仅可以起到汇聚荧光的作用，还可以过滤散射或残余的紫外激光。

所述的步骤2)中，不断增加激光器能量，直至出现荧光强度不再随入射激光能量增大而增大的“荧光猝灭”现象。

所述的光电倍增管可以使用光电二极管或CCD等光电探测元件替代。

本发明的技术效果：

本发明利用CsI:TI晶体在紫外激光的照射下产生荧光的荧光强度与入射激光能量的线性关系对紫外激光能量进行测量。荧光峰值发射光谱在550nm处，可以与光电倍增管等光电探测器件匹配。与现有技术比较，本发明的荧光量子效率稳定，可承受的激光能量密度阈值高。

附图说明

图1是紫外激光能量与荧光强度关系标定示意图

图2是本发明紫外激光能量测量光路示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行详细介绍：

图1为紫外激光能量与荧光强度关系标定示意图，该标定光路由激光入口1、石英透镜3、石英透镜4、50％分束镜11、标准能量计12、CsI:TI晶体5、K9透镜6、单色仪7、光电倍增管8、数据采集系统9和计算机10组成。石英透镜3的后焦点与石英透镜4的前焦点重合，激光通过石英透镜3和石英透镜4调整光斑大小，保证激光经50％分束镜11分光后的两束激光的光斑尺寸分别与标准能量计12接收口径和CsI:TI晶体5受光面匹配。其中一束激光直接照射到标准能量计12，另一束掠入射在CsI:TI晶体5上产生荧光发射峰值波长为550nm的荧光效应，在CsI:TI晶体5的前向荧光发射区域放置大口径短焦距K9透镜6对前向荧光汇聚收集，K9透镜透光波段大于300nm，可以很好地滤除散射的紫外激光。K9透镜6将荧光汇聚到单色仪7的入射狭缝，通过单色仪7输出550nm的荧光。在紧靠单色仪的输出狭缝后放置光电倍增管对荧光强度进行测量，经由数据采集系统记录荧光强度到计算机上，利用数据采集系统13将荧光强度P输入到计算机中。不断增加紫外激光能量直至出现“荧光猝灭”现象，记录不同的紫外激光能量E与对应的荧光强度P。绘制紫外激光能量与对应荧光强度关系曲线，在紫外激光能量与对应的荧光强度具有明显线性关系的范围进行线性拟合E＝KP，确定紫外激光能量与对应荧光强度线性系数K。

图2所示为本发明紫外激光能量测量光路示意图，该光路由激光入口1，衰减片2，石英透镜3、4，CsI:TI晶体5，K9透镜6，单色仪7，光电倍增管8，数据采集系统9和计算机10组成。在同心光路依次放置激光入口1、衰减片2和石英透镜组3、4，石英透镜4后放置一个使激光以小角度掠入射的CsI:TI晶体5，在CsI:TI晶体5的前向荧光发射区域放置一个大口径短焦距K9透镜6，在K9玻璃透镜6后焦点处放置单色仪7，单色仪7后的光电倍增管8阴极一端紧靠单色仪7的输出狭缝，光电倍增管8阳极输出端连接数据采集系统9，数据采集系统9与计算机10相连，紫外激光通过激光入口1进入测量光路，经过衰减倍数为α的衰减片2的衰减，调节石英透镜3、石英透镜4，对衰减后的激光光斑进行调节，使光斑尺寸与CsI:TI晶体5受光面积匹配，激光以小角度掠入射CsI:TI晶体5产生荧光发射峰值在550nm处的荧光，CsI:TI晶体5前向荧光发射区域处的K9透镜6收集荧光，将荧光汇聚到单色仪7的入射狭缝处，通过单色仪7选择550nm的荧光输出，在紧靠单色仪7的输出狭缝光电倍增管8对荧光强度P₀进行测量。数据采集系统9采集荧光强度P₀输出到计算机10，计算机10根据已标定系数K和衰减倍数α，利用公式E₀＝KP₀/α计算测量的紫外激光能量。

Claims (6)

1.一种紫外激光能量的测量方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：

1)紫外激光能量测量光路由激光入口、衰减片、石英透镜组、CsI:TI晶体、K9透镜、单色仪、光电倍增管、数据采集系统和计算机组成，在同心光路上依次设置激光入口、衰减片和石英透镜组，石英透镜组后放置一个使激光以小角度掠入射的CsI:TI晶体，在CsI:TI晶体的前向荧光发射区域放置一个大口径短焦距K9透镜，在K9玻璃透镜后焦点处放置单色仪，所述的光电倍增管的阴极一端紧靠所述的单色仪的输出狭缝，所述的光电倍增管阳极输出端连接数据采集系统，该数据采集系统的输出端与计算机的输入端相连，紫外激光通过激光入口进入测量光路，经过衰减片衰减后的激光经两个不同焦距石英透镜组成的石英透镜组调节光斑大小后掠入射到CsI:TI晶体上产生发射峰值为550nm的荧光，使用K9透镜收集前向荧光并汇聚到单色仪输入端，单色仪输出550nm发射峰值处的荧光，单色仪输出狭缝后的光电倍增管对该荧光强度P₀进行测量，经由数据采集系统记录荧光强度P₀到计算机上；

2)紫外激光能量与荧光强度关系标定：紫外激光能量与荧光强度关系E＝KP的标定光路由激光入口、石英透镜组、50％分束镜、标准能量计、CsI:TI晶体、K9透镜、单色仪、光电倍增管和数据采集系统组成，在石英透镜组后使用50％的分束镜将紫外激光分成两束能量相同的激光，一束激光直接入射到标准能量计，另一束入射到CsI:TI晶体产生荧光效应，记录标准能量计的紫外激光能量与对应CsI:TI晶体产生的荧光强度P，不断增大激光器能量E，绘制紫外激光能量与对应荧光强度关系曲线，确定E＝KP的系数K；

3)紫外激光能量计算：在紫外激光能量测量光路中光电倍增管输出的荧光强度经由数据采集系统输入计算机，利用已经标定的紫外激光能量与荧光强度关系系数K和衰减片的系数α，计算得到紫外激光的能量E₀＝KP₀/α。

2.根据权利要求1所述的紫外激光能量的测量方法，其特征在于所述的CsI:TI晶体是厚度为2mm的薄片。

3.根据权利要求1所述的紫外激光能量的测量方法，其特征在于所述的步骤1)中所述的CsI:TI晶体前放置的石英透镜组第一个透镜的后焦点与第二个透镜的前焦点重合，能够实现激光光斑与CsI:TI晶体受光面积匹配。

4.根据权利要求1所述的紫外激光能量的测量方法，其特征在于步骤1)中在CsI:TI晶体之后使用K9透镜收集荧光并汇聚到单色仪的入射狭缝处，K9透镜的透光波段大于320nm，不仅可以起到汇聚荧光的作用，还可以过滤散射或残余的紫外激光。

5.根据权利要求1所述的紫外激光能量的测量方法，其特征在于所述的步骤2)中，不断增加激光器能量，直至出现荧光强度不再随入射激光能量增大而增大的“荧光猝灭”现象。

6.根据权利要求1所述的一种紫外激光能量的测量方法，其特征在于所述的光电倍增管可以使用光电二极管或CCD等光电探测元件替代。