CN104964929B - 一种通过测量光斑半径变化获得材料热光系数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过测量光斑半径变化获得材料热光系数的方法，利用一连续高斯激光束作为入射光，经凸透镜会聚到待测样品上，使待测样品产生热透镜效应，所述待测样品处于光路中凸透镜的焦点前面或者后面一定距离，从激光器出射的脉冲激光经凸透镜会聚后，在焦点附近作用到待测样品上，经过样品后，测量样品后的远场位置光斑大小变化获得材料热光系数。本发明通过测量光斑半径变化获得材料热光系数的方法，在不需要能量计及CCD等测量工具的情况，简单而准确地获得材料的热光系数，测量成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量材料的光学参数的方法，具体涉及一种通过测量光斑半径变化获得材料热光系数的方法。
背景技术
作为材料的一种基本性质，热光效应决定了折射率随温度的变化情况。这种特性在光电子领域有着广泛的应用，比如可调耦合器、滤波器和传感器。近年来研究比较多的热光效应的应用为光交换中的热光效应开关。热光效应光开关与机械式光开关相比，具有稳定性好，尺寸小，易于集成，适合大规模生产的特点。热光效应的应用要求材料的折射率随温度的改变足够大，但在某些时候可能又要尽量控制热光效应引起的折射率的改变。正常情况下，利用热光系数来表征材料的热光特性，即折射率的温度系数dn/dT。因此，测量材料的折射率随温度变化的特性，推导出材料的热光系数，对于光开关的研制，具有十分重要的意义。常用的测量方法有干涉法、光谱法、椭圆偏振法，热透镜法等。其中，热透镜法中常用的方法有Z扫描、4f系统相干成像技术及相位物体Z-scan等。Z扫描方法（Mansoor Sheik-Bahae, Ali A. Said, Tai-Hui Wei, David J. Hagan, E. W. Van Stryland.“Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam”, IEEEJ. Quantum Elect, 26, 760-769 (1990) ）具有光路简单、灵敏度高的特点，是目前最常用的测量材料光学非线性的方法之一，且该方法也经常被用来研究材料的热致非线性，但是该测量方法需要利用移动平台及能量探测计等。另外4f相位相干成像系统（G. Boudebsand S. Cherukulappurath, “Nonlinear optical measurements using a 4f coherentimaging system with phase object”, Phys. Rev. A, 69, 053813(2004)）需要对采集的图像进行比较复杂的处理，而且对CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件）的要求比较高，增加了测量方法的成本。
综上所述，以往测量材料热光系数的方法大多需要能量计（功率计）以及CCD等价格昂贵的测量工具，测量的成本高。因此需要提供一种操作简单、成本低廉的测量材料热光系数的方法。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种通过测量光斑半径变化获得材料热光系数的方法，在不需要能量计及CCD等测量工具的情况，简单而准确地获得材料的热光系数，测量成本低。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种通过测量光斑半径变化获得材料热光系数的方法，利用一连续高斯激光束作为入射光，经透镜会聚到待测样品上，使待测样品产生热透镜效应，所述待测样品处于光路中凸透镜的焦点前面或者后面，从激光器出射的脉冲激光经凸透镜会聚后，在焦点附近作用到待测样品上，经过样品后，测量样品后的远场位置光斑大小变化获得材料热光系数，具体测量步骤为：
（1）在远离凸透镜焦点的位置放上待测样品，接收远场光斑并测量远场光斑的大小；
（2）在凸透镜的焦平面附近位置放上待测样品，接收远场光斑并测量远场光斑的大小；
（3）对步骤（1）和（2）中获得的光斑尺寸进行处理，获得待测样品材料的热光系数。
上述技术方案中，所述步骤（3）中，将步骤（2）中得到的光斑大小与步骤（1）中得到的光斑大小相除，得到光斑大小的比值，对光斑大小的比值进行理论拟合及比较得到材料的热光系数。
上述技术方案中，将白屏置于光路中的远场位置接收远场光斑。
优选的技术方案，采用游标卡尺或刻度尺测量光斑的大小。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明通过测量光斑半径变化获得材料热光系数的方法，在不需要能量计及CCD等测量工具的情况，简单而准确地获得材料的热光系数，测量成本低。
附图说明
图1是实施例一中本发明的光路示意图。
图2是实施例一中本发明样品远离焦点时远场光斑和样品在焦点附近时远场光斑示意图。
图3是实施例一中本发明远场光斑的尺寸比值随材料热光系数变化曲线示意图。
其中：1、入射激光束；2、凸透镜；3、待测样品；4、光屏。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：一种通过测量光斑半径变化获得材料热光系数的方法，利用一连续高斯激光束作为入射光，经凸透镜会聚到待测样品上，使待测样品产生热透镜效应，所述待测样品处于光路中凸透镜的焦点前面或者后面一定距离，从激光器出射的脉冲激光经凸透镜会聚后，在焦点附近作用到待测样品上，经过样品后，测量样品后的远场位置光斑大小变化获得材料热光系数，具体测量步骤为：
（1）在远离凸透镜焦点的位置放上待测样品，接收远场光斑并测量远场光斑的大小；
（2）在凸透镜的焦平面附近一定距离位置放上待测样品，接收远场光斑并测量远场光斑的大小；
（3）将步骤（2）中得到的光斑大小与步骤（1）中得到的光斑大小相除，得到光斑大小的比值，对光斑大小的比值进行理论拟合及比较得到材料的热光系数。
本实施例中，将白屏置于光路中的远场位置接收远场光斑。
采用游标卡尺或刻度尺测量光斑的大小。
本发明的技术方案中，待测样品受到连续激光的作用后，材料吸收一部分产生热量，产生热透镜效应。处于焦点附近的激光分布大多为类高斯分布的光束, 因此由于材料吸收所引起热的分布也为非均匀分布, 从而使材料局域的温度分布不均匀, 引起材料不同位置的折射率变化也是不同的。连续激光的作用到材料上，引起的折射率变化主要是由热透镜效应引起，折射率变化为:
(1)
其中，为热光系数。由于连续激光作用时光强较弱，产生的非线性吸收较小，因此可以只考虑由线性吸收引起的温度变化，引起的温度变化为：
(2)
式中，为溶剂比热容，为液体的密度。I为样品中的激光光强。为溶液的热扩散时间：
(3)
其中K为热传导率，为样品处激光光斑的束腰半径。
材料中温度变化可通过将方程（3）代入方程（2）中得到：
(4)
介质的折射率变化可通过将方程（2）代入方程（1）中得到：
(5)
其中，可以用一个有效的折射率来代替，则可得到在稳态热透镜效应下介质的折射率变化为：
(6)
利用连续激光作为光源，设入射激光是一束腰半径为的线偏振高斯光束，其横向光场分布可以写成：
(7)
其中，为位置处的光斑半径，为位置处的波前曲率半径，为瑞利长度，为波矢大小，为激光波长，为轴上峰值场强。在慢变振幅近似和薄样品近似下，样品中光强和相位的变化可以用下面的一对耦合方程来表示：
(8)
其中，是样品中的传播深度，为线性吸收系数。通过对方程(8)的求解，可以得到样品后的光场。将方程(6)代入方程(8),就可以得到材料内由于热透镜效应引起的相位变化。
利用惠更斯原理或高斯分解法等光的传播理论，可以获得远场光屏处光场的分布。由于光斑的相位变化会引起远场光斑空间分布的变化，光斑的尺寸就会发生变化，通过对这种光斑大小的变化进行数值拟合，就可以获得材料的热光系数。假设样品远离焦点时，远场光斑的大小为，样品在焦点附近时，远场光斑的大小为，最终远场光斑大小的比值可以由下式计算得到
(9)
利用方程(1)-(9)，通过对光斑大小比值的拟合就可以得到非线性折射变化，从而获得材料的热光系数。在整个模拟过程中，只有一个材料的热光系数为未知量，因此材料的热光系数可以通过无热透镜效应和产生热透镜效应前后远场光斑尺寸变化相比来获得。
参见图1所示，本发明的测量光路由入射激光束1、凸透镜2和白屏4组成，待测样品3位于凸透镜焦点后一定距离。从激光器出射的高斯激光首经凸透镜会聚到放置在焦点后一定距离的待测样品上，由于待测样品的热透镜效应使得入射的脉冲激光的光强和相位发生变化。从样品透射的激光传播至远场白屏上，由刻度尺测量光斑大小。
本实施例中激光束由氦氖激光激光器产生，待测样品为硫酸铜。
具体的检测步骤为：（1）将待测样品放在靠近凸透镜的位置，利用刻度尺等长度测量工具测量远场处白屏上光斑的大小,如附图2（a）所示；（2）将待测样品放在焦点后一定的位置，产生热透镜效应，利用刻度尺测量远场处白屏上光斑的大小,如附图2（b）所示；（3）将步骤（2）中的光斑尺寸大小除以步骤（1）中的光斑尺寸的大小，得到光斑大小的比值；（4）根据步骤（3）中得到的光斑大小的比值，利用方程(1）-（9）进行拟合，就可以得出样品的热光系数。
参见图3所示，在其他实验条件不变的情况下，光斑大小比值几乎和材料的热光系数成线性关系。因此我们只要测量两个光斑大小的比值，就可以直接获得材料的热光系数。
在本实施例中，设输入功率为为0.5mW，入射光斑的束腰半径为3mm，材料的厚度为2mm，材料的线性透过率为0.68，材料的线性吸收系数可以通过线性透过率得到，声波在材料中的传播速度为，材料的热光系数为，热传导率为。
Claims (3)
1.一种通过测量光斑半径变化获得材料热光系数的方法，其特征在于：利用一连续高斯激光束作为入射光，经凸透镜会聚到待测样品上，使待测样品产生热透镜效应，所述待测样品处于光路中凸透镜的焦点前面或者后面，从激光器出射的脉冲激光经凸透镜会聚后，在焦点附近作用到待测样品上，经过样品后，测量样品后的远场位置光斑大小变化获得材料热光系数，具体测量步骤为：
（1）在远离凸透镜焦点的位置放上待测样品，接收远场光斑并测量远场光斑的大小；
（2）在凸透镜的焦平面附近位置放上待测样品，接收远场光斑并测量远场光斑的大小；
（3）对步骤（1）和（2）中获得的光斑尺寸进行处理，获得待测样品材料的热光系数；处理方法为，将步骤（2）中得到的光斑大小与步骤（1）中得到的光斑大小相除，得到光斑大小的比值，对光斑大小的比值进行理论拟合及比较得到材料的热光系数。
2.根据权利要求1所述的一种通过测量光斑半径变化获得材料热光系数的方法，其特征在于：将白屏置于光路中的远场位置接收远场光斑。
3.根据权利要求1所述的一种通过测量光斑半径变化获得材料热光系数的方法，其特征在于：采用游标卡尺或刻度尺测量光斑的大小。
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| 大学物理实验中测量材料热光系数一种新方法;杨俊义等;《物理教师》;20131231;第34卷(第3期);第94页右栏第1段-第95页右栏最后1段 * |
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