CN105259138B - 一种3～5μm中红外波段Z‑扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种3～5μm中红外波段Z‑扫描装置，该装置包括CaF₂分光镜、CaF₂束腰生成镜、第一探头、第二探头、扫描控制器、PCI卡、电动平移台、单片机、PC机，能够对激光器发出的3～5μm波段内的光束质量和激光束聚焦点位置进行精确测量；并且能够开展样品在3～5μm宽的波长可调谐范围内的二维Z‑扫描实验。该实验装置结构简单，测量结果处理方便，可以广泛的应用于非线性光学测量、非线性光学信息处理和光学器件等研究领域。

Description

一种3～5μm中红外波段Z-扫描装置

技术领域

本专利涉及一种利用光学手段测量材料非线性的装置，可精确测量所述波段的光束质量、光束聚焦位置，也能够开展3～5μm的波长可调谐范围内的二维Z-扫描。属于非线性光学材料和非线性光学信息处理领域。

背景技术

非线性光学材料由于在光开关、激光防护材料及光信息处理等方面的应用具有广泛的发展前景而日益受到人们的重视，材料的非线性光学特性的测量技术也随之成为研究的热点。激光Z-扫描方法以其操作方便、灵敏度高等特点成为目前非线性光学材料的非线性光学特性的主要表征方法。

但是，常规的Z-扫描装置对激光束的探测仅仅针对某一特定的波长，很难在3～5μm中红外波段对多波长(波长可大范围调谐)的激光束的发散角、束腰半径、共焦长度、能量波动进行精确测量。此外，由于无法对连续可调谐激光束光束质量进行分析，常用的Z-扫描装置也无法对测试数据进行处理并绘制图形，给研究带来极大的不便。

因而，需要寻找新的探测装置，以精确地对中红外波段的光束质量以及对应的非线性材料的非线性特性进行测量。

发明内容

本专利的目的是提供一种3～5μm中红外波段Z-扫描装置，利用本装置，可以对所述的光束质量以及待测样品的非线性特性进行精确的测量，也可以对测量数据进行处理并绘制图形。

一种3～5μm中红外波段Z-扫描装置，所述装置包括：

M100、光强采集模块：所述光强采集模块包括CaF₂分光镜、CaF₂束腰生成镜、第一探头、第二探头；

所述CaF₂分光镜与水平方向呈45°，将入射光分为透射光和反射光两束光；所述入射光为3～5μm中红外波段的激光光束；

所述第一探头用于采集反射光光强，并将光强转换成电信号传送给扫描控制模块的扫描控制器；

所述第二探头用于采集经CaF₂束腰生成镜后入射到待测样品并从待测样品透过的透射光光强，并将光强转换成模拟电信号传送给控制模块的扫描控制器；

M200、样品平台模块：所述样品平台模块包括用于放置待测样品电动平移台；

M300、扫描控制模块：所述扫描控制模块中的扫描控制器与第一探头和第二探头直接相连，并将获得模拟电信号经中间件转换成数据处理模块能够处理的数据格式；

M400、操作控制模块：所述操作控制模块能够完成的控制操作包括调节第一探头和第二探头的光谱响应范围、扫描控制器的扫描速度以及向单片机发送控制命令控制电动平移台的移动；

M500、数据处理模块：接收数据包括单片机传来的关于电动平移台的位移数据、扫描控制模块获得的光强数据，所述光强数据包括反射光光强数据以及经待测样品的透射光光强数据。

在本发明中将Z-扫描与光束质量分析合二为一，直接测量光束的光束质量、焦点位置、待测样品的非线性光学特性，并能对不同波长、重复频率、不同输出功率条件下激光聚焦位置、发散角、M²因子等进行标定。

本专利与传统的技术相比有以下优势：

(1)结构简单，测量方便，能够对激光器发出的3～5μm波段内的光束质量和激光束聚焦点位置进行精确测量；

(2)大幅度提高了光束测量的精度和稳定性，将光束尺寸和光束瞄准的测量误差降低至几百个纳米，可以对非常小的光斑进行精确测量；

(3)将光束质量分析与Z-扫描合二为一；通过进一步在数据处理模块增加分析功能，可对连续可调谐激光光束质量分析的基础上，同时开展样品在3～5μm宽的波长可调谐范围内的二维Z-扫描实验；

(3)能够精确测量变化的光强值，高速采集数据并绘制图形曲线，方便对测量结果的处理。

附图说明

图1为3～5μm中红外波段二维Z-扫描装置的结构原理图；

其中，1、入射激光束；2、CaF₂分光镜；3、第一探头；4、CaF₂束腰生成镜；5、待测样品；6、电动平移台；7、可变小孔光阑；8、第二探头；9、单片机；10、PC机；11、PCI卡；12、扫描控制器；

图2为扫描控制器和PCI卡的设计原理图；

其中，13、信号放大器；14、滤波器；15、通信接口；16、扫描电机；17、EEPROM；18、数字编码器；19、控制单元；20、A/D转换器；21、板存储器；22、PCI控制器。

具体实施方式

在一个基础实施例中，提供了一种3～5μm中红外波段Z-扫描装置，所述装置包括：

M100、光强采集模块：所述光强采集模块包括CaF₂分光镜、CaF₂束腰生成镜、第一探头、第二探头；

所述CaF₂分光镜与水平方向呈45°，将入射光分为透射光和反射光两束光；所述入射光为3～5μm中红外波段的激光光束；

所述第一探头用于采集反射光光强，并将光强转换成电信号传送给扫描控制模块的扫描控制器；

所述第二探头用于采集经CaF₂束腰生成镜后入射到待测样品并从待测样品透过的透射光光强，并将光强转换成模拟电信号传送给控制模块的扫描控制器；

M200、样品平台模块：所述样品平台模块包括用于放置待测样品电动平移台；

M300、扫描控制模块：所述扫描控制模块中的扫描控制器与第一探头和第二探头直接相连，并将获得模拟电信号经中间件转换成数据处理模块能够处理的数据格式；

M400、操作控制模块：所述操作控制模块能够完成的控制操作包括调节第一探头和第二探头的光谱响应范围、扫描控制器的扫描速度以及向单片机发送控制命令控制电动平移台的移动；

M500、数据处理模块：接收数据包括单片机传来的关于电动平移台的位移数据、扫描控制模块获得的光强数据，所述光强数据包括反射光光强数据以及经待测样品的透射光光强数据。

在本实施例中，所述装置能够适用于波长可大幅度调谐、脉冲重复频率可调谐、高单脉冲能量的3～5μm中红外波段的激光光束，并对3～5μm波段内的光束质量和激光束聚焦点位置进行精确测量；并且能够开展样品在3～5μm宽的波长可调谐范围内的二维Z-扫描实验，并在进行光束质量测量的同时，可对光斑大小、峰值中心、几何中心等参数分析。

在进行测量时，将第一探头和第二探头定位于光束路径上的待测位置，主探测单元接收狭缝上的入射光束，鼓轮旋转使狭缝遍历主探测单元,两个探头输出与空间光强分布成比例的模拟信号；尔后，使全部光束入射到探测单元上，获得与光束总功率成正比的信号；最后将获得的数字信号数据传输给数据处理模块进行数据分析和显示。所述数据处理模块可以是一个独立的硬件模块装置，也可以是部署在其它设备或装置上的一个软件模块。

在这个实施例中，不限制单片机的控制指令的来源，其可能是来自PC机软件系统，也可能是操作人员操作的外部控件。

在一个实施例中，所述单片机为AT89S52单片机。

在一个实施例中，进一步提供了3～5μm中红外波段的激光光束的产生装置，即：所述入射光由中红外光学参量振荡激光器提供。所述中红外光学参量振荡激光器至少能提供3～5μm波长范围的激光，同时激光的波长可调谐。在本实施例中，本装置中使用的中红外光学参量振荡激光器能够提供稳定的波长可大幅度调谐、脉冲重复频率可调谐、高单脉冲能量的3～5μm中红外波段的激光，而其他常见激光器一般只能保证稳定单一波长，不能提供多波长(波长可调谐)光束，从而无法实现多波长数据的收集和处理。

优选的，所述CaF₂束腰生成镜为平凸透镜，其平面侧朝向样品。由于在数据采集过程中，待测样品在焦点附近移动的最大位移不超过±100mm，因此所述平凸透镜的焦距只要大于100mm即可满足本公开装置的需求。在一个实施例中，所述平凸透镜的焦距为200mm。

优选的，所述第一探头和第二探头均由狭缝扫描式热释电探测器及作为扫描电机的旋转鼓轮电机组成，所述扫描式电探测器的光谱响应范围至少包括3～5μm的范围，并且扫描速度能够通过设置所述旋转鼓轮电机的参数来调节。

在这里选择狭缝扫描式热释电探测器是因为其狭缝形成的衰减和热释电材料的高饱和性，以及其具有的高反射率高散热能力等，使得所述装置在不加衰减设备的情况下可以测量较高功率或焦点处光斑。更为具体的，所述狭缝扫描式热释电探测器，其主探测单元是用热释电材料做成的表面垂直于极化方向的平行薄片，置于旋转鼓轮内部；鼓轮上两个正交的狭缝用以穿过光束，并在电机的带动下可以绕轴旋转；利用数字编码器对狭缝位置进行精确标定。透过狭缝的光束照在主探测单元上产生瞬态电压(电流)，信号的大小与透过狭缝的光束辐射照度成线性比例。所产生的电压(电流)信号被转为数字信号并被加以分析，最后获得X轴和Y轴的光束轮廓。狭缝相当于一个物理衰减器，可以有效防止施加在探测器上的光束过强而使探测器饱和。

在一个实施例中，所述扫描式电探测器的光谱响应范围3～5μm，功率探测范围100mW～100W，扫描速度可调谐。

优选的，所述扫描控制器至少包括信号放大器、滤波器、第一通信接口和存储器；所述信号放大器将所述第一探头和第二探头采集到的模拟电信号进行放大，经滤波器滤波后通过第一通信接口发送给中间件；所述存储器用于存储操作控制模块的操作信息和/或参数信息。

在一个实施例中，所述存储器为电可擦除只读存储器(EEPROM)，所述电可擦除只读存储器用于存储关键操作信息，所述关键操作信息包括探头采集信息、旋转速率、信号放大器增益、狭缝数据、电动窗和校准参数、采集信道定义，以及空间配置和光谱定标。

优选的，所述中间件至少包括接口单元、转换单元、命令执行单元、命令控制单元、传输单元；

所述接口单元至少包括第二通信接口，用于接收扫描控制器的模拟电信号并传输至命令执行单元；

所述命令执行单元将模拟电信号进一步推送至转换单元；

所述转换单元至少包括16位A/D转换器，用于将接收的模拟电信号转换成数字信号，并将所述数字信号发送至命令控制单元，经传输单元的PCI总线接口传送给数据处理模块进行处理；

所述命令控制单元至少包括PCI控制器，所述PCI控制器获取操作控制模块的命令后发送至命令执行单元，所述命令执行单元控制相应的元件完成命令的执行。

在一个实施例中，所述中间件使用改进的PCI卡，其具体的结构部件不仅包括第二通信接口，16位A/D转换器、系统控制单元，连接计算机PCI总线接口的PCI控制器，还包括板载内存，所述板载内存用于存储操控控制模块的操控命令和反馈信号的临时存储。因此，所述PCI卡在作为数据中转装置的同时，具有数模转换、数据暂存与反馈、以及扫描控制器的系统控制功能。

在这个实施例中，所述第一探头、第二探头以及由扫描控制器和PCI卡构成的数字控制系统，基于PCI结构，具有16位数字化信号采集，32dB高动态范围以及15Hz最大扫描探测频率，可测量连续激光或大于100Hz重复频率的脉冲激光，取样间隔可以调节至6nm，能够极其精确地测量非常小的光斑。所述数字控制系统，配合狭缝扫描，能够精确并完成信号采集和处理，信息传递与反馈，机动单元的控制与定位，关键信息的存储和匹配。从探测信号来说，所述第一探头和第二探头采集到模拟信号(电信号)后，首先进入信号放大器进行放大，再经滤波器滤波，然后经通信接口进入控制单元，控制单元将信号推送至A/D转换器转换成数字信号后在发送至PCI控制器，经PCI总线进入计算机进行处理和分析。因此，由扫描控制器和PCI卡组成的数字控制系统，能够实现对第一探头和第二探头的扫描旋转频率的控制、实现模拟信号的空间采样、信号放大、信号滤波和信号转换等操作。

优选的，所述电动平移台包括步进电机，导轨，样品台。将待测样品放置在样品台上，所述电动平移台将带动样品台在CaF₂束腰生成镜的焦点附近移动。

优选的，所述CaF₂束腰生成镜和第二探头之间有光阑，所述光阑的中心和光轴重合，且孔径可变，来实现闭孔Z-扫描操作。

优选的，所述操作控制模块还包括对第一探头和第二探头的空间采样间隔进行设置。

更优的，还包括控制信号放大器增益、设置滤波器，以及校正直流偏移。

综上，通过本公开能够实现二维狭缝扫描式探测，实现光束质量分析与Z-扫描的结合，利用其热释电材料的高波长范围响应能够实现对3～5μm中红外波段的测量，利用设计的操作控制模块可以实现本公开装置在波长变动的情况下持续测量。

下面结合附图对本专利的3～5μm中红外波段Z-扫描装置结构加以说明。

所述装置的入射激光束是波长可大幅度调谐、脉冲重复频率可调谐、高单脉冲能量的3～5μm中红外波段的激光光束。

如图1所示，当3～5μm中红外波段的激光光束1，水平入射到与激光光束光轴夹角45°放置的CaF₂分光镜2，被CaF₂分光镜2分为透射光和反射光，反射光作为参考光入射到第一探头3；透射光作为探测光经过CaF₂束腰生成镜4入射到待测样品5，然后由第二探头8直接接收(开孔Z-扫描)或者经过可变小孔光阑7后由第二探头8接收(闭孔Z-扫描)。

由PC机10通过串口发出控制指令给单片机9，单片机9引起中断发出相应的脉冲控制信号，经驱动电路控制电动平移台6带动待测样品5在焦点附近由-z—+z的运动，单片机9将位移数据通过串口反馈给PC机10，在PC机中部署有操作控制模块和数据处理模块；同时，由第一探头3和第二探头8获得光强信号，经扫描控制器12放大和滤波，在PCI卡11转换后，将数据传输给PC机10，PC机10将获得两组数据进行处理形成图形曲线。

其中，扫描控制器和PCI的设计原理图如图2所示。所述扫描控制器12由信号放大器13、滤波器14、存储关键信息的电可擦除只读存储器(EEPROM)17、数字编码器18和通信接口15组成。所述PCI卡11由通信接口15、滤波器14、16位A/D转换器20、板载内存21、系统控制单元19，以及连接计算机PCI总线接口的PCI控制器22组成。

使用本公开装置进行Z-扫描和光束质量分析的测量步骤如下：

(1)利用红外激光光谱仪对经过“周期调谐+温度调谐”后的中红外光参量振荡器输出的激光波长进行标定；在波长一定、输出功率一定、脉冲重复频率一定条件下，利用该3～5μm中红外波段激光二维Z-扫描装置对激光的聚焦点位置、发散角、束腰半径、共焦长度、能量波动、M²因子进行标定；

(2)波长、功率(能量)、重复频率已确定的中红外高斯光束经过CaF₂束腰生成镜4后会聚，光束截面最小处作为Z轴的O点。通过操作控制模块将电动平移台6运动到一端，同时标定-z和+z位置(相距100～200mm)。由PC机10操控电动平移台6上放置的待测样品5在焦点附近沿Z轴方向前后移动；

(3)第一探头3和第二探头8分别对入射和透射激光功率(能量)进行扫描和记录，第二探头8前的可变小孔光阑7用于限制进入第二探头8的激光功率(能量)。对探测光的光强测量时，选择在一个位置上每0.125s采集一次数据，共采集200个数据；然后再移动0.5mm的位移，再次采集数据。

(4)开孔Z-扫描时，将可变小孔光阑7换成一个CaF₂正透镜，把透过待测样品5的光全部耦合到第二探头8上，然后重复上述(1)到(3)的实验过程即可得到开孔Z-扫描探测光强数据；

(5)改变激光的重复频率、输出波长和入射角度，重复(1)到(4)实验过程，获得不同重复频率、不同输出波长和不同入射角度条件下，3～5μm中红外波段内待测样品5的闭孔Z-扫描探测光强数据和开孔Z-扫描探测光强数据。

(6)对开孔Z-扫描数据进行处理。通过进一步在数据处理模块增加分析功能，在不同激光参量条件下，所述激光参量包括波长、脉冲宽度、重复频率、入射角度，获取待测样品5在3～5μm中红外波段内的Z-扫描能量归一化透过率与样品归一化位置的关系曲线，理论分析样品在3～5μm中红外波段的非线性吸收性质及其产生机理，对非线性吸收系数进行表征；

(7)将闭孔Z-扫描的实验数据逐点除以开孔Z-扫描实验数据，在不同激光参量条件下，所述激光参量包括波长、脉冲宽度、重复频率、入射角度，获取待测样品5在3～5μm中红外波段内闭孔Z-扫描能量归一化透过率与样品归一化位置的关系曲线，理论分析样品在3～5μm中红外波段的非线性折射性质及其产生机理，对非线性折射率进行表征。

结合上述步骤可以看出，相对于现有Z-扫描仪一般都是在特定波长基础上针对待测样品获得T-z曲线，本装置的特征在于先对调谐光束进行表征(标定，即光束质量分析)，在此基础上依次获得针对同一待测样品的一系列开孔和闭孔数据以及相应的T-z曲线，再通过数据处理模块对数据进行处理和分析，最后得出样品在3～5μm中红外波段的非线性吸收和折射性质及其产生机理，并对非线性吸收系数和折射率进行表征。

以上对本公开进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开装置或方法及它们的核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本公开的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本公开的限制。

Claims (9)

1.一种3～5μm中红外波段Z-扫描装置，其特征在于，所述装置包括：

M100、光强采集模块：所述光强采集模块包括CaF₂分光镜、CaF₂束腰生成镜、第一探头、第二探头；

所述CaF₂分光镜与水平方向呈45°，将入射光分为透射光和反射光两束光；所述入射光为3～5μm中红外波段的激光光束；

所述第一探头用于采集反射光光强，并将光强转换成电信号传送给扫描控制模块的扫描控制器；

所述第二探头用于采集经CaF₂束腰生成镜后入射到待测样品并从待测样品透过的透射光光强，并将光强转换成模拟电信号传送给控制模块的扫描控制器；

M200、样品平台模块：所述样品平台模块包括用于放置待测样品电动平移台；

M300、扫描控制模块：所述扫描控制模块中的扫描控制器与第一探头和第二探头直接相连，并将获得模拟电信号经中间件转换成数据处理模块能够处理的数据格式；

M400、操作控制模块：所述操作控制模块能够完成的控制操作包括调节第一探头和第二探头的光谱响应范围、扫描控制器的扫描速度以及向单片机发送控制命令控制电动平移台的移动；

M500、数据处理模块：接收数据包括单片机传来的关于电动平移台的位移数据、扫描控制模块获得的光强数据，所述光强数据包括反射光光强数据以及经待测样品的透射光光强数据；

所述第一探头和第二探头均包括狭缝扫描式热释电探测器及作为扫描电机的旋转鼓轮电机；

所述扫描式电探测器的光谱响应范围至少包括3～5μm的范围，并且扫描速度能够通过设置所述旋转鼓轮电机的参数来调节。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述入射光由中红外光学参量振荡激光器提供。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述CaF₂束腰生成镜为平凸透镜，其平面侧朝向样品。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述扫描控制器至少包括信号放大器、滤波器、第一通信接口和存储器；

所述信号放大器将所述第一探头和第二探头采集到的模拟电信号进行放大，经滤波器滤波后通过第一通信接口发送给中间件；

所述存储器用于存储操作控制模块的操作信息和/或参数信息。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述中间件至少包括接口单元、转换单元、命令执行单元、命令控制单元、传输单元；

所述接口单元至少包括第二通信接口，用于接收扫描控制器的模拟电信号并传输至命令执行单元；

所述命令执行单元将模拟电信号进一步推送至转换单元；

所述转换单元至少包括16位A/D转换器，用于将接收的模拟电信号转换成数字信号，并将所述数字信号发送至命令控制单元，经传输单元的PCI总线接口传送给数据处理模块进行处理；

所述命令控制单元至少包括PCI控制器，所述PCI控制器获取操作控制模块的命令后发送至命令执行单元，所述命令执行单元控制相应的元件完成命令的执行。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述电动平移台包括步进电机，导轨，样品台。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述CaF₂束腰生成镜和第二探头之间有光阑，所述光阑的中心和光轴重合，且孔径可变。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述操作控制模块还包括对第一探头和第二探头的空间采样间隔进行设置。

9.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：

所述操作控制模块还包括控制信号放大器增益、设置滤波器，以及校正直流偏移。