CN106248585A - 光学材料三维光热吸收的测量装置及方法 - Google Patents

光学材料三维光热吸收的测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

光学材料三维光热吸收的测量装置及方法，该装置采用横向式构型,使用热透镜技术对材料进行三维光热吸收测量，避免光热偏转技术测量时光斑打在探测器边沿甚至探测器外面带来的误差，为材料特性及损伤研究等提供了有利工具，该方法通过光热偏转技术，间接地使用电阻加热定标为热透镜吸收测量进行定标，避免了在热透镜吸收测量中非同种样品定标时材料间差异带来的误差，同时，在求取系统与材料参数乘积时，所测热透镜信号点与已知吸收率点是同一点，减小了误差。本发明装置简单，调节方便，灵敏度高。

Description

光学材料三维光热吸收的测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种光学材料三维光热吸收的测量装置及方法。
技术背景
光热偏转及热透镜技术作为高灵敏度、非破坏性测量低吸收的优良手段受到人们的广泛研究。一束经调制的高斯光束入射到光学材料上，材料吸收能量后部分或全部转化为热能，由于热分布的不均匀，将在材料内部形成温度梯度。又由于材料的折射率是温度的函数，将产生折射率梯度。如果让另一束小功率的光束(探测光)透过材料内具有折射率梯度的区域时，探测光将发生偏转或散焦。通过测量光束偏转大小(光热偏转技术)或散焦程度(热透镜技术)，就能获得材料的某些光学、热学等特性。
光热偏转技术及热透镜技术已广泛应用于气体、液体、固体的吸收测量，目前市场上也有成熟的商业仪器。例如美国SPTS公司的光热共路干涉仪(PCI)，其基于改进的热透镜技术，分别使用熔石英基底金属膜和肖特玻璃对测量信号进行定标，可进行三维均匀性检测；德国IPHT公司的弱吸收测量仪(LID)，其基于激光诱导偏转原理，使用电阻加热来定标，目前还不能进行三维检测，且测量耗时。PCI如同其他热透镜装置一样，在测量材料光热吸收时，忽略了定标样品与参考样品材料间的差异，引入误差。而LID虽然使用同一种样品进行定标，但在测量吸收较大的区域时，如缺陷处，偏转光束可能打在探测器边沿甚至探测器外面，这使得对材料进行三维光热吸收测量时引入误差。而材料三维光热吸收的测量有助于材料特性的研究，对于损伤研究等也有重要意义，如研究损伤位置与缺陷位置关系。
发明内容
基于上述已有的测量方法和装置的不足，本发明目的提供一种光学材料三维光热吸收的测量装置及方法，避免上述测量误差。
本发明的技术解决方案如下：
一种光学材料三维光热吸收测量的测量装置，其特点在于该装置包括：
泵浦光路，包括355nm激光器，沿该355nm激光器的输出光方向依次是第一衰减器、第一反射镜、斩波器、第二反射镜、光路抬升架、第一聚焦透镜、三维移动平台和吸收池，所述的三维移动平台供样品放置；
探测光路，包括氦氖激光器，沿该氦氖激光器的输出光方向依次是第二衰减器、第三反射镜、第三长焦距聚焦透镜、三维移动平台、滤光片、小孔光阑和四象限探测器；
所述的斩波器的输出端接锁相放大器的第一输入端，所述的锁相放大器的输出端接计算机的第一输入端，万用表的输出端接计算机的第二输入端，所述的计算机的输出端与所述的三维移动平台的控制端相连。
利用上述光学材料三维光热吸收测量的测量装置对光学材料进行三维光热吸收测量的测量方法，其特征在于该测量方法步骤如下：
一、定标：
1)在所述的光学材料三维光热吸收的测量装置中，取下第三长焦距聚焦透镜和小孔光阑，装上第二短焦距聚焦透镜，在所述的三维移动平台上放置体电阻加热定标样品，调整泵浦光路，使所述的355nm激光器输出激光经第一衰减器、第一反射镜、斩波器、第二反射镜、光路抬升架和第一聚焦透镜后照射到体电阻加热定标样品上，在光路抬升架和第一聚焦透镜之间设置功率计，通过第一衰减器调节所述的355nm激光器输出的泵浦光功率，保证泵浦光经第一聚焦透镜聚焦后照射到体电阻加热定标上样品上不会破坏样品；
2)遮挡泵浦光，开启所述的氦氖激光器，调节三维移动平台，使探测光经第二短焦距聚焦透镜聚焦后从体电阻加热定标样品端面的中心偏上的位置穿过样品照射到四象限探测器上，构成一个光热偏转光路，将所述的四象限探测器的SUM输出端与万用表连接，调节所述的四象限探测器位置，使光斑打在四象限探测器中心，边调节第二衰减器边观察万用表示数，使所述的四象限探测器工作在线性段；
3)断开所述的四象限探测器SUM输出端与万用表连接，将四象限探测器的Y输出端与万用表连接，细调所述的四象限探测器位置，直到万用表示数为零，此时四象限探测器上下两部分接收到相同的光强；
4)断开所述的四象限探测器的Y输出端与万用表连接，将四象限探测器的SUM输出端与万用表连接，将所述的四象限探测器的Y输出端与所述的锁相放大器的第二输入端连接；
5)按照电阻加热定标方法，使用电压源给体电阻加热定标样品的电阻施加不同的电压U，记录对应的锁相放大器读数S，作U2/R与S关系图，R为电阻阻值，过坐标原点对数据进行线性拟合，获得曲线斜率，该曲线斜率除以体电阻加热定标样品厚度即为定标系数K；
二、三维扫描测量：
1)换上待测样品，去掉遮挡，记录泵浦功率为P，移去功率计，记录锁相放大器读数为Sp，根据公式αs＝ln[P/(P-Sp*K*d)]/d，得到该点的吸收系数αs，其中d为待测样品厚度；
2)取下第二聚焦透镜，加入第三聚焦透镜聚焦探测光到样品上相同位置，加入小孔光阑，调节光路抬升架和第一聚焦透镜，使探测光与泵浦光在样品内部垂直相交，构成热透镜光路，断开所述的四象限探测器的Y输出端与锁相放大器的第二输入端连接，将所述的四象限探测器的SUM输出端通过三通接头分别与锁相放大器的第二输入端和万用表连接；
3)记录此时万用表读数Dc和锁相放大器读数Ac，根据公式b＝Ac/(Dc*P*αs)计算得到系统与材料参数乘积b；
4)使用计算机控制待测样品的三维移动，先进行XY面扫描，然后样品沿Z方向移动一段距离，重复XY面扫描直至扫完整个待测样品，在扫描的过程中，对每一个测量点记录相应的万用表读数Dc和锁相放大器读数Ac，根据公式α＝Ac/(Dc*P*b)，获得各坐标点的吸收系数α，获得待测样品的三维光热吸收系数空间分布。
本发明优点是：
1、相比传统热透镜光热吸收测量定标，本发明通过光热偏转技术，间接地使用电阻加热定标的方法为热透镜光热吸收测量定标，避免了在热透镜技术中非同种样品定标时材料间差异带来的误差。同时，在求取系统与材料参数乘积b时，所测热透镜信号点与已知吸收率点是同一点，减小了误差。
2、采用横向式构型，使用热透镜技术对材料进行三维光热吸收测量，避免使用光热偏转技术测量时光斑打在探测器边沿甚至探测器外面带来的误差，实现了对材料的三维光热吸收测量。
附图说明
图1为本发明测量装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
如图1所示，一种光学材料三维光热吸收的测量装置，包括：
泵浦光路，包括355nm激光器1，沿该355nm激光器1的输出光方向依次是第一衰减器2、第一反射镜3、斩波器4、第二反射镜5、光路抬升架6、第一聚焦透镜7、三维移动平台9和吸收池10，所述的三维移动平台9供样品8放置；
探测光路，包括氦氖激光器11，沿该氦氖激光器11的输出光方向依次是第二衰减器12、第三反射镜13、第三长焦距聚焦透镜14、三维移动平台9、滤光片16、小孔光阑17和四象限探测器18；
所述的斩波器4的输出端接锁相放大器19的第一输入端，所述的锁相放大器19的输出端接计算机21的第一输入端，万用表20的输出端接计算机21的第二输入端，所述的计算机21的输出端与所述的三维移动平台9的控制端相连。
本发明具体实施方法如下：
一、定标：
1)在所述的光学材料三维光热吸收的测量装置中，取下第三长焦距聚焦透镜14和小孔光阑17，装上第二短焦距聚焦透镜15，在所述的三维移动平台9上放置体电阻加热定标样品8，调整泵浦光路，使所述的355nm激光器1输出激光经第一衰减器2、第一反射镜3、斩波器4、第二反射镜5、光路抬升架6和第一聚焦透镜7后照射到样品8上，在光路抬升架6和第一聚焦透镜7之间设置功率计，通过第一衰减器2调节所述的355nm激光器1输出的泵浦光功率，保证泵浦光经第一聚焦透镜7聚焦后照射到样品上不会破坏样品；
2)遮挡泵浦光，开启所述的氦氖激光器11，调节三维移动平台9，使探测光经第二短焦距聚焦透镜15聚焦后从体电阻加热定标样品端面的中心偏上的位置穿过样品照射到四象限探测器18上，构成一个光热偏转光路，将所述的四象限探测器18的SUM输出端与万用表20连接，调节所述的四象限探测器18位置，使光斑打在四象限探测器18中心，边调节第二衰减器12边观察万用表20示数，使所述的四象限探测器18工作在线性段；
3)断开所述的四象限探测器18的SUM输出端与万用表20连接，将四象限探测器18的Y输出端与万用表20连接，细调所述的四象限探测器18位置，直到万用表20示数为零，此时四象限探测器18上下两部分接收到相同的光强；
4)断开所述的四象限探测器18的Y输出端与万用表20连接，将四象限探测器18的SUM输出端与万用表20连接，将所述的四象限探测器18的Y输出端与锁相放大器19的第二输入端连接；
5)按照电阻加热定标方法，使用电压源给体电阻加热定标样品8上的电阻施加不同的电压U，记录对应的锁相放大器19读数S，作U2/R与S关系图，R为电阻阻值，过坐标原点对数据进行线性拟合，获得曲线斜率，该曲线斜率除以体电阻加热定标样品8厚度即为定标系数K；
二、三维扫描测量：
1)换上待测样品8，去掉遮挡，记录泵浦功率为P，移去功率计，记录锁相放大器19读数为Sp，根据公式αs＝ln[P/(P-Sp*K*d)]/d，得到该点的吸收系数αs，其中d为待测样品8厚度；
2)取下第二聚焦透镜15，加入第三聚焦透镜14聚焦探测光到样品上相同位置，加入小孔光阑17，调节光路抬升架6和第一聚焦透镜7，使探测光与泵浦光在样品内部垂直相交，构成热透镜光路，断开所述的四象限探测器18的Y输出端与锁相放大器19的第二输入端连接，将所述的四象限探测器18的SUM输出端通过三通接头分别与锁相放大器19的第二输入端和万用表20连接；
3)记录此时万用表20读数Dc和锁相放大器19读数Ac，根据公式b＝Ac/(Dc*P*αs)计算得到系统与材料参数乘积b；
4)使用计算机21控制待测样品8的三维移动，先进行XY面扫描，然后样品沿Z方向移动一段距离，重复XY面扫描直至扫完整个待测样品8，对每一个测量点记录相应的万用表20读数Dc和锁相放大器19读数Ac，根据公式α＝Ac/(Dc*P*b)，获得各坐标点的吸收系数α，进而获得待测样品8的三维光热吸收系数空间分布。

Claims (2)

1.一种光学材料三维光热吸收的测量装置，其特征在于该装置包括：
泵浦光路，包括355nm激光器(1)，沿该355nm激光器(1)的输出光方向依次是第一衰减器(2)、第一反射镜(3)、斩波器(4)、第二反射镜(5)、光路抬升架(6)、第一聚焦透镜(7)、三维移动平台(9)和吸收池(10)，所述的三维移动平台(9)供样品(8)放置；
探测光路，包括氦氖激光器(11)，沿该氦氖激光器(11)的输出光方向依次是第二衰减器(12)、第三反射镜(13)、第三长焦距聚焦透镜(14)、三维移动平台(9)、滤光片(16)、小孔光阑(17)和四象限探测器(18)；
所述的斩波器(4)的输出端接锁相放大器(19)的第一输入端，所述的锁相放大器(19)的输出端接计算机(21)的第一输入端，万用表(20)的输出端接计算机(21)的第二输入端，所述的计算机(21)的输出端与所述的三维移动平台(9)的控制端相连。
2.利用权利要求1所述的光学材料三维光热吸收的测量装置对光学材料进行三维光热吸收测量的测量方法，其特征在于该测量方法步骤如下：
一、定标：
1)在所述的光学材料三维光热吸收的测量装置中，取下第三长焦距聚焦透镜(14)和小孔光阑(17)，装上第二短焦距聚焦透镜(15)，在所述的三维移动平台(9)上放置体电阻加热定标样品(8)，调整泵浦光路，使所述的355nm激光器(1)输出激光经第一衰减器(2)、第一反射镜(3)、斩波器(4)、第二反射镜(5)、光路抬升架(6)和第一聚焦透镜(7)后照射到体电阻加热定标样品(8)上，在光路抬升架(6)和第一聚焦透镜(7)之间设置功率计，通过第一衰减器(2)调节所述的355nm激光器(1)输出的泵浦光功率，保证泵浦光经第一聚焦透镜(7)聚焦后照射到体电阻加热定标上样品(8)不会破坏样品；
2)遮挡泵浦光，开启所述的氦氖激光器(11)，调节三维移动平台(9)，使探测光经第二短焦距聚焦透镜(15)聚焦后从体电阻加热定标样品端面的中心偏上的位置穿过样品照射到四象限探测器(18)上，构成一个光热偏转光路，将所述的四象限探测器(18)的SUM输出端与万用表(20)连接，调节所述的四象限探测器(18)位置，使光斑打在四象限探测器(18)中心，边调节第二衰减器(12)边观察万用表(20)示数，使所述的四象限探测器(18)工作在线性段；
3)断开所述的四象限探测器(18)SUM输出端与万用表(20)连接，将四象限探测器(18)的Y输出端与万用表(20)连接，细调所述的四象限探测器(18)位置，直到万用表(20)示数为零，此时四象限探测器(18)上下两部分接收到相同的光强；
4)断开所述的四象限探测器(18)的Y输出端与万用表(20)连接，将四象限探测器(18)的SUM输出端与万用表(20)连接，将所述的四象限探测器(18)的Y输出端与所述的锁相放大器(19)的第二输入端连接；
5)按照电阻加热定标方法，使用电压源给体电阻加热定标样品(8)的电阻施加不同的电压U，记录对应的锁相放大器(19)读数S，作U2/R与S关系图，R为电阻阻值，过坐标原点对数据进行线性拟合，获得曲线斜率，该曲线斜率除以体电阻加热定标样品(8)的厚度即为定标系数K；
二、三维扫描测量：
1)换上待测样品(8)，去掉遮挡，记录泵浦功率为P，移去功率计，记录锁相放大器(19)读数为Sp，根据公式αs＝ln[P/(P-Sp*K*d)]/d，得到该点的吸收系数αs,其中d为待测样品(8)厚度；
2)取下第二聚焦透镜(15)，加入第三聚焦透镜(14)聚焦探测光到样品上相同位置，加入小孔光阑(17)，调节光路抬升架(6)和第一聚焦透镜(7)，使探测光与泵浦光在样品内部垂直相交，构成热透镜光路，断开所述的四象限探测器(18)的Y输出端与锁相放大器(19)的第二输入端连接，将所述的四象限探测器(18)的SUM输出端通过三通接头分别与锁相放大器(19)的第二输入端和万用表(20)连接；
3)记录此时万用表(20)读数Dc和锁相放大器(19)读数Ac，根据公式b＝Ac/(Dc*P*αs)计算得到系统与材料参数乘积b；
4)使用计算机(21)控制所述的待测样品(8)的三维移动，先进行XY面扫描，然后样品沿Z方向移动一段距离，重复XY面扫描直至扫完整个待测样品(8)，在扫描的过程中，对每一个测量点记录相应的万用表(20)读数Dc和锁相放大器(19)读数Ac，再根据公式α＝Ac/(Dc*P*b)，获得各测量点的吸收系数α，获得待测样品(8)的三维光热吸收系数空间分布。
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