CN107192670B - 材料线性吸收和非线性吸收的测量装置和测量方法 - Google Patents

材料线性吸收和非线性吸收的测量装置和测量方法 Download PDF

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Abstract

一种材料线性吸收和非线性吸收的测量装置和测量方法，该方法通过采用灵敏度高，对散射光不敏感的光热技术，使用短脉冲高重复频率激光辐照样品，利用锁相放大器测量多脉冲累积作用下样品的线性吸收，利用Boxcar积分器测量单个脉冲下样品的非线性吸收，从而实现线性吸收和非线性吸收的同时测量，为研究材料的吸收特性提供了新的方法和手段。本发明具有对散射光不敏感，效率高的特点。

Description

材料线性吸收和非线性吸收的测量装置和测量方法
技术领域
本发明涉及材料吸收的测量，特别是一种材料线性吸收和非线性吸收的测量装置和测量方法。
技术背景
吸收作为材料的重要性能指标之一，一直受到人们的广泛关注。测量材料的吸收有助于加深对材料的认识。在高能量激光辐照下，吸收更是影响材料性能的重要因素，是导致材料软破坏/硬破坏的重要原因，限制了材料在高能量、高功率激光辐照下的应用。因此，有必要对材料的吸收进行测量，研究其吸收特性及吸收机制。
材料吸收的测量，对于线性吸收，目前主要使用的是分光光度计，此外还有激光量热法，光热偏转法，热透镜法，光声法等一系列光声光热技术；对于非线性吸收，Z扫描法由于具有简单、有效、灵敏度高等特点是目前主要采用的方法，此外还有光热偏转法，热透镜法、非线性透过率法、简并三波混频法等。上述方法虽然都能实现对材料吸收的有效测量，但都是对线性吸收和非线性吸收的单独测量，且其中灵敏度高的测量方法都需要对装置的仔细调节，测量起来非常耗时耗力。对于在同一套装置中实现线性吸收和非线性吸收的同时测量，相关测量研究鲜有开展。A.Marcano O等人采用泵浦光聚焦，探测光高度准直的热透镜构型，结合Z扫描，通过拟合实验曲线实现了线性吸收和非线性吸收同时测量(A.M O,Delima F,Markushin Y,et al.Determination of linear and nonlinear absorptionof metallic colloids using photothermal lens spectrometry[J].Journal of theOptical Society of America B,2011,28(2):281.)，测量结果依赖于模型的合理性与准确性。
发明内容
基于上述已有的测量方法和装置的不足，本发明目的是提供一种材料线性吸收和非线性吸收的测量装置和测量方法，该装置通过采用灵敏度高，对散射光不敏感的光热技术，使用短脉冲高重复频率激光作为泵浦光辐照样品，利用锁相放大器和Boxcar积分器分别提取信号，实现材料线性吸收和非线性吸收的同时测量，大大提高了测量效率。
本发明的技术解决方案如下：
一种材料线性吸收和非线性吸收的测量装置，该装置包括：
泵浦光路，包括泵浦激光器，沿该泵浦激光器的输出光方向依次是第一衰减器、分光片、第一反射镜、斩波器、第二反射镜、第一长聚焦透镜、三维移动平台和吸收池，所述的三维移动平台供待测样品放置，分光片反射光路上放有功率计；
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、光路提升器、第一短聚焦透镜、三维移动平台、滤光片和四象限探测器；
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，其特点在于，
所述的四象限探测器的SUM输出端接万用表输入端，四象限探测器的Y输出端通过三通分别连接锁相放大器的第二输入端，Boxcar积分器的第一输入端，所述的泵浦激光器的输出端连接Boxcar积分器的第二输入端，所述的Boxcar积分器输出端连接示波器的输入端。
所述样品是透明材料或不透明材料。
所述的四象限探测器更换为单象限探测器，同时，单象限探测器前装有小孔光阑，所述的第一长聚焦透镜更换为第二短聚焦透镜，所述的第一短聚焦透镜更换为第二长聚焦透镜，单象限探测器的输出端通过三通分别连接万用表输入端、锁相放大器的第二输入端和Boxcar积分器的第一输入端。
利用上述含四象限探测器的材料线性吸收和非线性吸收的测量装置对材料进行线性吸收和非线性吸收测量的测量方法，其特点在于该测量方法步骤如下：
1)将样品放置在三维移动平台上，所选择的泵浦激光器为单脉冲输出能使样品产生非线性吸收，高重频输出能产生热累积的重复频率连续可调激光器，开启所述的泵浦激光器并选择高重频输出，开启所述的氦氖激光器，调节三维移动平台使泵浦光经第一长聚焦透镜聚焦后垂直照射到样品的中心；
2)对于透明样品，调节光路提升器和第一短聚焦透镜，使探测光从样品端面的中心偏上或偏下的位置垂直于泵浦光穿过所述的样品照射到所述的四象限探测器上；对于不透明样品，需要进一步移动三维移动平台，使探测光从样品靠近第一长聚焦透镜的表面垂直于泵浦光照射到四象限探测器上，再调节第一长聚焦透镜聚焦泵浦光垂直照射到样品的中心；
3)断开所述的四象限探测器的SUM输出端与万用表连接，断开所述的四象限探测器的Y输出端与Boxcar积分器的第一输入端连接，将所述的四象限探测器的Y输出端与万用表连接，边调节四象限探测器位置，边观察万用表的电压示数，直到万用表的电压示数为零；
4)断开所述的四象限探测器的Y输出端与万用表连接，将所述的四象限探测器的SUM输出端与万用表连接，四象限探测器的Y输出端与Boxcar积分器的第一输入端连接，开启斩波器；
5)将所述的功率计放置在第二反射镜和第一长聚焦透镜之间，调节第一衰减器，记录此时功率计读数P，移去功率计放回原位，记录万用表的电压读数Dc、锁相放大器读数Ac和示波器信号最大值Smax；
6)重复步骤5，记录不同功率P下的Dc、Ac、Smax，由于Ac/Dc和Smax都和样品吸收系数成线性关系，作Ac/Dc与功率密度关系图，实现线性吸收相对测量，作Smax与功率密度的log-log关系图，实现非线性吸收相对测量；
利用上述含单象限探测器的材料线性吸收和非线性吸收的测量装置对材料进行线性吸收和非线性吸收测量的测量方法，其特点在于该测量方法步骤如下：
1)将样品放置在所述的三维移动平台上，选择泵浦激光器为单脉冲输出能使所述的样品产生非线性吸收，高重频输出能产生热累积的重复频率连续可调激光器，开启所述的泵浦激光器并选择高重频输出，开启所述的氦氖激光器，调节三维移动平台使泵浦光经第二短聚焦透镜聚焦后垂直照射到样品的中心；
2)调节光路提升器和第二长聚焦透镜，使探测光从样品端面的中心垂直相交于泵浦光穿过样品照射到单象限探测器上，开启斩波器，仔细调节探测光与泵浦光相对位置，使锁相放大器读数最大；
3)将所述的功率计放置在第二反射镜和第二短聚焦透镜之间，调节第一衰减器，记录此时功率计读数P，移去功率计放回原位，记录万用表的电压读数Dc、锁相放大器读数Ac和示波器信号最大值Smax；
4)重复步骤3，记录不同功率P下的Dc、Ac、Smax，由于Ac/Dc和Smax都和样品吸收系数成线性关系，作Ac/Dc与功率密度关系图，实现线性吸收相对测量，作Smax与功率密度的log-log关系图，实现非线性吸收相对测量。
本发明优点是：
传统的对线性吸收和非线性吸收的单独测量，要获得材料线性吸收特性和非线性吸收特性需要搭建两套装置，测量费时费力，同时对于A.Marcano O等人的方法，由于其结合了Z-扫描技术，需要精确移动和记录样品位置，且测量光散射强的样品时，光散射会影响测量结果。本发明通过采用灵敏度高，对散射光不敏感的光热技术，使用短脉冲高重复频率激光作为泵浦光辐照样品，对于其中单个短脉冲来说，脉冲激光与材料作用表现为非线性吸收，但整体来看，高重复频率短脉冲激光辐照材料如同连续激光辐照，材料表现为线性吸收，利用Boxcar积分器测量单个脉冲下样品的非线性吸收，利用锁相放大器测量多脉冲累积作用下样品的线性吸收，不需要移动样品，实现了材料线性吸收和非线性吸收的同时测量，大大提高了效率。同时通过调节激光重复频率可实现对多种材料进行吸收测量。而对于一些特殊材料，可通过更换合适的泵浦光源实现。
附图说明
图1为本发明含四象限探测器的材料线性吸收和非线性吸收的测量装置的结构示意图。
图2为本发明含单象限探测器的材料线性吸收和非线性吸收的测量装置的结构示意图。
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，图1为本发明含四象限探测器的材料线性吸收和非线性吸收的测量装置实施例1的结构示意图。由图可见，本发明含四象限探测器的材料线性吸收和非线性吸收的测量装置，该装置包括：
泵浦光路，包括泵浦激光器1，沿该泵浦激光器1的输出光方向依次是第一衰减器2、分光片3、第一反射镜5、斩波器6、第二反射镜7、第一长聚焦透镜8、三维移动平台10和吸收池11，所述的三维移动平台10供待测样品9放置，分光片3反射光路上放有功率计4；
探测光路，包括氦氖激光器12，沿该氦氖激光器12的输出光方向依次是第二衰减器13、第三反射镜14、光路提升器15、第一短聚焦透镜16、三维移动平台10、滤光片17和四象限探测器18；
所述的斩波器6的输出端接锁相放大器20的第一输入端，所述的锁相放大器20的输出端接计算机23的第一输入端，万用表19的输出端接计算机23的第二输入端，所述的计算机23的输出端与所述的三维移动平台10的控制端相连，所述的四象限探测器18的SUM输出端接万用表19输入端，四象限探测器18的Y输出端通过三通分别连接锁相放大器20的第二输入端，Boxcar积分器21的第一输入端，所述的泵浦激光器1的输出端连接Boxcar积分器21的第二输入端，所述的Boxcar积分器21输出端连接示波器22的输入端。
利用上述含四象限探测器的材料线性吸收和非线性吸收的测量装置进行材料线性吸收和非线性吸收的测量方法，包括如下步骤：
1)将DKDP样品9放置在三维移动平台10上，根据DKDP晶体带宽等特性，DKDP晶体在紫外波段可能产生非线性吸收，所选择的泵浦激光器1为355nm激光器，脉宽6ns,频率单脉冲到50KHz连续可调，开启所述的泵浦激光器1并选择高频50KHz输出，开启所述的氦氖激光器12，调节三维移动平台10使泵浦光经第一长聚焦透镜8聚焦后垂直照射到KDP样品9的中心；
2)对于透明样品DKDP，调节光路提升器15和第一短聚焦透镜16，使探测光从样品端面的中心偏上或偏下的位置垂直于泵浦光穿过所述的样品照射到所述的四象限探测器18上；若样品不透明，则需要进一步移动三维移动平台10，使探测光从样品靠近第一长聚焦透镜8的表面垂直于泵浦光照射到四象限探测器18上，再调节第一长聚焦透镜8聚焦泵浦光垂直照射到样品9的中心；
3)断开所述的四象限探测器18的SUM输出端与万用表19连接，断开所述的四象限探测器18的Y输出端与Boxcar积分器21的第一输入端连接，将所述的四象限探测器18的Y输出端与万用表19连接，边调节四象限探测器18位置，边观察万用表19的电压示数，直到万用表19的电压示数为零；
4)断开所述的四象限探测器18的Y输出端与万用表19连接，将所述的四象限探测器18的SUM输出端与万用表19连接，四象限探测器18的Y输出端与Boxcar积分器21的第一输入端连接，开启斩波器6，斩波频率为10Hz；
5)将所述的功率计4放置在第二反射镜7和第一长聚焦透镜8之间，调节第一衰减器2，记录此时功率计4读数P，移去功率计4放回原位，记录万用表19的电压读数Dc、锁相放大器20读数Ac和示波器22信号最大值Smax；
6)重复步骤5，记录不同功率P下的Dc、Ac、Smax，由于Ac/Dc和Smax都和样品吸收系数成线性关系，作Ac/Dc与功率密度关系图，实现线性吸收相对测量，作Smax与功率密度的log-log关系图，实现非线性吸收相对测量；
本发明实施例2如图2所示，将图1中的四象限探测器18更换为单象限探测器24，在单象限探测器24前装上小孔光阑25，第一长聚焦透镜8更换为第二短聚焦透镜26，第一短聚焦透镜16更换为第二长聚焦透镜27，单象限探测器24的输出端通过三通分别连接万用表19输入端、锁相放大器20的第二输入端和Boxcar积分器21的第一输入端。利用上述含单象限探测器的材料线性吸收和非线性吸收的测量装置进行材料线性吸收和非线性吸收的测量方法，包括如下步骤：
1)将DKDP样品9放置在三维移动平台10上，根据DKDP晶体带宽等特性，DKDP晶体在紫外波段可能产生非线性吸收，所选择的泵浦激光器1为355nm激光器，脉宽6ns,频率单脉冲到50KHz连续可调，开启所述的泵浦激光器1并选择高频50KHz输出，开启所述的氦氖激光器12，调节三维移动平台10使泵浦光经第二短聚焦透镜26聚焦后垂直照射到DKDP样品9的中心；
2)调节光路提升器15和第二长聚焦透镜27，使探测光从样品端面的中心垂直相交于泵浦光穿过样品照射到单象限探测器24上，开启斩波器6，斩波频率为10Hz，仔细调节探测光与泵浦光相对位置，使锁相放大器20读数最大；
3)将所述的功率计4放置在第二反射镜7和第二短聚焦透镜26之间，调节第一衰减器2，记录此时功率计4读数P，移去功率计4放回原位，记录万用表19的电压读数Dc、锁相放大器20读数Ac和示波器22信号最大值Smax；
4)重复步骤3，记录不同功率P下的Dc、Ac、Smax，由于Ac/Dc和Smax都和样品吸收系数成线性关系，作Ac/Dc与功率密度关系图，实现线性吸收相对测量，作Smax与功率密度的log-log关系图，实现非线性吸收相对测量。

Claims (5)

1.一种材料线性吸收和非线性吸收的测量装置，该装置包括：
泵浦光路，包括泵浦激光器(1)，沿该泵浦激光器(1)的输出光方向依次是第一衰减器(2)、分光片(3)、第一反射镜(5)、斩波器(6)、第二反射镜(7)、第一长聚焦透镜(8)、三维移动平台(10)和吸收池(11)，所述的三维移动平台(10)供待测样品(9)放置，在所述的分光片(3)的反射光路上放有功率计(4)；
探测光路，包括氦氖激光器(12)，沿该氦氖激光器(12)的输出光方向依次是第二衰减器(13)、第三反射镜(14)、光路提升器(15)、第一短聚焦透镜(16)、三维移动平台(10)、滤光片(17)和四象限探测器(18)；
所述的斩波器(6)的输出端接锁相放大器(20)的第一输入端，所述的锁相放大器(20)的输出端接计算机(23)的第一输入端，万用表(19)的输出端接计算机(23)的第二输入端，所述的计算机(23)的输出端与所述的三维移动平台(10)的控制端相连，其特征在于，
所述的四象限探测器(18)的SUM输出端接万用表(19)输入端，所述的四象限探测器(18)的Y输出端通过三通分别连接所述的锁相放大器(20)的第二输入端，Boxcar积分器(21)的第一输入端，所述的泵浦激光器(1)的输出端连接Boxcar积分器(21)的第二输入端，所述的Boxcar积分器(21)输出端连接示波器(22)的输入端；
所述的泵浦激光器(1)为单脉冲输出能使样品产生非线性吸收，高重频输出能产生热累积的重复频率连续可调激光器。
2.根据权利要求1所述的材料线性吸收和非线性吸收的测量装置，其特征在于：所述样品是透明材料或不透明材料。
3.根据权利要求1所述的材料线性吸收和非线性吸收的测量装置，其特征在于：所述的四象限探测器更换为单象限探测器，同时，单象限探测器前装有小孔光阑，所述的第一长聚焦透镜更换为第二短聚焦透镜，所述的第一短聚焦透镜更换为第二长聚焦透镜，单象限探测器的输出端通过三通分别连接万用表输入端、锁相放大器的第二输入端和Boxcar积分器的第一输入端。
4.利用权利要求1所述的材料线性吸收和非线性吸收的测量装置对材料进行线性吸收和非线性吸收测量的测量方法，其特征在于该测量方法步骤如下：
1)将样品(9)放置在所述的三维移动平台(10)上，选择泵浦激光器(1)为单脉冲输出能使所述的样品(9)产生非线性吸收，高重频输出能产生热累积的重复频率连续可调激光器，开启所述的泵浦激光器(1)并选择高重频输出，开启所述的氦氖激光器(12)，调节三维移动平台(10)使泵浦光经第一长聚焦透镜(8)聚焦后垂直照射到样品(9)的中心；
2)对于透明样品(9)，调节所述的光路提升器(15)和第一短聚焦透镜(16)，使探测光从样品(9)端面的中心偏上或偏下的位置垂直于泵浦光穿过所述的样品照射到所述的四象限探测器(18)上；对于不透明样品，需要进一步移动所述的三维移动平台(10)，使探测光从样品(9)靠近第一长聚焦透镜(8)的表面垂直于泵浦光照射到四象限探测器(18)上，再调节第一长聚焦透镜(8)聚焦泵浦光垂直照射到样品(9)的中心；
3)断开所述的四象限探测器(18)的SUM输出端与万用表(19)之间的连接，断开所述的四象限探测器(18)的Y输出端与Boxcar积分器(21)的第一输入端之间的连接，将所述的四象限探测器(18)的Y输出端与万用表(19)之间的连接，边调节四象限探测器(18)位置，边观察万用表(19)的电压示数，直到所述的万用表(19)的电压示数为零；
4)断开所述的四象限探测器(18)的Y输出端与万用表(19)连接，将所述的四象限探测器(18)的SUM输出端与万用表(19)连接，四象限探测器(18)的Y输出端与Boxcar积分器(21)的第一输入端连接，开启所述的斩波器(6)；
5)将所述的功率计(4)放置在第二反射镜(7)和第一长聚焦透镜(8)之间，调节第一衰减器(2)，记录此时功率计(4)的读数P，移去功率计(4)放回原位，记录万用表(19)的电压读数Dc、锁相放大器(20)读数Ac和示波器(22)信号最大值Smax；
6)重复步骤5，记录不同功率P下的Dc、Ac、Smax，由于Ac/Dc和Smax都和样品的吸收系数成线性关系，作Ac/Dc与功率密度关系图，实现线性吸收相对测量，作Smax与功率密度的log-log关系图，实现非线性吸收相对测量。
5.利用权利要求3所述的材料线性吸收和非线性吸收的测量装置对材料进行线性吸收和非线性吸收测量的测量方法，其特征在于该测量方法步骤如下：
1)将样品(9)放置在所述的三维移动平台(10)上，选择泵浦激光器(1)为单脉冲输出能使所述的样品(9)产生非线性吸收，高重频输出能产生热累积的重复频率连续可调激光器，开启所述的泵浦激光器(1)并选择高重频输出，开启所述的氦氖激光器(12)，调节三维移动平台(10)使泵浦光经第二短聚焦透镜(26)聚焦后垂直照射到样品(9)的中心；
2)调节光路提升器(15)和第二长聚焦透镜(27)，使探测光从样品端面的中心垂直相交于泵浦光穿过样品照射到单象限探测器(24)上，开启斩波器(6)，仔细调节探测光与泵浦光相对位置，使锁相放大器(20)读数最大；
3)将所述的功率计(4)放置在第二反射镜(7)和第二短聚焦透镜(26)之间，调节第一衰减器(2)，记录此时功率计(4)读数P，移去功率计(4)放回原位，记录万用表(19)的电压读数Dc、锁相放大器(20)读数Ac和示波器(22)信号最大值Smax；
4)重复步骤3，记录不同功率P下的Dc、Ac、Smax，由于Ac/Dc和Smax都和样品吸收系数成线性关系，作Ac/Dc与功率密度关系图，实现线性吸收相对测量，作Smax与功率密度的log-log关系图，实现非线性吸收相对测量。
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