CN109164064A - 一种精确测定单层化学膜折射率变化值的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精确测定单层化学膜折射率变化值的装置及方法，属于高功率激光技术领域，该装置包括脉冲激光器、第一光电管、取样镜、石英棱镜、单层化学膜和第二光电管，所述石英棱镜为等边三棱镜，所述单层化学膜涂覆在石英棱镜的一个面上，所述脉冲激光器发出的光束经取样镜后，一部分入射到第一光电管上，剩余部分从石英棱镜的一个侧面射入，从涂有单层化学膜的一面射出，出射光线入射到第二光电管上，本发明的装置结构简单紧凑、成本低，能够有效测定高功率激光系统中单层化学膜折射率变化值，折射率变化值的检测精度达到0.0001。

Description

一种精确测定单层化学膜折射率变化值的装置及方法

技术领域

本发明属于高功率激光技术领域，具体地说涉及一种精确测定单层化学膜折射率变化值的装置及方法。

背景技术

高功率固体激光系统较高通量的紫外光学元件的减反膜(或取样膜)一般采用单层化学膜。与介质膜相比，化学膜属于“疏松”膜，容易吸附气氛环境中的有机颗粒，导致化学膜折射率发生变化，进而对其减反效果产生影响。由于高功率固体激光装置对于减反效果和取样率的要求较为苛刻，因此需要通过精确测定气氛环境中化学膜的折射率的变化情况。

在现有的化学膜折射率检测方法中，尚没有能够精确测定折射率变化值至0.0001精度的装置及方法。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，本发明提供一种精确测定单层化学膜折射率变化值的装置和方法，该装置结构简单紧凑、成本低，能够有效测定高功率激光系统中单层化学膜折射率变化值，折射率变化值的检测精度达到0.0001。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种精确测定单层化学膜折射率变化值的装置，包括脉冲激光器、第一光电管、取样镜、石英棱镜、单层化学膜和第二光电管，所述石英棱镜为等边三棱镜，所述单层化学膜涂覆在石英棱镜的一个面上，所述脉冲激光器发出的光束经取样镜后，一部分入射到第一光电管上，剩余部分从石英棱镜的一个侧面射入，从涂有单层化学膜的一面射出，出射光线入射到第二光电管上。

进一步，所述第一光电管和第二光电管均连接有示波器。

进一步，所述第一光电管、第二光电管和示波器的测量精度高于0.00002。

进一步，所述脉冲激光器的输出功率与第一光电管和第二光电管的测量范围匹配。

进一步，所述脉冲激光器输出激光偏振态为S光。

进一步，所述脉冲激光器的输出波长为1053nm。

本发明还提供了一种利用上述精确测定单层化学膜折射率变化值的装置的测定方法，包括以下步骤：

S1：启动脉冲激光器，测得第一光电管和第二光电管幅值的比值T1；

S2：将石英棱镜置于气氛环境后，再放入光路中，再次启动脉冲激光器，测得第一光电管和第二光电管幅值的比值T2，两次测量的差值即为透射率变化ΔT；

S3：根据光电磁学理论，对单层化学膜折射率变化的方法进行分析：

界面透射率：

根据激光入射石英棱镜的各物理量，θ1为激光入射角，θ2、θ3、θ4、θ5为折射角及石英棱镜顶角为60°可知：

n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂

n₂sinθ₃＝n₃sinθ₄＝n₁sinθ₅

θ₃＝60°-θ₂，θ₁＝30°

n₁＝1

因此，

其中，n1为空气折射率，n2为熔石英折射率，n3为化学膜折射率，n₂、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅均为可测的量或可计算得到量；

S4：对S3中的公式求导，通过以下公式计算获得单层化学膜的折射率变化值：

本发明的有益效果是：

本发明的装置结构简单、紧凑，成本低，通过该装置能够有效的解决高功率激光系统中单层化学膜折射率变化值的精确测定，折射率变化值的检测精度达到0.0001。

附图说明

图1为本发明的装置示意图；

图2为本发明的光学原理示意图；

图3为本发明的数据计算图(dT/dn₃当n3不同时的对应关系)。

附图中：1-脉冲激光器、2-第一光电管、3-取样镜、4-石英棱镜、5-单层化学膜、6-第二光电管。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

如图1所示，一种精确测定单层化学膜折射率变化值的装置，包括脉冲激光器1、第一光电管2、取样镜3、石英棱镜4、单层化学膜5和第二光电管6，上述部件组成了可精确测定单层化学膜折射率变化值的装置。其中，所述石英棱镜4为等边三棱镜，其顶角为60°，所述单层化学膜5涂覆在石英棱镜4的一个面上，所述第一光电管2和第二光电管6均连接有示波器，所述第一光电管2、第二光电管6和示波器的测量精度高于0.00002，所述脉冲激光器1的输出功率与第一光电管2和第二光电管6的测量范围匹配。

所述脉冲激光器1发出的光束经取样镜3后，一部分入射到第一光电管2上，剩余部分从石英棱镜4的一个侧面射入，从涂有单层化学膜5的一面射出，出射光线入射到第二光电管6上。取样镜3和第一光电管2、第二光电管6组成一个石英棱镜4的透射率测量光路。

本实施例中，所述脉冲激光器1输出激光偏振态为S光，所述脉冲激光器1的输出波长为1053nm。

本实施例提供的精确测定单层化学膜折射率变化值的装置结构简单、紧凑，成本低，使用该装置能够有效的解决高功率激光系统中单层化学膜折射率变化值的精确测定，折射率变化值的检测精度达到0.0001。

本实施例还提供了一种利用上述精确测定单层化学膜折射率变化值的装置的测定方法，包括以下步骤：

S1：启动脉冲激光器1，测得第一光电管2和第二光电管6幅值的比值T1；

S2：将石英棱镜4置于气氛环境后，再放入光路中，再次启动脉冲激光器1，测得第一光电管2和第二光电管6幅值的比值T2，两次测量的差值即为透射率变化ΔT。

S3：如图2所示，根据光电磁学理论，对单层化学膜折射率变化的方法进行分析：

界面透射率：

根据激光入射石英棱镜4的各物理量，θ1为激光入射角，θ2、θ3、θ4、θ5为折射角及石英棱镜顶角为60°可知：

n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂

n₂sinθ₃＝n₃sinθ₄＝n₁sinθ₅

θ₃＝60°-θ₂，θ₁＝30°

n₁＝1(空气折射率为1)

因此，

其中，n1为空气折射率，n2为熔石英折射率，n3为化学膜折射率，n₂、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅均为可测的量或可计算得到量；

S4：对S3中的公式求导，通过以下公式计算获得单层化学膜5的折射率变化值：

本实施例中，脉冲激光器1波长为1053nm，因此n₂(熔石英折射率)＝1.45，n₃(化学膜折射率)的变化范围一般在1.2-1.3之间，如图3所示，dT/dn₃为单调函数，因此化学膜的变化值与透射率的变化值一一对应。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (7)

1.一种精确测定单层化学膜折射率变化值的装置，其特征在于，包括脉冲激光器、第一光电管、取样镜、石英棱镜、单层化学膜和第二光电管，所述石英棱镜为等边三棱镜，所述单层化学膜涂覆在石英棱镜的一个面上，所述脉冲激光器发出的光束经取样镜后，一部分入射到第一光电管上，剩余部分从石英棱镜的一个侧面射入，从涂有单层化学膜的一面射出，出射光线入射到第二光电管上。

2.根据权利要求1所述的一种精确测定单层化学膜折射率变化值的装置，其特征在于，所述第一光电管和第二光电管均连接有示波器。

3.根据权利要求2所述的一种精确测定单层化学膜折射率变化值的装置，其特征在于，所述第一光电管、第二光电管和示波器的测量精度高于0.00002。

4.根据权利要求3所述的一种精确测定单层化学膜折射率变化值的装置，其特征在于，所述脉冲激光器的输出功率与第一光电管和第二光电管的测量范围匹配。

5.根据权利要求3所述的一种精确测定单层化学膜折射率变化值的装置，其特征在于，所述脉冲激光器的输出波长为1053nm。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种精确测定单层化学膜折射率变化值的装置，其特征在于，所述脉冲激光器输出激光偏振态为S光。

7.一种利用权利要求6所述的一种精确测定单层化学膜折射率变化值的装置的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：启动脉冲激光器，测得第一光电管和第二光电管幅值的比值T1；

S2：将石英棱镜置于气氛环境后，再放入光路中，再次启动脉冲激光器，测得第一光电管和第二光电管幅值的比值T2，两次测量的差值即为透射率变化ΔT；

S3：根据光电磁学理论，对单层化学膜折射率变化的方法进行分析：

界面透射率：

根据激光入射石英棱镜的各物理量，θ1为激光入射角，θ2、θ3、θ4、θ5为折射角及石英棱镜顶角为60°可知：

n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂

n₂sinθ₃＝n₃sinθ₄＝n₁sinθ₅

θ₃＝60°-θ₂，θ₁＝30°

n₁＝1

因此，

其中，n1为空气折射率，n2为熔石英折射率，n3为化学膜折射率，n₂、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅均为可测的量或可计算得到量；

S4：对S3中的公式求导，通过以下公式计算获得单层化学膜的折射率变化值：