CN1401976A - 检测自由电子激光光强密度的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种关于检测自由电子激光光强密度的设备及方法，该设备包括：自由电子激光器(FEL)、KBr分束片、能量辐射计及处理能量辐射计输出信号的计算机。该设备是用于测量窄禁带半导体材料的透射率，该方法是基于窄禁带半导体材料的透射率相对于FEL入射光强密度的固定关系来标定被测FEL光强密度。本发明的最大优点是：整个测量过程大大简化，避免了光斑面积和脉冲半宽度测量所带来的不精确性，使获得的测量结果更精确。另外，由于本发明采用了透射特性十分稳定窄禁带半导体材料，如InSb或HgCdTe，因此用该方法测量的FEL的光强密度重复性好。

Description

检测自由电子激光光强密度的设备及方法

技术领域

本发明涉及自由电子激光器，特别是一种关于检测自由电子激光光强密度的设备及方法。

背景技术

现有的自由电子激光器(FEL)光强密度的测量手段主要为采用能量计对辐射能量进行积分，再利用热敏纸标定光斑面积，从而根据辐照时间计算其能量密度。这种传统方法往往缺乏同步标定能量值和光斑面积的特性，同时也受辐照脉冲脉宽测量精度的限制，因此，FEL光强密度一直停留在半定量的估算阶段，未能得到精确的标定。而FEL由于具有高激发强度、波长连续可调、光束质量好、激光效率高以及脉宽窄的优点，十分有利于观测光学损伤阈值较低的窄禁带半导体非线性吸收特性，同时FEL也由于它高光强度特性有望成为光学加工的重要工具或激光武器。但无论那种应用，都需要对FEL的光强密度进行定量检测。所以任何一种能精确标定其能量密度的测试手段都是很有实用价值的。

发明内容

本发明的目的是提供一种直接标定FEL光强密度的设备和方法，该设备是用于测量窄禁带半导体材料的透射率，该方法是基于窄禁带半导体材料的透射率相对于FEL入射光强密度的依赖关系来标定FEL光强密度。

为了实现本发明的目的，本发明的设备包括：FEL、光阑、对FEL输出激光进行分束的KBr分束片、若干片厚度不一的窄禁带半导体样品、分别接收由KBr分束片分束的反射光和透射光的二个能量辐射计及处理二个能量辐射计输出信号的计算机。所说的窄禁带半导体样品置于KBr分束片透射光输出处和能量辐射计之间，见图1。

本发明方法的步骤如下：

1.若干片厚度不一的二面抛光的窄禁带半导体样品，如InSb或HgCdTe，厚度从0.001cm-1cm不等；

2.利用上述设备将样品移去测量KBr分束片的透射和反射比值r；

3.利用上述设备测量窄禁带半导体材料的透射率；

4.将测得的透射率从标定的窄禁带半导体材料的透射率与入射光强密度的理论曲线直接确定FEL光强密度；

5.标定窄禁带半导体材料的透射率与入射光强密度的理论和实验曲线，所说的实验曲线是由标准的FEL测量，见图2和图3。

本发明提出的利用窄禁带半导体材料在FEL入射光强辐照下的透射特性，通过入射光强与透射率之间固定的透射曲线关系，直接标定出FEL的光强密度。使整个测量过程大大简化，同时避免了光斑面积和脉冲半宽度测量所带来的不精确性，使获得的测量结果更精确。另外，由于本发明采用了透射特性十分稳定窄禁带半导体材料，如InSb，HgCdTe，因此用该方法测量的FEL的光强密度重复性好。

附图说明

图1为窄禁带半导体材料的透射率测量装置示意图；

图2为窄禁带半导体InSb样品的透射率随入射光强密度的变化曲线，其中圆点为采用标准的FEL，波长为9.76μm，样品厚度为0.098cm测得的实验曲线，实线为理论计算曲线。

图3为不同厚度的窄禁带半导体材料InSb样品在FEL辐照下透射率随入射光强的变化曲线，曲线1的样品厚度为0.001cm，曲线2的样品厚度为0.005cm，曲线3的样品厚度为0.01cm，曲线4的样品厚度为0.05cm，曲线5的样品厚度为0.1cm，曲线6的样品厚度为0.5cm，曲线7的样品厚度为1cm。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细阐述：

1.制备若干片厚度不一的二面抛光的窄禁带半导体材料样品4，在此以InSb为例。

2.利用如图1所示的设备，将样品移去测量KBr分束片3的透射和反射比值r，具体方法是将FEL1输出的激光束通过光阑2经KBr分束片3分为透射和反射两束光，反射光由RJ-7620型能量辐射计6接收，透射光由RJ-7620型能量辐射计5接收，将辐射计6和5接收的二个信号输入计算机7处理得到比值r。RJ-7620型能量辐射计由LaserProbe Inc.生产。

3.利用如图1所示的设备测量InSb样品的透射率，通过透射率与入射光强密度的固定关系曲线确定FEL的输出光强密度。具体方法是将FEL1输出的激光束通过光阑2经KBr分束片3分为透射和反射两束光，反射光束由RJ-7620型能量辐射计6接收，获得相应信号E_B，透射光束垂直入射到InSb上，经过样品4后的透射光束由RJ-7620型能量辐射计5接收，获得相应信号为E_A，由前面测得的分束片r值我们可以得到同步照射到样品上的脉冲能量为E_B×r，经过样品后的能量为E_A，从而可以获得透射率的实验数据E_A/(E_B×r)。

所有的测量数据均由计算机直接采集，同时显示出按上述关系计算出的样品透射率。这一透射率将用于判定入射光强密度。

在获得透射实验数据之后，我们还需得到关于透射率与入射光强密度的理论计算曲线，其计算的基本原理如下：

FEL激光以光强密度I沿z方向正入射厚度为d的样品上，其光强沿z方向衰减可以表达为：

dI＝-k₁I             (z＝0)

dI/dz＝-k₂I²-k₃I     (z＞0)                        (1)其中k₁为表面反射系数，由于我们应用了抛光后的InSb样品，这样k₁值较小，从而其对测量的精度影响极其弱；k₂为双光子吸收系数；k₃为光生载流子的吸收系数。因此，透射率可以表达为 $T=\frac{I_{\mathrm{out}}}{I_{\mathrm{in}}}=\frac{I_{\mathrm{in}}-k_1{I}_{\mathrm{in}}-\underset{0}{\overset{d}{\∫}}(k_2{I}^2+k_{3}I)\mathrm{dI}}{I_{\mathrm{in}}}---\left(2\right)$ 其中I_in和I_out分别为入射光强密度和出射光强密度。这样对于任一窄禁带半导体材料，我们可以通过系统地测量透射光强密度随入射光强密度的变化曲线，应用式(1)拟合获得相应参量。由于本发明选择了InSb材料，文献A.M.Johnston etal.，Phys.Rev.B.22，825(1980).，Vaidya Nathan et.al.，.Opt.Soc.Am.B，2，(1985)294，A.Miller et al.，J.Phys.C.1979，12：4839，Dempsey J，Holah G D and Johnston A1979已给出了相应的参量，k₁＝0.97275，k₂＝8.195，k₃＝2.701，根据这些参量可以计算出透射率与入射光强密度的关系，如图2中的实线所示。考虑到理论计算与实际测量可能存在的误差，我们采用了中国科学院北京高能物理研究所自由电子激光实验室提供的标准FEL光源，利用本发明图1的测量装置测得InSb样品透射率与FEL入射光强密度的关系曲线，见图2中的园点，从图2中可以看出，我们的理论计算曲线与实验结果吻合良好，这就验证了理论方法的正确性，提供了无需统计测量光源光斑面积和脉宽的新思路。

从图2可见，当光强密度大到一定值时，透射率变得很小，从而会使测量精度有所下降。此时，我们可以采用变换样品厚度的方法来提高不同光强密度范围的检测灵敏度。图3给出了不同厚度InSb样品情况下透射率与FEL入射光强密度的变化规律，可见有显著透射率变化区域对于不同InSb样品厚度是不同的，可以观察到随着样品增厚，其透射率变化区域趋向于入射光强密度较小的区域。为此在具体测量中需要对被测的FEL入射光强密度有一个大致的估算，选择一合适的样品厚度对提高检测灵敏度是十分重要的。

Claims (3)

1.一种检测自由电子激光光强密度的设备，其特点是：该设备依次包括：FEL(1)、光阑(2)、对FEL输出激光进行分束的KBr分束片(3)、若干片厚度不一的窄禁带半导体样品(4)、分别接收由KBr分束片分束的反射光和透射光的二个能量辐射计(6)(5)及处理二个能量辐射计输出信号的计算机(7)；所说的窄禁带半导体样品(4)置于KBr分束片(3)透射光输出处和能量辐射计(5)之间。

2.一种检测自由电子激光光强密度的方法，其特征在于包括下列步骤：

a.制备若干片厚度不一的二面抛光的窄禁带半导体样品(4)，厚度从0.001cm-1cm不等；

b.测量分束片(3)比值r：利用权利要求1所述的设备将样品移去，FEL(1)输出的激光束通过光阑(2)经KBr分束片(3)分为透射和反射两束光，反射光由能量辐射计(6)接收，透射光由能量辐射计(5)接收，将辐射计(6)和(5)接收的二个信号输入计算机(7)处理得到比值r；

c.测量窄禁带半导体样品(4)的透射率：利用权利要求1所述的设备，将FEL(1)输出的激光束通过光阑(2)经KBr分束片(3)分为透射和反射两束光，反射光束由能量辐射计(6)接收，获得相应信号E_B，透射光束垂直入射到样品(4)上，经过样品(4)后的透射光束由能量辐射计(5)接收，获得相应信号为E_A，由分束片比值r可以得到同步照射到样品上的脉冲能量为E_B×r，经过样品后的能量为E_A，经计算机(7)处理获得样品的透射率实验数据E_A/(E_B×r)；

d.将测得的样品透射率从标定的窄禁带半导体材料的透射率与入射光强密度的理论曲线直接确定FEL光强密度。

3.根据权利要求1或2一种检测自由电子激光光强密度的设备及方法，其特征在于：所说的窄禁带半导体样品(4)为InSb或HgCdTe。

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