CN203025084U - 散射系数测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种散射系数测量系统，包括光学平台，光学平台上设置有激光器、可变小孔光阑、积分球、透射光探头和散射光探头，积分球的入口光阑和出口光阑位于积分球同一条水平轴线的两端，激光器、可变小孔光阑、积分球和透射光探头依次排列，散射光探头位于积分球的顶端，积分球的内部设置有样品支架，样品支架位于散射光探头的正下方，并能使放置其上的样品位于积分球的中心位置，激光器由工控机控制，透射光探头和散射光探头通过USB连接器连接工控机。本实用新型采用积分球进行激光陶瓷晶体散射光收集和测量，可实现散射系数和吸收系数的同时测量，测量过程由工控机内的软件控制进行，操作简便。

Description

散射系数测量系统

技术领域

本实用新型涉及光学晶体材料的散射系数和吸收系数测量领域，尤其涉及一种散射系数测量系统。

背景技术

现在有很多测量散射系数的方法，但所使用的原理都基本相同，不同之处在于测量所采用的方法都有所不同。举例如《中华人民共和国国家标准UDC621.383.032》使用632.8nm的波长透过激光棒后入射到积分球，其具体测量原理及方法如下：

a)打开632.8nm波长的激光光源，预热15～30min。

b)待光源稳定后，不放被测激光棒，测量积分球内的散射系数，以校准测量系统的稳定性。一般空气的散射系数是0.01％·cm^-1，若测量系统达不到这个数量级，则须重新调试系统，以免产生误差。

c)将被测激光棒先放在夹具上，调节光栏的孔径，使光源光束直径等于被测激光棒直径的90％。然后将积分球推进使被测激光棒在球内的中间部分，调试使被测激光棒轴、光束和积分球开口处中心同轴。注：被测激光棒放在夹具上，不允许有应力存在，否则将使测试结果失真。

d)将反射光锥插入积分球的光出射口，测量出光强I_C。

e)去掉反射光锥，测量出光强I_I，在远处应用光吸收材料将透射光去掉，不允许有光反射回积分球内。

f)将激光棒推出积分球，使棒的前端在积分球入口处，测得前向散射光强I₂。

g)激光棒的侧向散射光强I_h。

h)将光强I_C和散射光强I_h代入公式，计算得到被测激光棒的侧向散射系数-h。

通过国准UDC 621.383.032的测量方法，我们发现当前散射系数的测量方法具有如下不方便性和缺点：

a)只有一种632.8nm波长的He-Ne激光器。

b)没有红光光路批示，无法准确调整光路并且调整光路步骤比较麻烦。

c)将激光棒样品放在积分球外面，经过样品沿各个方向散射或反射后，能量损失严重，无法准确得到测量结果。

d)测量仪器使用数显仪器，并要经过公式计算后方可得到测量结果。即测量麻烦，无法直接得到测量结果。

e)无电器与软件控制方面方法。

f)激光无法按频率发出，即无法得到即时能量，故测量结果不很准确。

实用新型内容

针对上述现有技术存在的问题，本实用新型目的在于提供一种散射系数测量系统，克服了现有技术中测量的不方便性和缺点。

本实用新型的技术方案是：一种散射系数测量系统，包括光学平台，所述光学平台上设置有激光器、可变小孔光阑、积分球、透射光探头和散射光探头，所述积分球的入口光阑和出口光阑位于积分球同一条水平轴线的两端，所述激光器、可变小孔光阑、积分球和透射光探头依次排列，使激光器发射的激光能依次穿过可变小孔光阑、积分球的入口光阑和出口光阑射到透射光探头上，所述散射光探头位于积分球的顶端，积分球的内部设置有样品支架，所述样品支架位于散射光探头的正下方，并能使放置其上的样品位于积分球的中心位置，激光器由工控机控制，透射光探头和散射光探头通过USB连接器连接工控机。

作为优选，所述激光器与控制其开关的激光电源电连，激光电源与控制其温度的激光水冷机连接，激光电源连接工控机并由工控机进行控制。

作为优选，还设置有红光指示器，红光指示器的红光通过激光器后与激光器的激光光斑同轴。

作为优选，所述散射光探头与样品支架之间设置有挡光板。

作为优选，所述激光器与可变小孔光阑之间设置有滤光片。

作为优选，所述滤光片为1064nm窄带滤光片。

作为优选，所述激光器为双级灯泵电光调Q Nd:YAG激光器。

作为优选，所述积分球为300mm积分球，所述积分球的内壁设置有超细颗粒F4粉料涂层。

作为优选，所述激光器通过剪式升降及三维调节台安装在光学平台上。

作为优选，所述滤光片、可变小孔光阑和透射光探头分别通过支架安装在光学平台上。

本实用新型的有益效果是：采用积分球进行激光陶瓷晶体散射光收集和测量，可实现散射系数和吸收系数的同时测量，测量过程由工控机内的软件控制进行，操作简便，并具有以下优点：(1)测量过程中，一致性、重复性很高。即同一种样品，在不同光阑、不同电压、不同频率的情况下，所测量的散射系数和吸收系数相等。(2)测量过程中，测量条件可变范围较大。对不同直径大小的样品，可改变光阑大小、改变激光频率、改变激光电源测量电压等条件使测量达到最佳效果。(3)可测量多种材质的样品。如Nd:YAG、陶瓷等不同材料。(4)可测量多种形状的样品。如棒形、圆片形、方块形等。根据形状的不同可设计不同的样品支架。(5)可自动进行多次测量，并计算出平均值。即根据多次激光能量来计算每条数据记录，并重复测量n次后，软件系统自动计算出测量结果的平均值。(6)可将测量结果保存并导入到EXCEL文件并将测量数据进行表格或图形分析。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的测量原理图。

图中：1、激光器；2、剪式升降及三维调节台；3、滤光片；4、可变小孔光阑；5、积分球；6、样品；7、样品支架；8、入口光阑；9、出口光阑；10、散射光探头；11、挡光板；12、透射光探头；13、光学平台；14、激光电源；15、激光水冷机；16、工控机。

具体实施方式

作为本实用新型的一种实施方式，如图1所示，一种散射系数测量系统，包括光学平台13，所述光学平台13上设置有激光器1、滤光片3、可变小孔光阑4、积分球5、透射光探头12和散射光探头10，所述积分球5的入口光阑8和出口光阑9位于积分球5同一条水平轴线的两端，所述激光器1、滤光片3、可变小孔光阑4、积分球5和透射光探头12依次排列，所述激光器1通过剪式升降及三维调节台2安装在光学平台13上，所述滤光片3、可变小孔光阑4和透射光探头12分别通过支架安装在光学平台13上。

所述激光器1为双级灯泵电光调Q Nd:YAG激光器，双级灯泵电光调Q Nd:YAG激光器为两级放大后通过Nd:YAG激光棒发出激光光斑，可按1～10Hz的频率进行发射激光，具有内控和外控两种方式，并且可改变波长1064nm和532nm波长，532nm为绿光。激光器1发射的激光依次穿过滤光片3、可变小孔光阑4、积分球5的入口光阑8和出口光阑9射到透射光探头12上。所述可变小孔光阑4为Φ1～Φ8mm光阑，它可以改变入射到积分球5内样品6的光斑大小，即改变入射光能量大小。所述积分球5为300mm积分球，放置样品6(棒形、圆片形、方块形)前后，入射激光经过透过能量和散射能量采集。透过孔径和激光入射孔径相同，并在沿激光光路的入射孔的另一端；而散射孔为经过在积分球5内沿各个方向发散后汇集到散射孔。积分球5的内壁设置有超细颗粒F4粉料涂层，反射率和反射均匀性均高于硫酸钡涂层，同时长时间使用不易发黄，保证系统测量的长期稳定性和一致性。作为优选，本系统还设置有红光指示器，红光指示器的红光与激光器1的激光光斑同轴。打开红光指示器开关，红光通过激光器1沿激光光路，通过光阑入射到积分球5。红光指示器为He-Ne激光器，它与双级灯泵电光调Q Nd:YAG激光器属于不同的两部份，但同属于光路部份，红光需要调试到与激光同轴。因为1064nm波长的激光为不可见光，红光主要是对激光光路起到可见指示作用。所述滤光片3为1064nm窄带滤光片，可以避免指示及杂散光干扰。

所述散射光探头10位于积分球5的顶端，积分球5的内部设置有样品支架7，所述样品支架7位于散射光探头10的正下方，并能使放置其上的样品6位于积分球5的中心位置，散射光探头10与样品支架7之间设置有挡光板11。将样品6架放在积分球5内，使用透射光探头12和散射光探头10同步采集透过能量和散射能量，避免能量损耗到积分球5外面，可使测量更准确，并且可测量多种材质和形状的光学材料的散射系数和吸收系数。所述激光器1与控制其开关的激光电源14电连，按指定频率发送激光，可开双灯或单灯激光，可内控或外控，激光频率为1～10Hz。激光电源14与控制其温度的激光水冷机15电连，激光水冷机15主要控制激光电源14温度，一般控制在常温20℃左右即可。激光电源14连接工控机16并由工控机16进行控制，透射光探头12和散射光探头10通过USB连接器连接工控机16。

在工控机16内采用控制软件进行控制，如利用电机旋转进行波长切换，使用控制卡给出激光信号，按指定激光重复次数进行测量能量后记录结果，并按测量次数重复测量后计算平均值。得出在软件界面上直观的测量结果后，可在EXCEL文件中进行图形分析和数据处理。

如图2所示，将两面镀有1064nm增透膜的激光材料样品6至于积分球5中心，让一束1064nm波长的激光射入积分球5并单程通过样品6。设总的激光输入功率为P_i，激光材料散射和吸收的功率分别用P_s和P_a，表示，同时材料的表面反射损耗用r表示(一般镀AR膜时，r≤0.2％)。如果经测量，穿过样品6的激光功率为P_T，则有：

P_I＝(P_i-P_R-P_a-P_s)(1-r).             (1)

另一方面，根据Lambert-Beer定律，有：

P_T＝(1-r)·(P_i-P_R)·exp[-α·L]，(2)

上式(2)中的α表示总损耗系数，即α＝α_a+α_s，α_a、α_s分别表示材料的吸收系数和散射系数，L为材料样品的长度。而样品表面剩余反射的功率P_R可写为：

P_R＝r·P_i.                  (3)

分析沿光束在材料内部传播距离dx，其功率损耗dP的情况，显然损耗来自于各种因素导致的散射和吸收，分别表示为dP_s和dP_a。显然，dP可以表征为：

-dP(x)＝(α_a+α_s)P(x)dx＝dP_a(x)+dP_s(x)，     (4)

此处：dP_a(x)＝α_aP(x)dx，                    (5)

d_Ps(x)＝α_sP(x)dx.                           (6)

联立(5)、(6)和(1)式，可得：

$P_a=\frac{{\mathrm{\α}}_a}{{\mathrm{\α}}_a+{\mathrm{\α}}_s}\·(1-r)\·P_i\·\{1-\exp [-({\mathrm{\α}}_a+{\mathrm{\α}}_s)\·L\left]\right\},---\left(7\right)$

$P_s=\frac{{\mathrm{\α}}_s}{{\mathrm{\α}}_a+{\mathrm{\α}}_s}\·(1-r)\·P_i\·\{1-\exp [-({\mathrm{\α}}_a+{\mathrm{\α}}_s)\·L\left]\right\}.---\left(8\right)$

则有： $\frac{P_a}{P_s}=\frac{{\mathrm{\α}}_a}{{\mathrm{\α}}_s}.---\left(9\right)$

代(3)、(9)式入.(1)式，得到：

$\frac{P_s}{P_i}\·(1+\frac{{\mathrm{\α}}_a}{{\mathrm{\α}}_s})+\frac{P_T}{P_i(1-r)}=1-r.---\left(10\right)$

而P_T/P_i的比值可从(2)中导出：

$\frac{P_T}{P_i}{=(1-r)}^2\·\exp [-({\mathrm{\α}}_a+{\mathrm{\α}}_s)\·L].---\left(11\right)$

解公式(10)和(11)，可分别得到散射系数α_s和吸收系数α_a：

$a_s=\frac{P_s/P_i\·(1-r)}{[{(1-r)}^2-P_T/P_i]\·L}\·\ln \left(\frac{{(1-r)}^2}{P_T/P_i}\right),---\left(12\right)$

$a_a=(\frac{{(1-r)}^2-P_T/P_i}{(1-r)\·P_s/P_i}-1)\·a_s.---\left(13\right)$

如果我们能够测出入射功率Pi、散射功率Ps和透过功率Pt，再测出激光材料样品的长度L及表面镀膜的剩余反射率r，则可根据(12)式和(13)式计算出材料的散射系数α_s，以及吸收系数α_a，也可得到材料的总损耗系数值。

本系统是基于光、机、电集成于一体对各种光学材料的基本参数进行测量的一种测量系统，根据材料的材质不同，所测得的散射系数不同；另外根据光学材料的形状不同，其测量结果也有不同，影响测量结果的因素有：材料的长度、厚度、直径及剩余反射率等；影响测量结果的硬件因素有：如激光频率、光阑大小、能量探头离透射孔和散射孔的距离等因素。为了减小硬件因素对测量结果的影响，本系统的测量方法中需要对本系统进行初始化。如不同电压、不同频率、不同光阑的情况下，初始化测量出对应的总输入能量Pin0，单位为mJ，然后堵住光通过的透过孔，让入射光全部反向到散射口，测出总散射能量Ps0，单位为uJ，然后计算出总的散射系数比值PsK＝Pin0*1000/Ps0。

在使用并测量过程中，实际测得散射能量为Ps，代入初始化散射系数比值后计算公式Ps1＝PsK*Ps，在计算公式中实际参与计算的散射能量为Ps1。

利用本系统进行散射系数的测量方法如下：

(1)系统初始化，测量不同电压、不同激光频率、不同光阑直径条件下总输入能量Pin0和总散射能量Ps0，并计算出散射系数比值PsK＝Pin0*1000/Ps0。

(2)调整好光路，安装好通光光阑，不放样品，按指定激光重复次数、测量次数，测出总输入能量的平均值Pi。

(3)打开积分球仓门，放入样品，调整好光路，尽量让红光通过晶体的端面按原路返回到光阑孔径的中心，按指定激光重复次数、测量次数，测出总透过能量的平均值Pt和总散射能量的平均值Ps，并计算得Ps1＝PsK*Ps；PsK为当前测量条件的系数。

(4)系统将Ps1代入公式中，按照公式计算出散射系数和吸收系数。

Claims (10)

1.一种散射系数测量系统，包括光学平台，其特征在于：所述光学平台上设置有激光器、可变小孔光阑、积分球、透射光探头和散射光探头，所述积分球的入口光阑和出口光阑位于积分球同一条水平轴线的两端，所述激光器、可变小孔光阑、积分球和透射光探头依次排列，使激光器发射的激光能依次穿过可变小孔光阑、积分球的入口光阑和出口光阑射到透射光探头上，所述散射光探头位于积分球的顶端，积分球的内部设置有样品支架，所述样品支架位于散射光探头的正下方，并能使放置其上的样品位于积分球的中心位置，激光器由工控机控制，透射光探头和散射光探头通过USB连接器连接工控机。

2.根据权利要求1所述的散射系数测量系统，其特征在于：所述激光器与控制其开关的激光电源电连，激光电源与控制其温度的激光水冷机电连，激光电源连接工控机并由工控机进行控制。

3.根据权利要求1或2所述的散射系数测量系统，其特征在于：还设置有红光指示器，红光指示器的红光通过激光器后与激光器的激光光斑同轴。

4.根据权利要求3所述的散射系数测量系统，其特征在于：所述散射光探头与样品支架之间设置有挡光板。

5.根据权利要求4所述的散射系数测量系统，其特征在于：所述激光器与可变小孔光阑之间设置有滤光片。

6.根据权利要求5所述的散射系数测量系统，其特征在于：所述滤光片为1064nm窄带滤光片。

7.根据权利要求6所述的散射系数测量系统，其特征在于：所述激光器为双级灯泵电光调Q Nd:YAG激光器。

8.根据权利要求7所述的散射系数测量系统，其特征在于：所述积分球为300mm积分球，所述积分球的内壁设置有超细颗粒F4粉料涂层。

9.根据权利要求8所述的散射系数测量系统，其特征在于：所述激光器通过剪式升降及三维调节台安装在光学平台上。

10.根据权利要求9所述的散射系数测量系统，其特征在于：所述滤光片、可变小孔光阑和透射光探头分别通过支架安装在光学平台上。

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