一种测量材料非线性吸收曲线的方法技术

本发明专利技术公开了一种测量材料非线性吸收曲线的方法，所述的方法采用晶体倍频系统和色散棱镜获得所需的单波长激光，然后通过长焦透镜提高入射激光强度，采用科学级CCD相机记录入射激光的能量和光斑尺寸，通过能量计测得出射激光能量，获得了待测样品的非线性吸收曲线。本发明专利技术的测量材料非线性吸收曲线的方法提高了非线性吸收曲线的测量范围，简化了非线性吸收曲线测量系统，实现了多波长、宽范围、高精度非线性吸收曲线测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于强激光与物质相互作用领域，具体涉及一种测量材料非线性吸收曲线的方法。
技术介绍
当光通过材料时，光与材料中的原子、电子等相互作用造成光的吸收；在弱光条件下材料的吸收系数为常数，此时的吸收为线性吸收；强光辐照时材料的吸收随激光强度变化，表现出非线性吸收特性：吸收系数随入射光强的增加而减小的现象称为饱和吸收；吸收系数随入射光强的增加而增加的为反饱和吸收。材料的非线性吸收在强激光中扮演着重要角色，利用材料的饱和吸收特性可以实现激光脉冲压缩，利用材料的反饱和吸收特性可以制作光限幅等光学器件。然而，在高功率激光系统中材料的非线性吸收是引起损伤的关键环节，成为制约高功率激光系统能量提升的主要瓶颈。因此，研究材料的非线性吸收特性具有十分重要的意义，而准确测量材料的非线性吸收曲线是研究的基础和关键。材料的非线性吸收多归结为材料的多光子吸收，材料的非线性吸收和入射波长有关，研究材料的非线性吸收时需测量不同波长入射时的非线性吸收曲线。激光通过材料时，材料对光的吸收会引起其透过率的变化，材料的透过率随入射激光强度的变化可以表征材料的非线性吸收。测量材料的非线性吸收曲线通常采用Z-扫描技术，Z-扫描技术采用透镜聚焦获得强度沿Z向变化的激光，通过改变样品在Z向的位置获得其非线性吸收曲线，Z-扫描技术降低了测量非线性吸收曲线时对激光器输出能量的要求，但此方法适用于厚度较小的样品，且样品在Z向移动时激光入射晶体的位置也将变化，不可避免地引入测量误差。随着高功率激光技术的发展，透过率测量法也得到了广泛应用，透过率测量法将待测样品位置固定，通过不断提高入射激光强度测量材料的透过率曲线，利用材料透过率的变化反映其非线性吸收特性，该方法对样品厚度无严格限制，测量时样品位置固定，误差较小。测量材料的非线性吸收曲线时通常利用分光板获得较小比例的入射激光并利用能量计检测，能量计有一定的响应阈值，低能量激光入射时能量计难以响应，这就限制了非线性吸收曲线的测量范围，并且还需单独测量入射激光光斑尺寸，增加了测量装置的复杂性。目前，亟需改进非线性透过率测量法，提高测量范围，简化测量系统。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种测量材料非线性吸收曲线的方法。本专利技术的测量材料非线性吸收曲线的方法，其特点是，该测量材料非线性吸收曲线的方法采用的测量装置包括脉冲激光器、晶体倍频系统、色散棱镜、长焦透镜、光阑、分光板Ⅰ、分光板Ⅱ、衰减片、科学级CCD相机、待测样品和能量计，脉冲激光器发射脉冲激光，通过晶体倍频系统射入色散棱镜，获得单波长激光，单波长激光经长焦透镜和光阑后形成聚焦激光，聚焦激光入射至分光板Ⅰ，分光板Ⅰ的反射激光Ⅰ经分光板Ⅱ反射成反射激光Ⅱ，反射激光Ⅱ至衰减片透射出反射激光Ⅲ，反射激光Ⅲ进入科学级CCD相机；分光板Ⅰ的透射激光Ⅰ经待测样品成为透射激光Ⅱ进入能量计；所述的长焦透镜的焦距f、待测样品的厚度h和单波长激光的光斑直径d之间比例为f/h≥100，f/d≥100；所述的待测样品到长焦透镜焦点的距离L与待测样品的厚度h之比为L/h≥30；所述的科学级CCD相机的感光面到长焦透镜的折线距离为s，s=f-L；所述的测量材料非线性吸收曲线的方法的测量步骤如下：1a.脉冲激光器发射脉冲激光，调整晶体倍频系统中的KDP类晶体的匹配角度，直至脉冲激光的倍频转换效率达到最大值；1b.确定衰减片的衰减效率；1c.移除待测样品，从低到高，级数为n，n≥10，逐级调整脉冲激光器发射的脉冲激光能量，记录反射激光Ⅲ在科学级CCD相机上的光斑P10–光斑P1n的灰度分布，同时记录能量计的读数 Ein(P10)-Ein(P1n)；1d.放置待测样品，从低到高，级数为n，n≥10，逐级调整脉冲激光器发射的脉冲激光能量，记录反射激光Ⅲ在科学级CCD相机上的光斑P20-光斑P2n的灰度分布，同时记录能量计的读数Eout(P20)-Eout(P2n)；1e.根据光斑的灰度分布信息绘制光斑上各点的灰度和位置的关系曲线G(X, Y)，根据该曲线计算光斑灰度Gs和光斑面积S，得到光斑P10–光斑P1n对应的Gs(P10)-Gs(P1n)和S(P10)-S(P1n)，光斑P20-光斑P2n对应的Gs(P20)-Gs(P2n)和S(P20)-S(P2n)；1f.将步骤1c的Ein(P10)-Ein(P1n)和步骤1e的GA(P10)-GA(P1n)一一对应，通过曲线拟合获得Ein(GA)；1g.利用Ein(GA)计算待测样品的GA(P20)-GA(P2n)对应的Ein(P20)-Ein(P2n)；1h.通过T=Ein/Eout计算待测样品的透过率，得到T(P20)-T(P2n)；1i.通过Iin= Ein/(τ·S)计算激光强度（τ为激光的脉宽），得到Iin(P20)- Iin(P2n)；1j.将步骤1h的T(P20)-T(P2n)和步骤1i的Iin(P20)- Iin(P2n)一一对应，通过曲线拟合获得T(Iin)。所述的步骤1b包括以下步骤：2a.脉冲激光器发射的脉冲激光能量最低时衰减片为多片，通过科学级CCD相机上观察光斑的灰度，光斑灰度值低于科学级CCD相机的饱和灰度；2b.逐渐提高脉冲激光器发射的脉冲激光能量直至最大，衰减片的数量不变，通过科学级CCD相机观察光斑的灰度，光斑灰度值低于科学级CCD相机的饱和灰度；2c.逐片减少衰减片的数量，通过科学级CCD相机观察光斑的灰度的变化，直至科学级CCD相机上的光斑灰度值为科学级CCD相机的饱和灰度的65%-95%，此时的光斑灰度值为灰度最大值。所述的步骤1e包括以下步骤：3a.计算光斑灰度时在光斑周围选取一固定的统计范围，光斑位于该范围中心，统计范围面积是光斑面积的2-5倍，光斑灰度QUOTE ，G0为图像本底信号；3b.G(X, Y)为矩形分布曲线时，所述的矩形光束的面积为光斑的面积S；G(X, Y)为高斯分布时，将高斯光束引起的非线性效应线性平均，光斑的等效面积QUOTE，Gp为光斑的峰值灰度。所述的脉冲激光器发射的脉冲激光的脉宽为皮秒或纳秒量级，脉冲激光的波长范围为1053 nm或1064 nm。所述的晶体倍频系统包括一片或一片以上的串联排列的KDP类晶体。所述的测量材料非线性吸收曲线的装置放置在暗室中的减震光学平台上，科学级CCD相机的周围无杂散光干扰。所述的分光板Ⅰ和分光板Ⅱ的材料为融石英，反射率为4%。所述的晶体倍频系统能够实现基频光的二倍频、三倍频、四倍频及五倍频激光输出，并通过色散棱镜选取不同波长的单波长激光。所述的长焦透镜的焦距f与光斑直径d之间比例f/d≥100，能够减小样品厚度引起的样品前后表面光斑尺寸差异的绝对值。所述的光阑放置于长焦透镜后，通过光阑控制单波长激光光斑的形状和口径，可以获得形状较为规则、灰度较为均匀的聚焦激光。所述的待测样品对入射激光有一定的透过率，而且待测样品到长焦透镜焦点的距离L与待测样品的厚度h之比为L/h≥30，能够减小样品厚度引起的样品前后表面光斑尺寸差异的相对值。所述的科学级CCD相机具有较低的响应阈值和较宽的响应波段，利用科学级CCD相机检测反射激光Ⅲ的能量和光斑，s=f-L使得科学级CCD相机感光面上反射激光Ⅲ的光斑尺寸与待测样品上透射激本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量材料非线性吸收曲线的方法，其特征在于，该测量材料非线性吸收曲线的方法采用的测量装置包括脉冲激光器（1）、晶体倍频系统（2）、色散棱镜（3）、长焦透镜（4）、光阑（5）、分光板Ⅰ（6）、分光板Ⅱ（7）、衰减片（8）、科学级CCD相机（9）、待测样品（10）和能量计（11），脉冲激光器（1）发射脉冲激光，通过晶体倍频系统（2）射入色散棱镜（3），获得单波长激光，单波长激光经长焦透镜（4）和光阑（5）后形成聚焦激光，聚焦激光入射至分光板Ⅰ（6），分光板Ⅰ（6）的反射激光Ⅰ经分光板Ⅱ（7）反射成反射激光Ⅱ，反射激光Ⅱ至衰减片（8）透射出反射激光Ⅲ，反射激光Ⅲ进入科学级CCD相机（9）；分光板Ⅰ（6）的透射激光Ⅰ经待测样品（10）成为透射激光Ⅱ进入能量计（11）；所述的长焦透镜（4）的焦距f、待测样品（10）的厚度h和单波长激光的光斑直径d之间比例为f/h≥100，f/d≥100；所述的待测样品（10）到长焦透镜（4）焦点的距离L与待测样品（10）的厚度h之比为L/h≥30；所述的科学级CCD相机（9）的感光面到长焦透镜（4）的折线距离为s，s=f‑L；所述的测量材料非线性吸收曲线的方法的测量步骤如下：1a.脉冲激光器（1）发射脉冲激光，调整晶体倍频系统（2）中的KDP类晶体的匹配角度，直至脉冲激光的倍频转换效率达到最大值；1b.确定衰减片（8）的衰减效率；1c.移除待测样品（10），从低到高，级数为n，n≥10，逐级调整脉冲激光器（1）发射的脉冲激光能量，记录反射激光Ⅲ在科学级CCD相机（9）上的光斑P10–光斑P1n的灰度分布，同时记录能量计（11）的读数Ein(P10)‑Ein(P1n)；1d.放置待测样品（10），从低到高，级数为n，n≥10，逐级调整脉冲激光器（1）发射的脉冲激光能量，记录反射激光Ⅲ在科学级CCD相机（9）上的光斑P20‑光斑P2n的灰度分布，同时记录能量计（11）的读数Eout(P20)‑Eout(P2n)；1e.根据光斑的灰度分布信息绘制光斑上各点的灰度和位置的关系曲线G(X,Y)，根据该曲线计算光斑灰度Gs和光斑面积S，得到光斑P10‑光斑P1n对应的Gs(P10)‑Gs(P1n)和S(P10)‑S(P1n)，光斑P20‑光斑P2n对应的Gs(P20)‑Gs(P2n)和S(P20)‑S(P2n)；1f.将步骤1c的Ein(P10)‑Ein(P1n)和步骤1e的GA(P10)‑GA(P1n)一一对应，通过曲线拟合获得Ein(GA)；1g.利用Ein(GA)关系计算待测样品（10）的GA(P20)‑GA(P2n)对应的Ein(P20)‑Ein(P2n)；1h.通过T=Ein/Eout计算待测样品（10）的透过率，得到T(P20)‑T(P2n)；1i.通过Iin= Ein/(τ·S)计算激光强度（τ为激光的脉宽），得到Iin(P20)‑ Iin(P2n)；1j.将步骤1h的T(P20)‑T(P2n)和步骤1i的Iin(P20)‑ Iin(P2n)一一对应，通过曲线拟合获得T(Iin)。...

【技术特征摘要】
1.一种测量材料非线性吸收曲线的方法，其特征在于，该测量材料非线性吸收曲线的方法采用的测量装置包括脉冲激光器（1）、晶体倍频系统（2）、色散棱镜（3）、长焦透镜（4）、光阑（5）、分光板Ⅰ（6）、分光板Ⅱ（7）、衰减片（8）、科学级CCD相机（9）、待测样品（10）和能量计（11），脉冲激光器（1）发射脉冲激光，通过晶体倍频系统（2）射入色散棱镜（3），获得单波长激光，单波长激光经长焦透镜（4）和光阑（5）后形成聚焦激光，聚焦激光入射至分光板Ⅰ（6），分光板Ⅰ（6）的反射激光Ⅰ经分光板Ⅱ（7）反射成反射激光Ⅱ，反射激光Ⅱ至衰减片（8）透射出反射激光Ⅲ，反射激光Ⅲ进入科学级CCD相机（9）；分光板Ⅰ（6）的透射激光Ⅰ经待测样品（10）成为透射激光Ⅱ进入能量计（11）；所述的长焦透镜（4）的焦距f、待测样品（10）的厚度h和单波长激光的光斑直径d之间比例为f/h≥100，f/d≥100；所述的待测样品（10）到长焦透镜（4）焦点的距离L与待测样品（10）的厚度h之比为L/h≥30；所述的科学级CCD相机（9）的感光面到长焦透镜（4）的折线距离为s，s=f-L；所述的测量材料非线性吸收曲线的方法的测量步骤如下：1a.脉冲激光器（1）发射脉冲激光，调整晶体倍频系统（2）中的KDP类晶体的匹配角度，直至脉冲激光的倍频转换效率达到最大值；1b.确定衰减片（8）的衰减效率；1c.移除待测样品（10），从低到高，级数为n，n≥10，逐级调整脉冲激光器（1）发射的脉冲激光能量，记录反射激光Ⅲ在科学级CCD相机（9）上的光斑P10–光斑P1n的灰度分布，同时记录能量计（11）的读数Ein(P10)-Ein(P1n)；1d.放置待测样品（10），从低到高，级数为n，n≥10，逐级调整脉冲激光器（1）发射的脉冲激光能量，记录反射激光Ⅲ在科学级CCD相机（9）上的光斑P20-光斑P2n的灰度分布，同时记录能量计（11）的读数Eout(P20)-Eout(P2n)；1e.根据光斑的灰度分布信息绘制光斑上各点的灰度和位置的关系曲线G(X,Y)，根据该曲线计算光斑灰度Gs和光斑面积S，得到光斑P10-光斑P1n对应的Gs(P10)-Gs(P1n)和S(P10)-S(P1n)，光斑P20-光斑P2n对应的Gs(P20)-Gs(P2n)和S(P20)-S(P2n)；1f.将步骤1c的Ein(P10)-Ein(P1n)和步骤1e的GA(P10)-GA(P1n)一一对应，通过曲线拟合获得Ein(GA)；1g.利...

【专利技术属性】
技术研发人员：柴向旭，李富全，朱启华，冯斌，冯曦，王芳，敬域堃，王礼权，向勇，韩伟，李恪宇，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心，
类型：发明
国别省市：四川;51