專利名稱：一種測(cè)量激光工作介質(zhì)散射系數(shù)與吸收系數(shù)的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光工作介質(zhì)表征與評(píng)估領(lǐng)域，特別涉及一種測(cè)量激光工作介質(zhì)散射系數(shù)與吸收系數(shù)的裝置。
背景技術(shù)：
自1960年世界上第一臺(tái)激光器誕生以來(lái)，各類激光器及激光技術(shù)的發(fā)展極為迅速。激光技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域，特別是科學(xué)研究以及國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)及社會(huì)發(fā)展的重要支柱之一。其中激光二極管泵浦的固體激光器(laserdiode pumped solid state laser, LDPSSL或DPL),即全固態(tài)激光器憑借其體積小和重量輕的特點(diǎn)發(fā)展尤為突出，在材料加工、軍事與醫(yī)學(xué)等方面呈現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。在全固態(tài)激光技術(shù)及其相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展中，固體激光工作物質(zhì)的開(kāi)發(fā)和選取是研究基礎(chǔ)和先導(dǎo)，高性能的激光工作介質(zhì)對(duì)于產(chǎn)生高性能的激光輸出具有決定性的作用。損 耗是評(píng)價(jià)激光工作介質(zhì)激光性能的重要參數(shù)，直接影響其激光輸出特性，激光工作介質(zhì)的損耗主要分為兩部分散射損耗與吸收損耗。散射損耗由激光工作介質(zhì)內(nèi)部的缺陷(如氣孔、晶界等)引起；吸收損耗由激光工作介質(zhì)中雜質(zhì)離子的吸收引起；損耗系數(shù)為定量評(píng)價(jià)樣品損耗大小的參數(shù)，為了揭示引起材料損耗的原因，改進(jìn)其制備方案降低損耗，需要定量測(cè)量材料的損耗系數(shù)，由于總損耗系數(shù)不能區(qū)分造成損耗的具體原因，因此需要分別測(cè)試其散射系數(shù)與吸收系數(shù)。目前激光工作介質(zhì)的損耗測(cè)量方法可分為三種吸收系數(shù)測(cè)量、總損耗系數(shù)測(cè)量，以及散射系數(shù)與吸收系數(shù)測(cè)量，其中前兩種方法能評(píng)價(jià)材料的吸收特性或總損耗，但均不能全面的評(píng)價(jià)材料的損耗特性，為此我們?cè)兄屏艘慌_(tái)能實(shí)現(xiàn)散射系數(shù)與吸收系數(shù)測(cè)量的損耗測(cè)量?jī)x器2，即上述第三種損耗測(cè)量方法。該方法能測(cè)量樣品的散射系數(shù)與吸收系數(shù)，從而能定量、全面的評(píng)價(jià)材料的散射性能與吸收性能，不足之處為利用單一脈沖激光測(cè)試樣品的散射率與透過(guò)率，透過(guò)率測(cè)量誤差較大；并且理論計(jì)算過(guò)程未考慮激光工作介質(zhì)端面對(duì)泵浦光的菲涅爾損耗，利用泵浦光在材料內(nèi)部單程傳輸近似計(jì)算散射系數(shù)與吸收系數(shù)，精確度較低。本發(fā)明考慮材料端面菲涅爾損耗以及測(cè)試激光在樣品內(nèi)部多次反射與吸收的復(fù)雜情況精確推導(dǎo)了樣品散射系數(shù)與吸收系數(shù)的精確計(jì)算公式，為了提高測(cè)量精度本發(fā)明將測(cè)試激光器由原有的單一脈沖激光器改為可選擇輸出連續(xù)激光或脈沖激光的可調(diào)激光器，利用高穩(wěn)定性連續(xù)波激光與高峰值功率的脈沖激光分別測(cè)量樣品的透過(guò)率和散射率。與現(xiàn)有損耗系數(shù)測(cè)量方法相比，本發(fā)明能測(cè)量激光工作介質(zhì)散射系數(shù)與吸收系數(shù)，精確度高，能更好的表征激光工作介質(zhì)的光學(xué)性能，從而為激光工作介質(zhì)制備方法及參數(shù)的改進(jìn)等提供重要參考。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有激光工作介質(zhì)損耗測(cè)量技術(shù)的不足，提供一種能精確測(cè)量激光工作介質(zhì)散射系數(shù)與吸收系數(shù)的裝置，本發(fā)明精確推導(dǎo)了散射系數(shù)與吸收系數(shù)的計(jì)算公式，利用高穩(wěn)定性的連續(xù)波激光和高峰值功率的脈沖激光分別測(cè)量激光工作介質(zhì)的總透過(guò)率與總散射率，從而提高了測(cè)量精度。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為本發(fā)明提供的一種測(cè)量激光材料散射系數(shù)與吸收系數(shù)的裝置，包括測(cè)試激光器I、積分球2、光電探測(cè)器3與示波器4。如圖I所示，積分球?yàn)橐恢渭芄潭ㄖ蔚膬?nèi)壁涂有白色漫反射材料層的空腔球體；該空腔球體的球壁上設(shè)有透過(guò)球壁的入光孔、出光孔和探測(cè)孔三個(gè)圓孔；所述入光孔及出光孔分別位于所述積分球左側(cè)球壁和右側(cè)球壁上，所述入光孔和出光孔的中心連線為水平線，并且穿過(guò)所述積分球球心；所述測(cè)試激光器I和激光功率計(jì)7分別置于所述入光孔外側(cè)和出光孔外側(cè)；所述光電探測(cè)器3位于所述探測(cè)孔外側(cè)，并與探測(cè)孔相連；待測(cè)激光工作介質(zhì)由固定支撐裝置6固定在積分球中央；測(cè)試激光器發(fā)出的測(cè)試 激光從入光孔入射，并垂直入射至待測(cè)激光工作介質(zhì)一端面，從待測(cè)激光工作介質(zhì)另一端面及出光孔出射；入射激光能全部通過(guò)待測(cè)激光工作介質(zhì)且面積盡可能大的覆蓋待測(cè)激光工作介質(zhì)；入射激光功率為P”經(jīng)樣品入射端面反射、樣品內(nèi)部散射、吸收后經(jīng)輸出端面透射，總反射功率為ρκ，總散射功率為ps，總吸收功率為Pa;總透過(guò)功率為Pt ；由激光功率計(jì)7測(cè)量入射激光功率Pi以及出射光功率Pt，則，待測(cè)激光工作介質(zhì)(樣品)對(duì)測(cè)試激光的總
Pt
透過(guò)率T7 =古;不放樣品時(shí)，使功率為Pi的脈沖激光入射積分球，由光電探測(cè)器3測(cè)得脈
沖信號(hào)強(qiáng)度為Di ;放入樣品，使脈沖激光Pi入射樣品后出射，由光電探測(cè)器3測(cè)得功率為Ps
P D
的散射脈沖信號(hào)強(qiáng)度為Ds，樣品總散射率$ = =本發(fā)明根據(jù)激光工作介質(zhì)散射與吸收特性關(guān)系，考慮樣品多次反射與吸收的復(fù)雜情況，推導(dǎo)了樣品總損耗系數(shù)α、散射系數(shù)a s與吸收系數(shù)a a的精確計(jì)算公式
R 2Ta = \n(-, b)!L(I)
-(\-Rbf+^(\-Rby+4T2Rb2as =~S a(2)
s I-R-Taa = a-as(3)式中Rb，R，L分別為樣品端面反射率、樣品總反射率以及樣品長(zhǎng)度。利用總透過(guò)率T與總散射率S測(cè)量值以及散射系數(shù)、吸收系數(shù)計(jì)算公式(I)至(3)式，可以精確測(cè)試樣品的損耗系數(shù)。上述技術(shù)方案中，所述測(cè)試激光器I可以實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性連續(xù)激光輸出或高峰值功率脈沖激光輸出兩種輸出方式，或者由連續(xù)與脈沖兩種激光器組成。上述技術(shù)方案中，測(cè)試激光器輸出中心波長(zhǎng)為待測(cè)激光工作介質(zhì)的非本征吸收波段。上述技術(shù)方案中，測(cè)量待測(cè)激光工作介質(zhì)總透過(guò)率T時(shí)測(cè)試激光器為連續(xù)激光輸出，測(cè)量樣品總散射率S時(shí)，測(cè)試激光器為脈沖激光輸出。上述技術(shù)方案中，所述積分球?yàn)楣舛葴y(cè)量中采用的中空球體，內(nèi)壁涂有白色漫反射材料，采用不易變形以及不易受外界環(huán)境影響的材料制成，球壁上三個(gè)孔，分別用作入光孔、出光孔與探測(cè)孔，球外形尺寸以及開(kāi)孔位置為外半徑R1X內(nèi)半徑R2;積分球任一直徑D1左端一個(gè)半徑為R3的入光孔(圓孔)8、右端一個(gè)半徑為R4的出光孔(圓孔)9，積分球球壁任意位置半徑為R5的探測(cè)孔(圓孔)10;為方便樣品操作，積分球沿與直徑D1呈α角截面分成兩部分。上述技術(shù)方案中，所述積分球內(nèi)壁為良好的球面，涂以理想的漫反射材料(即滿反射系數(shù)接近于I的材料)，如氧化鎂或硫酸鋇。上述技術(shù)方案中，所述電探測(cè)器以及所述示波器均為本行業(yè)常用的商業(yè)探測(cè)器與示波器，對(duì)測(cè)試激光波長(zhǎng)有響應(yīng)。上述技術(shù)方案中，所述樣品端面總反射率R具體確定方法為考慮測(cè)試激光在樣品內(nèi)多次反射與吸收的復(fù)雜情況，樣品端面總反射率
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量激光材料散射系數(shù)與吸收系數(shù)的裝置，其包括測(cè)試激光器、積分球、光電探測(cè)器、激光功率計(jì)及示波器組成；其特征在于， 所述的積分球?yàn)橐恢渭芄潭ㄖ蔚膬?nèi)壁涂有白色漫反射材料層的空腔球體；該空腔球體的球壁上設(shè)有透過(guò)球壁的入光孔、出光孔和探測(cè)孔三個(gè)圓孔；所述入光孔及出光孔分別位于所述積分球左側(cè)球壁和右側(cè)球壁上，所述入光孔和出光孔的中心連線為水平線，并且穿過(guò)所述積分球球心； 所述測(cè)試激光器和激光功率計(jì)分別置于所述入光孔外側(cè)和出光孔外側(cè)； 所述光電探測(cè)器位于所述探測(cè)孔外側(cè)，并與探測(cè)孔相連； 待測(cè)激光工作介質(zhì)由固定支撐裝置固定在積分球中央；測(cè)試激光器發(fā)出的測(cè)試激光從入光孔入射，并垂直入射至待測(cè)激光工作介質(zhì)一端面，從待測(cè)激光工作介質(zhì)另一端面及出光孔出射；入射激光能全部通過(guò)待測(cè)激光工作介質(zhì)且面積盡可能大的覆蓋待測(cè)激光工作介質(zhì)； 由激光功率計(jì)測(cè)量入射激光功率Pi和出射激光功率Ρτ，則待測(cè)激光工作介質(zhì)對(duì)入射激 光的總透過(guò)率
2.按權(quán)利要求I所述的測(cè)量激光工作介質(zhì)散射系數(shù)與吸收系數(shù)的裝置，其特征在于，所述的測(cè)試激光器為連續(xù)激光輸出激光器、脈沖激光輸出激光器或?yàn)槎叩慕M合。
3.按權(quán)利要求I所述的測(cè)量激光工作介質(zhì)散射系數(shù)與吸收系數(shù)的裝置，其特征在于，測(cè)試激光器輸出中心波長(zhǎng)為待測(cè)激光工作介質(zhì)的非本征吸收波段。
4.按權(quán)利要求2所述的測(cè)量激光工作介質(zhì)散射系數(shù)與吸收系數(shù)的裝置，其特征在于，測(cè)量待測(cè)激光工作介質(zhì)的總透過(guò)率T時(shí)，測(cè)試激光器為連續(xù)激光輸出激光器；測(cè)量待測(cè)激光工作介質(zhì)的總散射率S時(shí)，測(cè)試激光器為脈沖激光輸出激光器。
全文摘要
一種測(cè)量激光材料散射系數(shù)與吸收系數(shù)的裝置，其由測(cè)試激光器、積分球、光電探測(cè)器、激光功率計(jì)及示波器組成；空心積分球內(nèi)壁涂白色漫反射層；球壁上設(shè)入光孔、出光孔和探測(cè)孔；入光孔及出光孔位于積分球左、右側(cè)球壁上，入光孔和出光孔中心連線為水平線且穿過(guò)球心；測(cè)試激光器和激光功率計(jì)分別置于入光孔和出光孔外側(cè)；光電探測(cè)器位于探測(cè)孔外側(cè)與探測(cè)孔相連；待測(cè)激光工作介質(zhì)樣品固定在積分球中央；測(cè)試激光器發(fā)出的測(cè)試激光從入光孔入射，并垂直入射至樣品一端面，從樣品另一端面及出光孔出射；利用樣品的總透過(guò)率與總散射率測(cè)量值以及散射系數(shù)、吸收系數(shù)計(jì)算式，得出待測(cè)試樣品的損耗系數(shù)；其精確度高，可更好表征激光工作介質(zhì)的光學(xué)性能。
文檔編號(hào)G01N21/31GK102890071SQ20111036893
公開(kāi)日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月18日
發(fā)明者許祖彥, 申玉, 薄勇, 宗楠, 彭欽軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所