晶体材料光吸收系数的测量方法

摘要

本发明涉及光吸收系数测量领域，特别是一种晶体材料光吸收系数的测量方法；抽运激光照射装置起到了热变透镜效应中激励光的作用，通过高功率的抽运光入射到晶体表面，使其产生热形变；干涉仪发射出一个标准平面波其通过被抽运激光作用的晶体表面后，平面反射镜将标准平面波按原路反射回来，这时干涉仪接收到是携带有两次晶体表面形貌信息的波阵面，利用相位解包算法算出因抽运光的照射引起的晶体表面形变量，通过公式算出晶体材料的光吸收系数；本发明设计原理科学，设计合理，各部件加工方便，测量精度高。

说明书

 

技术领域

本发明涉及光吸收系数测量领域，特别是一种晶体材料光吸收系数的测量方法。

背景技术

在神光Ⅲ工程中，倍频器件和电光开关是大功率激光器的关键部件，而大尺寸优质KDP晶体又是倍频器件和电光开关的关键材料；其材料质量、元件加工质量都很大程度影响装置最终指标的实现。

大口径晶体在生产过程中由于材料纯度、生产工艺等原因，会产生绿带等杂质，影响晶体的光吸收均匀性，从而影响晶体的频率转换效率；导致晶体内部热吸收不均匀，产生较大的变形；致使三倍频出射光能量不均匀，无法估计总体的效率及到达靶点的能量；因此研究激光晶体材料的光吸收系数对激光输出及频率转换效率的影响具有重要的指导意义和应用价值。

1986年，杨学志等人在中华人民共和国机械行业标准中发表了一种光学晶体光吸收系数测量方法，该干法通过当光束垂直入射光学晶体时，出射光强与入射光强满足下式公式                                                ，其中为入射光强，为入射光强，为光学晶体的白光吸收系数，为光通过晶体的路程，为晶体的反射系数；通过测量晶体对光的透过率及晶体长度，代入上述公式可以算出晶体的吸收系数；但该方法测量精度不高，无法满足现在测量晶体材料吸收系数的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量精度高，设计合理，各部件加工方便的晶体材料光吸收系数的测量方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种晶体材料光吸收系数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将高功率的抽运光入射到晶体表面，使其产生热形变；

步骤2、用干涉仪发射出一个标准平面波，平面波通过被抽运激光作用的晶体表面后，经平面反射镜将平面波按原路反射回来，再次经过晶体表面后进入干涉仪，并与标准平面波相遇发生干涉，得到干涉图；其中干涉仪与晶体角度和平面反射镜与晶体角度相同。

步骤3、根据干涉图，通过相位解包算法得到晶体表面的热形变量，通过建立晶体热形变与吸收系数的理论模型得到晶体的吸收系数。

实现本发明的原理是：本发明从分析晶体热效应机理出发，通过建立符合实际工作条件的热模型和边界条件，利用半解析分析方法得到热形变量h与其吸收系数α的关系，再运用干涉仪测量晶体的热形变量，即可以得到晶体的吸收系数。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

1、采用干涉仪进行高精度的热形变测量，进而得到高精度的晶体吸收系数。

2、可以满足各种不同口径晶体的吸收系数的测量要求。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是晶体材料光吸收系数的测量方法流程图。

图2是抽运激光照射晶体的变形模型图。

图3是菲索干涉仪测量示意图。

图4是晶体材料光吸收系数的测量方法示意图。

具体实施方式

结合图1，测量晶体材料光吸收系数的方法，步骤如下：

步骤1：结合图2，抽运激光装置1由抽运激光器和样品组成。抽运激光装置1位于晶体2的正上方垂直照射。当抽运激光照射晶体时，晶体2会吸收激光的能量，其中的绝大部分能量转换为晶体2的热变形，形变量h与晶的属性及其吸收系数有关。为此建立了晶体热形变与其吸收系数的理论模型，该理论模型是在一些假设条件上建立的，这些条件为：1)晶体采用侧向热沉，假定晶体侧面温度保持不变；2)热流线径向假设：由于晶体热沉的导热系数远远大于晶体，使得晶体轴向热流远小于径向热流，故可认为在晶体中只存在径向热流；3)由于晶体端面与空气对流散热及辐射散热都很小，忽略端面散热。如果上述条件有所变化，那所推导的物理模型要进行相应的改善才能满足。所以该理论模型的好坏直接影响着吸收系数的测量精度。因此，要通过对单端泵浦晶体的分析，建立符合工作条件下激光晶体的动态温场模型，并通过热传导方程和边界条件，得出了激光晶体内部温度场的半解析解，同时分析各种参量对温度场的影响，再由温度场分布得到晶体单面的形变量，进而推导出晶体吸收系数与形变量的动态关系模型。

步骤2：结合图3，干涉测量装置主要是由菲索干涉仪5和平面反射镜4组成。抽运激光照射晶体产生热形变，菲索干涉仪5的出射平行光以45度角照射在热形变区，反射光线经与晶体2成45度角放置的平面反射镜4后重新照射到热形变区，再次反射后与菲索干涉仪的参考光形成干涉，通过CCD6接收得到干涉条纹。

由于干涉系统和被测晶体2端面是呈45度角的斜入射状态，与传统的正入射测量时得到的光程差与矢高的关系有不同之处。假设平面反射镜4是不含面形误差的，h为晶体2面形的矢高大小，l为由待测晶体2引起的光程差变化，则光程差与矢高的关系为：

                           

其中θ为入射角（45°）

步骤3、由CCD6采集得到的干涉条纹，通过相位解包算法，得出光程差，通过上式关系即可测得晶体2形变的矢高大小。

下面必须建立晶体2热形变即矢高与吸收系数的关系：

由热传导理论可知，在温度场稳态条件下，晶体2内每单位体积热源功率为：

                            （1）

为激光晶体对抽运激光功率的吸收系数，Pin表示抽运激光功率，wp为抽运激光光束口径的直径，为抽运激光导致晶体2热变形区域的径向距离，为晶体2热变形区域的轴向距离。

晶体2内部的热流函数与晶体2内每单位体积热源功率的关系满足：                                   （2）

因此                       （3）

又因在晶体2内热流与相应的晶体2内温度场分布的关系为

                                          （4）

其中Kc为晶体2的热传导率。

故                     （5）

晶体2内温差分布为：            （6）

为温度场边界半径。

而晶体2的z方向dz范围内的热变形膨胀量与其内部的温差分布的关系为：

                       （7）

式中为激光晶体z向热膨胀系数。

激光晶体抽运端面温升较大，而后部温升较小，可假设后表面无热形变，则晶体2沿z向上总的热膨胀量，即抽运端热变形膨胀量为

                                           （8）

其中c为晶体2的厚度。

将（6）式代入（8）式，可得到晶体2由于吸收激光能量引起的端面形变量h与其吸收系数为：

              （9）

               （10）

其中为抽运激光导致晶体2热变形区域内某径向距离处的端面形变量，为抽运激光导致晶体2热变形区域内的吸收系数，为激光晶体z向热膨胀系数，c为晶体2的厚度，Pin表示抽运激光功率，wp为抽运激光光束口径的直径，Kc为晶体2的热传导率，为由于晶体2吸收激光能量产生的温度场边界半径。

由以上分析可知，在抽运激光作用到光学晶体表面后，等到晶体2吸收激光能量产生的温度场达到热平衡以后，只要能精确测量到晶体2吸收端面由于热变形引起的变形膨胀量，再根据式子（10）就可以得到该抽运激光作用区域的晶体2对光的吸收系数。

本发明的检测晶体材料光吸收系数的工作过程为：抽运激光发出的激光束照射到晶体2表面产生热形变，由菲索干涉仪5发出的平行光以45度角照射到晶体热形变区，经与晶体呈45度角放置的平面反射镜4反射后又重新回到晶体热形变区，最终的出射光与菲索干涉仪5的参考光束发生干涉，计算机7控制图像采集卡根据软件需要采集干涉条纹，经软件包计算，获得晶体元件的表面形变。

本发明设计原理科学，结构设计合理，各部件加工方便，整个构件稳定、可靠。只要将各组件与晶体元件的位置以后即可通过计算机7获取晶体光吸收系数的相关结果。