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专利号: 201811056374X
申请人: 江苏大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-08-07
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种自动确定最优入射光强的Z扫描测量方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1,系统初始化:根据实际测量需要,以及激光器参数设置Z扫描装置中器件的初始值;

步骤2,预扫描:为确定最优的测量光强,对待测样品(23)进行预扫描;

步骤3,测量开孔、闭孔数据:测量相应的开孔透过曲线和闭孔透射曲线,以此来计算出待测样品的非线性吸收系数和非线性折射系数;

步骤4,监测部分:对于测量过程中遇到的影响因素进行监测,发现异常及时处理;

步骤5,数据处理:根据所测量的数据进行相应处理,得到所需的待测样品的非线性吸收系数和非线性折射系数;

所述步骤2的具体实现包括:

将所述的待测样品(23)置于电动平台(34)上,调整待测样品(23)的测量面垂直于主光轴,即z轴,第一汇聚透镜(22)的焦点处为z=0;计算机(38)同时启动所述的电动平台(34),衰减片控制器(31),第三光电探测器(37),所述的电动平台(34)用来改变待测样品(23)的位置,沿激光前进方向为正向,反方向为负向,所述的衰减片控制器(31)对电控激光衰减片(21)进行透过率连续的改变,所述的第三光电探测器(37)输出的光强信号为透射闭孔数据;所述的待测样品(23)在初始位置为z=0处,所述的计算机(38)控制衰减片控制器(31)对电控激光衰减片(21)进行透过率连续的改变,透过率从0%连续改变至100%,与此同时计算机(38)同步采集第三光电探测器(37)输出的光强信号曲线I1(x),其中x=0,1,2,

3……,100,分别对应透过率0%,1%,2%......,100%;所述的计算机(38)控制电动平台(34)将所述的待测样品(23)移动至负向端点-10z0处,定义z0=πω02/λ为光束共焦长度,其中λ为入射激光波长,ω0=2λf/πd为激光束腰半径,f为第一汇聚透镜(22)的焦距,d为第一汇聚透镜(22)处的光斑直径;所述的计算机(38)控制衰减片控制器(31)对电控激光衰减片(21)进行透过率连续的改变,透过率从0%连续改变至100%,与此同时计算机(38)同步采集第三光电探测器(37)输出的光强信号曲线I2(x),其中x=0,1,2,3……,100,分别对应透过率0%,1%,2%......,100%;令T1(x)=I1(x)/I2(x),其中x=0,1,2,3……,100,找出T1(x)=0.95对应的点x0,通过所述的计算机(38)控制衰减片控制器(31)对电控激光衰减片(21)的透过率调节到x0%,此时入射到所述的待测样品(23)上的光强为此样品的最优入射光强。

2.根据权利要求1所述的一种自动确定最优入射光强的Z扫描测量方法,其特征在于,所述步骤1的具体实现包括:

根据实际测量需要,选择合适激光器,根据激光器自身参数调节第一偏振片(16)来控制入射到待测样品(23)的能量范围,同时调节第一可调衰减片(27)、第二可调衰减片(35),保证在电控激光衰减片(21)透过率为100%的情况下,待测样品(23)和光电倍增管(28)、第三光电探测器(37)不会损坏;通过计算机(38)设置所述的光电倍增管(28)、第二光电探测器(30)、电动平台(34)、第三光电探测器(37)的采样频率、采样点数和激光器(1)同步工作;

根据实际样品发光波长通过计算机(38)设置光学多道分析仪(33)的光谱采集范围。

3.根据权利要求1所述的一种自动确定最优入射光强的Z扫描测量方法,其特征在于,所述步骤3的具体实现包括:

将所述的待测样品(23)置于电动平台(34)上,调整待测样品(23)的测量面垂直于所述的主光轴,即z轴,所述的第一汇聚透镜(22)的焦点处为z=0;所述的计算机(38)控制同时启动光电倍增管(28)、电动平台(34)、第三光电探测器(37),所述的待测样品(23)从负向端点-10z0处沿主光轴向正向移动,经过第一汇聚透镜(22)的焦点z=0,运动范围20z0;所述的光电倍增管(28),第三光电探测器(37)将探测的光强信号输送至计算机(38)处;采集的光电倍增管(28),第三光电探测器(37)的输出光强信号分别为闭孔数据和开孔数据;以采集的光强值为纵坐标,z为横坐标,记录为闭孔曲线Ica(zn)和开孔曲线Ioa(zn),其中n=1,2,

3……,N,zn为各采样点的横坐标,z1~zn的坐标值对应为-10z0~+10z0,焦点处的横坐标值为zn=0,N为采样点数。

4.根据权利要求1所述的一种自动确定最优入射光强的Z扫描测量方法,其特征在于,所述步骤4的具体实现包括:

第一光电探测器(29)发射出的激光脉冲波形输入至示波器(39),示波器(39)将状态信息反馈给计算机(38);根据示波器(39)呈现的信号可以监测由激光器(1)发射出的脉冲激光是否锁模完好,以此来判断由激光器(1)所发出的激光是否符合条件,如出现锁模异常,则判断此次Z扫描数据不可靠;第二光电探测器(30)将探测的光强信号实时输送至计算机(38)处,在Z扫描过程中,采集第二光电探测器(30)的输出光强信号为入射激光的功率监测曲线,如该曲线波动范围超过设定阈值,则判断此次Z扫描实验数据不可靠;若待测样品(23)为发光材料,则在Z扫描过程中可同时监测双光子荧光光谱,光学多道分析仪(33)将探测的光谱数据输送至计算机(38)处,采集到的所述的光谱数据横坐标为波长,纵坐标为光强,如在Z扫描过程中,特别是扫描至z=0处附近时,双光子荧光光谱发生明显谱型变化,则判断此次Z扫描实验数据不可靠;如监测过程中出现上述异常,则系统自动放弃此次Z扫描数据,重新开始新的Z扫描的测量操作。

5.根据权利要求1所述的一种自动确定最优入射光强的Z扫描测量方法,其特征在于,所述步骤5的具体实现包括:

试验参数的确定:待测样品(23)处的入射光功率Ps可以通过第二光电探测器(30)所测量得到的光功率P2进行换算:Ps=P2*9*x0%;对闭孔曲线Ica(zn)和开孔曲线Ioa(zn)n=1,2,

3……,N,进行归一化处理;将上述两个曲线中的纵坐标值分别除以相应的z1处的纵坐标值,分别得到样品的归一化闭孔透射曲线Tca(zn)和Toa(zn),其中n=1,2,3……,N;取n0为N/

2的整数部分,令Tca(n0)和Toa(n0)对应的横坐标为0,也就是焦点处;

利用归一化透过率T(z)与实验参数的相关性,所述实验参数包括非线性折射系数γ、非线性吸收系数β、光束强度分布、光束时间特性、光波频率ω、孔径大小S、透镜焦距f、光束共焦长度z0、束腰半径w0、光功率密度I0、样品厚度L,在满足合理近似情况下,归一化透过率Tca(zn)写成如下式:

其中,x=zn/z0是按共焦长度z0归一化了的无量纲位置参数,ΔΦ=kγI0Leff为非线性折射引起的相移,k=2πn0/λ为光波矢,γ为非线性折射系数,I0为入射光强,Leff=[1-exp(-α0L)]/α0,为样品的有效长度,α0为材料的线性吸收系数;上式中只有一个γ为未知量,通过拟合得出非线性折射系数γ的值。

6.根据权利要求5所述的一种自动确定最优入射光强的Z扫描测量方法,其特征在于,步骤5的具体实现还包括:所述非线性吸收系数β由开孔情况下归一化的开孔透射曲线Toa(zn),取焦点z0=0处开孔透射率值Toa(0),带入下式计算得到待测样品(23)的非线性吸收系数β:

其中,Leff=[1-exp(-α0L)]/α0,为样品的有效长度,α0为材料的线性吸收系数,L为样品厚度,I0为入射光强。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种自动确定最优入射光强的Z扫描测量方法,其特征在于,所述步骤1-5的实现利用计算机编程实现一键操作,自动化测量。