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专利号: 2020101273209
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:

1.一种非线性光学吸收截面测量方法,其特征在于,包括如下:

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非线性光学泵浦探测装置中部分器件的初始值;

具体实现如下:

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斩波器(3)来控制入射到待测样品(17)的激光重复频率;调节第二偏振片(5)的偏振方向为竖直,调节第一偏振片(4)来调节整个光路的入射能量,保证在第一衰减片(9)、第二衰减片(21)透过率为100%的情况下,所述的待测样品(17)、光功率计(30)、光学多道分析仪(19)不会损坏;调节第九反射镜(28)、第四会聚透镜(29),使激光会聚于所述的待测样品(17)的后表面,调节第二衰减片(21)使激光能量略低于在所述的待测样品(17)中产生双光子吸收的能量阈值;调节第一会聚透镜(10)使激光会聚于重水池(11)的中心位置,调节第一衰减片(9)使所述的重水池(11)产生稳定的白光;调节第二会聚透镜(14)使白光平行出射,调节第三会聚透镜(16)使白光会聚于所述的待测样品(17),且与第四会聚透镜(29)会聚光束产生有效重合;调节高性能线性平移台(A)使所述的非简并泵浦光路和所述的非简并探测光路同步;调节第五会聚透镜(33)使激光会聚于所述的待测样品(17),且会聚点与所述的非简并光路不重合,调节第十反射镜(41)使参考光路经过所述的待测样品(17),且不和所述的简并光路和非简并光路重合,分别调节第一光信号收集系统(18)、第二光信号收集系统(34)、第三光信号收集系统(42)使光学多道分析仪(19)接收到的信号最强;

步骤2、测量非线性吸收光谱:非线性吸收光谱包括非简并吸收光谱和简并吸收光谱,测量过程同时进行;

具体实现如下:

非线性吸收光谱测量

装置开机后,待所述的激光器(1)输出稳定后,所述的第三会聚透镜(16)出射的激光与所述的第四会聚透镜(29)出射的激光在所述的待测样品(17)中以小角度重合;在装置初始化的基础上,所述的第一衰减片(9)、第二可调衰减片(21)、第一会聚透镜(10)、第二会聚透镜(14)、第三会聚透镜(16)、第四会聚透镜(29)、第五会聚透镜(33)、第一光信号收集系统(18)、第二光信号收集系统(34)、第三光信号收集系统(42)、高性能线性平移台(A)均通过电脑(20)逐个循环进行优化;直至所述的光学多道分析仪(19)所接收的所述的第一光信号收集系统(18)、第二光信号收集系统(34)、第三光信号收集系统(42)的信号皆为最强为止;

此时,通过所述的电脑(20)设置采样积分时间和采样次数,通过所述的光学多道分析仪(19)同时对所述的第一光信号收集系统(18)、第二光信号收集系统(34)、第三光信号收集系统(42)的光信号进行多次采集存储,分别得到所述待测样品(17)的非简并透射光谱P1、简并透射光谱P2、参考光谱P3;然后将所述的待测样品(17)从装置中取出,放入事先配好的不含待测样品的参比样品(50),通过所述的光学多道分析仪(19)同时对所述的第一光信号收集系统(18)、第二光信号收集系统(34)、第三光信号收集系统(42)的光信号进行多次采集存储,分别得到所述参比样品(50)的非简并透射光谱P4、简并透射光谱P5、参考光谱P6;

步骤3、监测:对于测量过程中可能遇到的影响因素进行监测,发现异常及时处理;具体实现如下:测量过程中,电脑(20)实时通过所述的光学多道分析仪(19)对所述的第三光信号收集系统(42)的光信号进行反复采集存储;通过对数据的实时分析得到装置的工作状态,如果测量过程中前后两次得到的数据差别较大,则自动放弃步骤2所测得数据;所述的电脑(20)实时通过所述的光功率计(30)进行实时监测,如果测量过程中功率发生变化,说明激光器不稳定,则自动放弃步骤2所测得数据;

步骤4、数据处理:根据实验所得数据进行相应处理,得到待测样品(17)的非简并吸收光谱和简并吸收光谱;

具体如下:

将实验得到的所述的待测样品(17)的非简并透射光谱P1、简并透射光谱P2分别逐点对照参考光谱P3进行归一化处理,分别得到归一化非简并透射光谱P1’、归一化简并透射光谱P2’;

将实验得到的所述的参比样品(50)的非简并透射光谱P4、简并透射光谱P5分别逐点对照参考光谱P6进行归一化处理,分别得到归一化非简并透射光谱P4’、归一化简并透射光谱P5’;

将归一化的非简并透射光谱P1’减去归一化的非简并透射光谱P4’得到所述的待测样品(17)的相对非简并吸收光谱X1;将归一化的简并透射光谱P2’减去归一化的简并透射光谱P5’得到所述的待测样品(17)的相对简并吸收光谱X2;

下面计算波长λ处的绝对吸收截面:

探测光的归一化透过率Q’(τd)与归一化延迟时间τd的关系为:

其中,W=wp/we为探测光脉冲宽度与泵浦光脉冲宽度的比值,erf(τ)作为误差函数,定义为:ρ为泵浦光和探测光之间的群速度失配参数,可以由色散关系得到:

其中,dn为折射率变化,dλ为波长变化,λ表示波长,n表示折射率,下标p表示泵浦光,下标e表示探测光,c表示光速;

针对溶液色散关系未知,因此将ρ作为拟合参数;另一拟合参数γ和非简并双光子吸收系数βND的关系表示为:0

其中,L为样品厚度,n1和n2为泵浦光和探测光的线性折射率,I1为焦点处泵浦光的峰值功率密度,由所述的光功率计30得到的功率进行换算;

非简并双光子吸收截面δND与非简并双光子吸收系数βND之间的关系为:

其中,h为普朗克常数,v1和v2为泵浦光和探测光的光子频率,NA为阿伏伽德罗常数,C为样品浓度;

通过(1)式对实验数据进行拟合,得到拟合参数γ,由γ值通过(4)式求得非简并双光子吸收系数βND,进而由(5)式得到非简并双光子吸收截面δND;

将所述的相对非简并吸收光谱X1和相对简并吸收光谱X2在整个光谱区按照相应比例放大,得到相应的绝对非简并吸收截面谱X3和绝对简并吸收截面谱X4。

2.根据权利要求1所述的一种非线性光学吸收截面测量方法,其特征在于,所述激光器自身参数包括输出功率大小,脉冲频率。

3.根据权利要求1所述的一种非线性光学吸收截面测量方法,其特征在于,所述小角度为5°‑15°。

4.根据权利要求1所述的一种非线性光学吸收截面测量方法,其特征在于,所述步骤2、3、4的具体实现可以在软件中实现一键控制,实现测量过程自动化。