專利名稱：一種測量激光工作介質散射系數與吸收系數的裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于激光工作介質表征與評估領域，特別涉及一種測量激光工作介質散射系數與吸收系數的裝置。
背景技術：
自1960年世界上第一臺激光器誕生以來，各類激光器及激光技術的發展極為迅速。激光技術在各個領域，特別是科學研究以及國防建設等領域得到了廣泛的應用，已經成為現代科學技術及社會發展的重要支柱之一。其中激光二極管泵浦的固體激光器(laserdiode pumped solid state laser, LDPSSL或DPL),即全固態激光器憑借其體積小和重量輕的特點發展尤為突出，在材料加工、軍事與醫學等方面呈現出巨大的應用前景。在全固態激光技術及其相關領域的發展中，固體激光工作物質的開發和選取是研究基礎和先導，高性能的激光工作介質對于產生高性能的激光輸出具有決定性的作用。損 耗是評價激光工作介質激光性能的重要參數，直接影響其激光輸出特性，激光工作介質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內部的缺陷(如氣孔、晶界等)引起；吸收損耗由激光工作介質中雜質離子的吸收引起；損耗系數為定量評價樣品損耗大小的參數，為了揭示引起材料損耗的原因，改進其制備方案降低損耗，需要定量測量材料的損耗系數，由于總損耗系數不能區分造成損耗的具體原因，因此需要分別測試其散射系數與吸收系數。目前激光工作介質的損耗測量方法可分為三種吸收系數測量、總損耗系數測量，以及散射系數與吸收系數測量，其中前兩種方法能評價材料的吸收特性或總損耗，但均不能全面的評價材料的損耗特性，為此我們曾研制了一臺能實現散射系數與吸收系數測量的損耗測量儀器2，即上述第三種損耗測量方法。該方法能測量樣品的散射系數與吸收系數，從而能定量、全面的評價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試樣品的散射率與透過率，透過率測量誤差較大；并且理論計算過程未考慮激光工作介質端面對泵浦光的菲涅爾損耗，利用泵浦光在材料內部單程傳輸近似計算散射系數與吸收系數，精確度較低。本發明考慮材料端面菲涅爾損耗以及測試激光在樣品內部多次反射與吸收的復雜情況精確推導了樣品散射系數與吸收系數的精確計算公式，為了提高測量精度本發明將測試激光器由原有的單一脈沖激光器改為可選擇輸出連續激光或脈沖激光的可調激光器，利用高穩定性連續波激光與高峰值功率的脈沖激光分別測量樣品的透過率和散射率。與現有損耗系數測量方法相比，本發明能測量激光工作介質散射系數與吸收系數，精確度高，能更好的表征激光工作介質的光學性能，從而為激光工作介質制備方法及參數的改進等提供重要參考。

發明內容
本發明針對現有激光工作介質損耗測量技術的不足，提供一種能精確測量激光工作介質散射系數與吸收系數的裝置，本發明精確推導了散射系數與吸收系數的計算公式，利用高穩定性的連續波激光和高峰值功率的脈沖激光分別測量激光工作介質的總透過率與總散射率，從而提高了測量精度。本發明所采用的技術方案為本發明提供的一種測量激光材料散射系數與吸收系數的裝置，包括測試激光器I、積分球2、光電探測器3與示波器4。如圖I所示，積分球為一支撐架固定支撐的內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有透過球壁的入光孔、出光孔和探測孔三個圓孔；所述入光孔及出光孔分別位于所述積分球左側球壁和右側球壁上，所述入光孔和出光孔的中心連線為水平線，并且穿過所述積分球球心；所述測試激光器I和激光功率計7分別置于所述入光孔外側和出光孔外側；所述光電探測器3位于所述探測孔外側，并與探測孔相連；待測激光工作介質由固定支撐裝置6固定在積分球中央；測試激光器發出的測試 激光從入光孔入射，并垂直入射至待測激光工作介質一端面，從待測激光工作介質另一端面及出光孔出射；入射激光能全部通過待測激光工作介質且面積盡可能大的覆蓋待測激光工作介質；入射激光功率為P”經樣品入射端面反射、樣品內部散射、吸收后經輸出端面透射，總反射功率為ρκ，總散射功率為ps，總吸收功率為Pa;總透過功率為Pt ；由激光功率計7測量入射激光功率Pi以及出射光功率Pt，則，待測激光工作介質(樣品)對測試激光的總
Pt
透過率T7 =古;不放樣品時，使功率為Pi的脈沖激光入射積分球，由光電探測器3測得脈
沖信號強度為Di ;放入樣品，使脈沖激光Pi入射樣品后出射，由光電探測器3測得功率為Ps
P D
的散射脈沖信號強度為Ds，樣品總散射率$ = =本發明根據激光工作介質散射與吸收特性關系，考慮樣品多次反射與吸收的復雜情況，推導了樣品總損耗系數α、散射系數a s與吸收系數a a的精確計算公式
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度。利用總透過率T與總散射率S測量值以及散射系數、吸收系數計算公式(I)至(3)式，可以精確測試樣品的損耗系數。上述技術方案中，所述測試激光器I可以實現高穩定性連續激光輸出或高峰值功率脈沖激光輸出兩種輸出方式，或者由連續與脈沖兩種激光器組成。上述技術方案中，測試激光器輸出中心波長為待測激光工作介質的非本征吸收波段。上述技術方案中，測量待測激光工作介質總透過率T時測試激光器為連續激光輸出，測量樣品總散射率S時，測試激光器為脈沖激光輸出。上述技術方案中，所述積分球為光度測量中采用的中空球體，內壁涂有白色漫反射材料，采用不易變形以及不易受外界環境影響的材料制成，球壁上三個孔，分別用作入光孔、出光孔與探測孔，球外形尺寸以及開孔位置為外半徑R1X內半徑R2;積分球任一直徑D1左端一個半徑為R3的入光孔(圓孔)8、右端一個半徑為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。上述技術方案中，所述積分球內壁為良好的球面，涂以理想的漫反射材料(即滿反射系數接近于I的材料)，如氧化鎂或硫酸鋇。上述技術方案中，所述電探測器以及所述示波器均為本行業常用的商業探測器與示波器，對測試激光波長有響應。上述技術方案中，所述樣品端面總反射率R具體確定方法為考慮測試激光在樣品內多次反射與吸收的復雜情況，樣品端面總反射率
權利要求
1.一種測量激光材料散射系數與吸收系數的裝置，其包括測試激光器、積分球、光電探測器、激光功率計及示波器組成；其特征在于， 所述的積分球為一支撐架固定支撐的內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有透過球壁的入光孔、出光孔和探測孔三個圓孔；所述入光孔及出光孔分別位于所述積分球左側球壁和右側球壁上，所述入光孔和出光孔的中心連線為水平線，并且穿過所述積分球球心； 所述測試激光器和激光功率計分別置于所述入光孔外側和出光孔外側； 所述光電探測器位于所述探測孔外側，并與探測孔相連； 待測激光工作介質由固定支撐裝置固定在積分球中央；測試激光器發出的測試激光從入光孔入射，并垂直入射至待測激光工作介質一端面，從待測激光工作介質另一端面及出光孔出射；入射激光能全部通過待測激光工作介質且面積盡可能大的覆蓋待測激光工作介質； 由激光功率計測量入射激光功率Pi和出射激光功率Ρτ，則待測激光工作介質對入射激 光的總透過率
2.按權利要求I所述的測量激光工作介質散射系數與吸收系數的裝置，其特征在于，所述的測試激光器為連續激光輸出激光器、脈沖激光輸出激光器或為二者的組合。
3.按權利要求I所述的測量激光工作介質散射系數與吸收系數的裝置，其特征在于，測試激光器輸出中心波長為待測激光工作介質的非本征吸收波段。
4.按權利要求2所述的測量激光工作介質散射系數與吸收系數的裝置，其特征在于，測量待測激光工作介質的總透過率T時，測試激光器為連續激光輸出激光器；測量待測激光工作介質的總散射率S時，測試激光器為脈沖激光輸出激光器。
全文摘要
一種測量激光材料散射系數與吸收系數的裝置，其由測試激光器、積分球、光電探測器、激光功率計及示波器組成；空心積分球內壁涂白色漫反射層；球壁上設入光孔、出光孔和探測孔；入光孔及出光孔位于積分球左、右側球壁上，入光孔和出光孔中心連線為水平線且穿過球心；測試激光器和激光功率計分別置于入光孔和出光孔外側；光電探測器位于探測孔外側與探測孔相連；待測激光工作介質樣品固定在積分球中央；測試激光器發出的測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；利用樣品的總透過率與總散射率測量值以及散射系數、吸收系數計算式，得出待測試樣品的損耗系數；其精確度高，可更好表征激光工作介質的光學性能。
文檔編號G01N21/31GK102890071SQ20111036893
公開日2013年1月23日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年7月18日
發明者許祖彥, 申玉, 薄勇, 宗楠, 彭欽軍 申請人:中國科學院理化技術研究所