专利名称：一种测量激光工作介质散射系数与吸收系数的装置的制作方法
技术领域：
本发明属于激光工作介质表征与评估领域，特别涉及一种测量激光工作介质散射系数与吸收系数的装置。
背景技术：
自1960年世界上第一台激光器诞生以来，各类激光器及激光技术的发展极为迅速。激光技术在各个领域，特别是科学研究以及国防建设等领域得到了广泛的应用，已经成为现代科学技术及社会发展的重要支柱之一。其中激光二极管泵浦的固体激光器(laserdiode pumped solid state laser, LDPSSL或DPL),即全固态激光器凭借其体积小和重量轻的特点发展尤为突出，在材料加工、军事与医学等方面呈现出巨大的应用前景。在全固态激光技术及其相关领域的发展中，固体激光工作物质的开发和选取是研究基础和先导，高性能的激光工作介质对于产生高性能的激光输出具有决定性的作用。损 耗是评价激光工作介质激光性能的重要参数，直接影响其激光输出特性，激光工作介质的损耗主要分为两部分散射损耗与吸收损耗。散射损耗由激光工作介质内部的缺陷(如气孔、晶界等)引起；吸收损耗由激光工作介质中杂质离子的吸收引起；损耗系数为定量评价样品损耗大小的参数，为了揭示引起材料损耗的原因，改进其制备方案降低损耗，需要定量测量材料的损耗系数，由于总损耗系数不能区分造成损耗的具体原因，因此需要分别测试其散射系数与吸收系数。目前激光工作介质的损耗测量方法可分为三种吸收系数测量、总损耗系数测量，以及散射系数与吸收系数测量，其中前两种方法能评价材料的吸收特性或总损耗，但均不能全面的评价材料的损耗特性，为此我们曾研制了一台能实现散射系数与吸收系数测量的损耗测量仪器2，即上述第三种损耗测量方法。该方法能测量样品的散射系数与吸收系数，从而能定量、全面的评价材料的散射性能与吸收性能，不足之处为利用单一脉冲激光测试样品的散射率与透过率，透过率测量误差较大；并且理论计算过程未考虑激光工作介质端面对泵浦光的菲涅尔损耗，利用泵浦光在材料内部单程传输近似计算散射系数与吸收系数，精确度较低。本发明考虑材料端面菲涅尔损耗以及测试激光在样品内部多次反射与吸收的复杂情况精确推导了样品散射系数与吸收系数的精确计算公式，为了提高测量精度本发明将测试激光器由原有的单一脉冲激光器改为可选择输出连续激光或脉冲激光的可调激光器，利用高稳定性连续波激光与高峰值功率的脉冲激光分别测量样品的透过率和散射率。与现有损耗系数测量方法相比，本发明能测量激光工作介质散射系数与吸收系数，精确度高，能更好的表征激光工作介质的光学性能，从而为激光工作介质制备方法及参数的改进等提供重要参考。
发明内容
本发明针对现有激光工作介质损耗测量技术的不足，提供一种能精确测量激光工作介质散射系数与吸收系数的装置，本发明精确推导了散射系数与吸收系数的计算公式，利用高稳定性的连续波激光和高峰值功率的脉冲激光分别测量激光工作介质的总透过率与总散射率，从而提高了测量精度。本发明所采用的技术方案为本发明提供的一种测量激光材料散射系数与吸收系数的装置，包括测试激光器I、积分球2、光电探测器3与示波器4。如图I所示，积分球为一支撑架固定支撑的内壁涂有白色漫反射材料层的空腔球体；该空腔球体的球壁上设有透过球壁的入光孔、出光孔和探测孔三个圆孔；所述入光孔及出光孔分别位于所述积分球左侧球壁和右侧球壁上，所述入光孔和出光孔的中心连线为水平线，并且穿过所述积分球球心；所述测试激光器I和激光功率计7分别置于所述入光孔外侧和出光孔外侧；所述光电探测器3位于所述探测孔外侧，并与探测孔相连；待测激光工作介质由固定支撑装置6固定在积分球中央；测试激光器发出的测试 激光从入光孔入射，并垂直入射至待测激光工作介质一端面，从待测激光工作介质另一端面及出光孔出射；入射激光能全部通过待测激光工作介质且面积尽可能大的覆盖待测激光工作介质；入射激光功率为P”经样品入射端面反射、样品内部散射、吸收后经输出端面透射，总反射功率为ρκ，总散射功率为ps，总吸收功率为Pa;总透过功率为Pt ；由激光功率计7测量入射激光功率Pi以及出射光功率Pt，则，待测激光工作介质(样品)对测试激光的总
Pt
透过率T7 =古;不放样品时，使功率为Pi的脉冲激光入射积分球，由光电探测器3测得脉
冲信号强度为Di ;放入样品，使脉冲激光Pi入射样品后出射，由光电探测器3测得功率为Ps
P D
的散射脉冲信号强度为Ds，样品总散射率$ = =本发明根据激光工作介质散射与吸收特性关系，考虑样品多次反射与吸收的复杂情况，推导了样品总损耗系数α、散射系数a s与吸收系数a a的精确计算公式
R 2Ta = \n(-, b)!L(I)
-(\-Rbf+^(\-Rby+4T2Rb2as =~S a(2)
s I-R-Taa = a-as(3)式中Rb，R，L分别为样品端面反射率、样品总反射率以及样品长度。利用总透过率T与总散射率S测量值以及散射系数、吸收系数计算公式(I)至(3)式，可以精确测试样品的损耗系数。上述技术方案中，所述测试激光器I可以实现高稳定性连续激光输出或高峰值功率脉冲激光输出两种输出方式，或者由连续与脉冲两种激光器组成。上述技术方案中，测试激光器输出中心波长为待测激光工作介质的非本征吸收波段。上述技术方案中，测量待测激光工作介质总透过率T时测试激光器为连续激光输出，测量样品总散射率S时，测试激光器为脉冲激光输出。上述技术方案中，所述积分球为光度测量中采用的中空球体，内壁涂有白色漫反射材料，采用不易变形以及不易受外界环境影响的材料制成，球壁上三个孔，分别用作入光孔、出光孔与探测孔，球外形尺寸以及开孔位置为外半径R1X内半径R2;积分球任一直径D1左端一个半径为R3的入光孔(圆孔)8、右端一个半径为R4的出光孔(圆孔)9，积分球球壁任意位置半径为R5的探测孔(圆孔)10;为方便样品操作，积分球沿与直径D1呈α角截面分成两部分。上述技术方案中，所述积分球内壁为良好的球面，涂以理想的漫反射材料(即满反射系数接近于I的材料)，如氧化镁或硫酸钡。上述技术方案中，所述电探测器以及所述示波器均为本行业常用的商业探测器与示波器，对测试激光波长有响应。上述技术方案中，所述样品端面总反射率R具体确定方法为考虑测试激光在样品内多次反射与吸收的复杂情况，样品端面总反射率
权利要求
1.一种测量激光材料散射系数与吸收系数的装置，其包括测试激光器、积分球、光电探测器、激光功率计及示波器组成；其特征在于， 所述的积分球为一支撑架固定支撑的内壁涂有白色漫反射材料层的空腔球体；该空腔球体的球壁上设有透过球壁的入光孔、出光孔和探测孔三个圆孔；所述入光孔及出光孔分别位于所述积分球左侧球壁和右侧球壁上，所述入光孔和出光孔的中心连线为水平线，并且穿过所述积分球球心； 所述测试激光器和激光功率计分别置于所述入光孔外侧和出光孔外侧； 所述光电探测器位于所述探测孔外侧，并与探测孔相连； 待测激光工作介质由固定支撑装置固定在积分球中央；测试激光器发出的测试激光从入光孔入射，并垂直入射至待测激光工作介质一端面，从待测激光工作介质另一端面及出光孔出射；入射激光能全部通过待测激光工作介质且面积尽可能大的覆盖待测激光工作介质； 由激光功率计测量入射激光功率Pi和出射激光功率Ρτ，则待测激光工作介质对入射激 光的总透过率
2.按权利要求I所述的测量激光工作介质散射系数与吸收系数的装置，其特征在于，所述的测试激光器为连续激光输出激光器、脉冲激光输出激光器或为二者的组合。
3.按权利要求I所述的测量激光工作介质散射系数与吸收系数的装置，其特征在于，测试激光器输出中心波长为待测激光工作介质的非本征吸收波段。
4.按权利要求2所述的测量激光工作介质散射系数与吸收系数的装置，其特征在于，测量待测激光工作介质的总透过率T时，测试激光器为连续激光输出激光器；测量待测激光工作介质的总散射率S时，测试激光器为脉冲激光输出激光器。
全文摘要
一种测量激光材料散射系数与吸收系数的装置，其由测试激光器、积分球、光电探测器、激光功率计及示波器组成；空心积分球内壁涂白色漫反射层；球壁上设入光孔、出光孔和探测孔；入光孔及出光孔位于积分球左、右侧球壁上，入光孔和出光孔中心连线为水平线且穿过球心；测试激光器和激光功率计分别置于入光孔和出光孔外侧；光电探测器位于探测孔外侧与探测孔相连；待测激光工作介质样品固定在积分球中央；测试激光器发出的测试激光从入光孔入射，并垂直入射至样品一端面，从样品另一端面及出光孔出射；利用样品的总透过率与总散射率测量值以及散射系数、吸收系数计算式，得出待测试样品的损耗系数；其精确度高，可更好表征激光工作介质的光学性能。
文档编号G01N21/31GK102890071SQ20111036893
公开日2013年1月23日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年7月18日
发明者许祖彦, 申玉, 薄勇, 宗楠, 彭钦军 申请人:中国科学院理化技术研究所