一种实现涡旋光热透镜效应及测量的实验装置

1.本发明属于光学技术领域，尤其是涉及一种实现涡旋光热透镜效应及测量的实验装置。


背景技术：

2.热透镜效应从最初被发现以来，已经经过数十年的发展。当一束高斯光入射到吸光介质中时，在光轴方向会产生热透镜效应。这个效应产生的主要原因是介质的折射率会由于热光系数dn/dt的存在而随着温度发生变化。当激光入射介质后，经特征时间tc，在介质中会建立稳定的温度场。光在穿过这种折射率不均匀的介质时会改变方向。早在1964年leite等人首次实验展示激光的热透镜效应并给出该热透镜的焦距[r.c.c.leite,r.s.moore,and j.r.whinnery,appl.phys.lett.5,141(1964)]。随后有众多研究人员以此为基础研究不同的理论模型[fang,h.l.,&swofford,r.l.,j.appl.phys.,50(11),6609-6615(1979),carter,c.a.,&harris,j.m..appl.opt.,23(3),476-481(1984).]
[0003]
随着高功率激光器的产生与发展，热透镜效应作为一个需要克服的缺点被应用到生产中，比如我国近些年多项专利聚焦如何减轻激光热透镜效应:如减轻激光晶体热透镜效应的方法[发明专利cn111884022a]]，高功率激光热透镜效应的补偿方法[发明专利cn108988114a],一种激光棒热透镜效应的补偿方法[发明专利cn212626497u]。另一方面研究人员基于激光的热透镜效应实现吸收光谱的测量技术[long,m.e.,swofford,r.l.,&albrecht,a.c.science,191(4223),183-185(1976).]，自此以后，基于激光热透镜效应的光谱测量技术被应用到多个领域[snook,r.d.,&lowe,r.d.analyst,120(8),2051-2068,(1995)；liu,m.,&franko,m.international journal of thermophysics,37(7),67(2016)；lima,s.m.,sampaio,j.a.,catunda,t.,bento,a.c.,miranda,l.c.m.,&baesso,m.l.journal of non-crystalline solids,273(1-3),215-227(2000).]。研究人员基于激光的热透镜效应实现胶体颗粒温度的测量[pedrosa,t.l.,pez,c.,&de araujo,r.e.optics express,28(21),31457-31467(2020)].利用不同的高斯光偏振方向研究各向异性的激光热透镜效应[chen,c.w.,fang,y.h.,cho,c.y.,&liang,h.c.optics letters,46(1),94-97(2021).]。
[0004]
近年来，涡旋光束作为一种具有对称中空结构的光场在多个领域产生重要应用价值，而基于涡旋光束的热透镜效应还未有人研究。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述不足，提供可以实现涡旋光束热透镜效应的产生、调控与测量，为涡旋光束在热透镜效应方面应用研究提供方便的一种实现涡旋光热透镜效应及测量的实验装置。
[0006]
一种实现涡旋光热透镜效应及测量的实验装置，采用加热激光器与检测激光器双光路设计的光束系统；在加热激光器前进方向上依次设有2f系统，由计算机控制的反射式
相位型空间光调制器，带有小孔的4f系统与分束器(bs)；在检测激光器前进方向上，激光透过空间滤波器进行滤波和收束，入射到非偏振分束器；两束光的光轴经分束器(bs)后重合；样品装载在样品台中，置于非偏振分束器后，4f系统的像面上，使投射到样品上的涡旋光束清晰锐利；出射光经过滤波片滤除532nm的加热激光并经过衰减片衰减到合适强度后，由计算机连接的ccd进行接收并存储进入计算机。
[0007]
所述检测激光指功率较低，且穿过样品后无明显吸收，用于探测样品内折射率变化的一路激光。所述加热激光器采用波长为532nm在样品中有明显吸收的大功率激光器。
[0008]
所述加热激光指的功率较大，在穿过样品时有明显的吸收，并且能在样品内产生明显热效应的一路激光。所述检测激光器采用波长为632.8nm在样品中无明显吸收的氦氖激光器的高光斑质量激光器。
[0009]
所述分束器(bs)可采用50︰50非偏振分束器。若两路激光中有一路功率低于研究需求，则可以使用30︰70，10︰90等其他分光比的分束器。
[0010]
所述样品与ccd之间距离可为40～50cm。
[0011]
一种实现涡旋光热透镜效应及测量的实验方法，具体步骤如下：
[0012]
(1)采用如权利要求1所述一种实现涡旋光热透镜效应及测量的实验装置，对准光路使两束激光经过bs后光轴重合；
[0013]
(2)通过空间光调制器产生不同拓扑荷数的涡旋光束，打开加热激光器，将激光功率计放置在样品前进行测量，并将激光功率调整至待测值后，关闭加热激光器出光；
[0014]
(3)调整样品位置到涡旋光束的像面位置；
[0015]
(4)打开氦氖激光器产生检测激光，并调整其半径至涡旋光束的1/3到1/4；调整衰减片以及ccd曝光参数使其光斑曝光合适，并使得曝光时间少于10ms使最高亮度约为动态范围的约2/3；
[0016]
(5)开启ccd记录，打开加热激光器，待ccd监测窗口的光斑稳定后停止记录并关闭加热激光器；
[0017]
(6)使用软件处理得到热透镜等效焦距。
[0018]
在步骤(1)中，所述对准光路使两束激光经过bs后光轴重合的具体方法为：加热激光器出射光垂直于空间光调制器的表面入射，将lcos对准层角度θ，激光波长λ，闪耀级次k，以及激光半径w和拓扑荷数l输入到计算机，在空间光调制器上呈现闪耀叉形光栅；将闪耀级次通过4f系统，滤除其他级次，调节4f系统中的凸透镜与样品的位置，使样品处于像面上，在样品上投射出清晰的lg光束，此时532nm lg光束的中心是半径较小的632.8nm高斯光束；调节其余光路，使得检测激光器的激光束与大功率激光器的激光束通过50︰50非偏振分束器后光轴重合。
[0019]
在步骤(2)中，关闭加热激光器出光时，保持出光功率调节旋钮位置不变，此时出光功率p为需要研究的值自变量值。
[0020]
在步骤(6)中，所述使用软件处理得到热透镜等效焦距，可以通过改变产生热透镜的光束的空间结构、功率、束腰参数，测量样品在不同条件下产生的热透镜；通过照射在热透镜上的参考光束即632.8nm的高斯光束光斑的束腰变化计算得到热透镜等效焦距。
[0021]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0022]
本发明通过改变光场的分布，从高斯光束到涡旋光束，实现与高斯光束不同的折
射率分布，从而在负热光系数的介质里产生凸透镜的效果。本发明通过改变光场结构在同一块材料同时实现正负透镜的效果，有望作为新颖的材料热效应调控手段。本发明可以实现涡旋光束热透镜效应的产生，调控与测量的实验装置设计。实现控制涡旋光束在具有热光效应的材料中产生的热效应的同时，对其产生的热透镜进行定量测量，并可用于测量激光功率、半径、涡旋光拓扑荷数等参量对热透镜的影响。为涡旋光束在热透镜效应方面的应用研究提供一种方便的实验装置。
附图说明
[0023]
图1为本发明实施例所述实验装置的结构组成示意图。
[0024]
图2为推算类透镜介质的折射率分布的物理模型图。
[0025]
图3为不同加热激光下热透镜焦距与功率的关系示意图。
[0026]
图4为不同拓扑荷数lg光束产生的温度场及横截面热场分布曲线。
[0027]
图5为不同拓扑荷数lg光束产生的折射率场分布及其中心区域的折射率分布情况。
具体实施方式
[0028]
以下实施例将结合附图对本发明做进一步的说明。
[0029]
如图1，本发明实施例是一种使用双光束系统的涡旋光束热透镜效应产生及测量装置。设有波长为632.8nm的小功率氦氖激光器1，波长为532nm的大功率激光器2。在大功率激光器2的前进方向上依次设有空间光调制器6、第三凸透镜7、小孔8、第四凸透镜9、50︰50非偏振分束器i10、样品11以及滤波片12，最后被遮光器吸收。在氦氖激光器1的前进方向上依次设有第一凸透镜3、小孔4、第二凸透镜5、50︰50非偏振分束器i10、样品11、滤波片12，透过滤波片的光束经过衰减片13，照射在ccd相机14上，然后存储入计算机。
[0030]
实施例1：
[0031]
1.按图1搭建光路，将两个激光器(波长为632.8nm的小功率氦氖激光器1、波长为532nm的大功率激光器2)，2f和4f系统，50︰50非偏振分束器i，样品，空间光调制器，滤波片，衰减片和ccd按照图1的设计布置好。
[0032]
2.让大功率激光器2出射光垂直于空间光调制器的表面入射，将lcos对准层角度θ，激光波长λ，闪耀级次k，以及激光半径w和拓扑荷数l输入到计算机，在空间光调制器上呈现闪耀叉形光栅。将闪耀级次通过4f系统，滤除其他级次。调节4f中的第三凸透镜7、第四凸透镜9以及透镜和样品的位置，使得样品处于像面上，在样品上投射出清晰的lg光束。此时532nmlg光束的中心是半径较小的632.8nm高斯光束。第三步之后，lg光束的中心才是高斯光束
[0033]
3.调节其余光路，使得氦氖激光器1的激光束与大功率激光器2的激光束再通过分束器10之后光轴重合。调节2f系统中的第一凸透镜3和第二凸透镜5，使得投射到样品上的光斑半径是涡旋光束的1/3-1/4。
[0034]
4.关闭氦氖激光器1和大功率激光器2，将激光功率计放在分束器10和样品11之间，打开大功率激光器2并调节出光功率，使得出光功率p为需要研究的值。关闭大功率激光器2，并保持出光功率调节旋钮位置不变。
[0035]
5.打开氦氖激光器1，待其稳定后打开ccd相机14并开始记录，打开大功率激光器2的出光。当ccd相机14监测窗口显示光斑稳定后，停止ccd相机14的记录并保存。将记录数据通过软件处理得到热透镜焦距。
[0036]
以下给出本发明的使用方法，具体步骤如下：
[0037]
(1)将532nm激光器、632.8nm氦氖激光器、空间光调制器、50︰50非偏振分束器i、傅里叶平面上带有光圈的4f系统、空间滤波器、样品、ccd相机、滤波片、衰减片以及反射镜按图1进行放置，并对准光路使得两束激光经过50︰50非偏振分束器i后光轴重合；其中样品与ccd之间距离约为40～50cm。
[0038]
(2)通过空间光调制器产生不同拓扑荷数的涡旋光束。打开加热532nm激光器，将激光功率计放置在样品前进行测量，并将激光功率调整至待测值后，关闭激光器出光。
[0039]
(3)调整样品位置到涡旋光束的像面位置。
[0040]
(4)打开氦氖激光器产生检测激光，并调整其半径至涡旋光束的1/3到1/4。调整衰减片以及ccd相机曝光参数使其光斑曝光合适，并使得曝光时间少于10ms。
[0041]
(5)开启ccd相机记录，打开加热激光，待ccd相机监测窗口的光斑稳定后停止记录并关闭加热激光。
[0042]
(6)使用通用软件计算处理得到热透镜等效焦距。
[0043]
以下给出本发明的工作原理：
[0044]
热透镜效应的影响因素有三方面：样品本身的物理性质、产生热透镜的光束的参数以及样品所处的环境。
[0045]
本装置可以通过改变产生热透镜的光束的空间结构、功率、束腰等参数，测量样品在不同条件下产生的热透镜。
[0046]
具有热光效应的材料的折射率随温度的变化具有以下形式：
[0047][0048]
其中，n0为初始温度下的折射率，为材料折射率随温度的变化系数。
[0049]
因此折射率与温度有关，材料内部不同位置的温度分布决定材料内部的折射率分布。
[0050]
材料内部的温度分布由热源分布，材料性质和边界条件确定，由热传导方程解出。方程为：
[0051][0052]
在样品较薄时，样品内涡旋光束的电场：
[0053][0054]
光强：这里选用最常用的标准lg光束来描述涡旋光场。
[0055]
若材料的吸光度不受温度和光强的影响，根据比尔-郎伯定律，样品内产生的体热
源密度为：
[0056]
q(x,y,z)＝αi(z)＝αi0exp(-αz)
[0057]
将圆片形状的样品固定到半径为r的环形金属边框上，其两侧与空气或者其他介质接触。由于金属的导热系数极高，可以近似认为：
[0058]
t＝t0,(r＝r)
[0059]
圆片与其两侧的空气之间的热相互作用可以使用对流换热系数h表示，即：
[0060][0061]
至此求出方程的解所需的条件都已满足，可以使用数值解法求出方程的解。如图4理论数值求解出不同拓扑荷数下涡旋光在材料表明形成的光场分布情况；拓扑荷数为0的lg光束即为高斯光束。
[0062]
图5给出不同拓扑荷数lg光束产生的折射率场分布及其中心区域的折射率分布情况。
[0063]
计算得到折射率分布之后，可以用抛物线对中心附近区域进行拟合，使用拟合曲线的参数即可得到热透镜焦距。在该实验装置中，可通过照射在热透镜上的参考光束即632.8nm的高斯光束光斑的束腰变化，直接得到热透镜焦距。图3为不同加热激光下热透镜焦距与功率的关系示意图。
[0064]
由折射率分布函数计算焦距的方法：
[0065]
先假设介质的折射率分布能够满足平行入射的光线汇聚到焦点f处，如图2。
[0066]
首先考虑折射定律：
[0067][0068]
化为：
[0069]
n(0)cos(i0′
)＝n(r)cos(i
′
)＝n(r)
[0070]
根据费马原理，光线取光程为极值的路线传播。
[0071]
δl＝δ∫n(r)ds＝0
[0072]
根据几何关系：
[0073][0074]
其中，
[0075][0076]
假定光线的轨迹方程为正弦形式：
[0077][0078]
则，
[0079][0080]
得到：
[0081][0082]
因为
[0083]
有(n(r))2＝(n(0))2(1-ar2cos2i0′
)
[0084]
和
[0085][0086]
最后得到：
[0087][0088]
至此得到可以等效为透镜的折射率分布，根据几何光学，可以很容易地求出其焦距：
[0089][0090]
其中，当时候，可以取最右侧的近似值。
[0091]
因此在拟合折射率曲线时，使用抛物线进行拟合，是通过折射率分布研究热透镜焦距的合适方法。
[0092]
本发明公开一种可以实现涡旋光束热透镜效应及测量的实验装置。加热激光器和检测激光器二者波长不同，使用空间光调制器对加热激光器进行调制产生不同的涡旋光，使用空间滤波器对检测激光束进行整形，使用bs将两束激光合并照射到具有热光效应的样品上，对透射光中的参与加热激光使用滤波片进行滤除，并经衰减片衰减到合适强度后由ccd进行探测，计算机进行处理与测量。
[0093]
由于激光束只能让吸光介质的温度上升，所有产生热透镜的类型依赖热光系数的正负，热光系数为负数的介质只能产生凹透镜，而热光系数为正的只能产生凸透镜。通过改变光场的分布，从高斯光束到涡旋光束，实现与高斯光束不同的折射率分布，从而在负热光系数的介质里产生凸透镜的效果。因此，本发明通过改变光场结构在同一块材料同时实现正负透镜的效果，有望作为新颖的材料热效应调控手段。