反飽和吸收的光限幅的研究匯編

1、反飽和吸收的光限幅的研究精品資料僅供學習與交流，如有侵權請聯系網站刪除 謝謝 精品資料僅供學習與交流，如有侵權請聯系網站刪除謝謝 反飽和吸收的光限幅的研究金緯安徽大學物理學院摘要：本文綜述了對人眼進行激光防護的標準及對光學器件的防護，介紹了激光防護器材的種類，重點闡述了非線性光限幅器的研究概況和各種非線性防護材料的種類。推導了反飽和吸收的理論模型，同時測量并分析了一種非線性光學材料在不同線性透過率下的光限幅效應。關鍵詞：非線性；反飽和吸收；光限幅器；線性透過率。Abstract: The paper introduces the international standard of defend

2、 eyes and optical apparatus to laser light . Thekinds of material defend-laser are introduced . It states general situation and varieties material of nonlinearlight limitr. The theoretical model in reverse saturation absorption of light are proved. At the same time we measured a lots of sample trans

3、mission rate and analyzed in reverse saturation absorption domino effect. Key words: nonlinear ; in reverse saturation absorption ; light limitr ; linear transmission .一、綜述在各種高科技迅速發(fā)展的今天，激光的研究和應用得到了廣泛重視。例如 激光測距儀、激光切割機、激光打標機、激光治療儀等產品，各種激光技 術已廣泛應用于測量、焊接、醫(yī)療、通信和軍事等領域。而激光又容易對 人眼和各種靈敏的光學器件造成損傷和破壞，所以激光防護的研究

4、也迅速 發(fā)展起來了。1、人眼的激光防護標準激光照射到物體上可產生熱效應、光效應、壓力效應和電磁效應等。光防護的重要方面是對人眼的防護，各國對人眼的激光防護研究都非常全 面2P4。由于人眼的各部分對不同波長光輻射的透射與吸收不同對眼的 損傷部位與損傷程度也不同。一般來說，紫外線與遠紅外線在一定劑量范 圍內主要損傷角膜，可見光與近紅外線波段的激光主要損傷視網膜，超過 一定劑量范圍各波段激光可同時損傷角膜，晶體與視網膜，并可造成其他 屈光介質的損傷。小于0.3微米和大于2.5微米的光輻射均不能透過角 膜，而被其吸收。晶體的透過率因年齡而異，從0.41.4微米波段，晶體透過率較高，約80%以上,其兩側

5、的波段很少能透過晶體。玻璃體也可透過0.41.4微米的光輻射。0.41.4nm波段的激光可穿過人眼的晶狀體和常規(guī)光學器件，常稱為“危險帶”，尤其0.532nm的藍綠激光器對人眼的傷害最大。1998年國防技術委員會發(fā)布的中華人民共和國軍用標準規(guī)定防護鏡性能參數（GJB470-88），參照表（1）和表（2）：表1美國國防部公布的傷害人眼的激光能量閥值（EL）激光器運轉形式波長um輻照時間激光能量閥值Jem-2/脈沖紅寶石單脈沖0.69431ns100us5 X10-7紅寶石10Hz0.69431ns100us1.6 X10紅寶石20Hz1.061ns100us1.1 X10-7Nd:YAG單脈沖1

6、.061ns100us5 X10-7Nd:YAG10Hz1.061ns100us1.6 X10-7Nd:YAG20Hz1.061ns100us1.1 X10-7Nd:YAG連續(xù)波1.06100s8h0.5mw em-21uw cm-2CO2連續(xù)波1.0610s8h1 J cm-2/脈沖He-Ne連續(xù)波0.63280.25S/48h2.5mw cm-2/脈沖 中Er單脈沖1.541ns1us5 X10-7A葉連續(xù)波0.4880.25s/48h2.5mw cm-21uw cm-2A葉連續(xù)波0.51450.25s/48h2.5mw cm-21uw cm-2表2適合不同激光參數使用的防護鏡衰減值Q開關

7、激光1ns0.1ms非Q開關激光0.410ms連續(xù)激光0.2510s連續(xù)激光3h衰減值最大 能量J最大 輻照度J/m2最大 能量J最大 輻照度J/m2最大 功率W最大 輻照度W/m2最大 功率W最大 輻照度W/m2衰減倍數D ”102X1051022X106108812X104102X105107710-12X10312X10412X104106610-22X10210-12X10310-12X103105510-32X10110-22X102102 X10510-22X102104410-42X10010-32X10112 X10410-32X101103310-52X10-110-42X1

8、0010-12 X10310-42X100102210-62X10-210-52X10-110-22 X10210-52X10-11011注：E為輻照度，H為輻照量，EL指受激光照射一定時間內不受損傷的照射值。2、防護材料的分類對激光防護器材的基本要求是在對有害的強入射激光實施有效的防護的同時，保持較高的視場透明度，從而不影響人眼觀察功能及光電傳感器 的感應靈敏度。2.1、傳統的激光防護器材傳統的激光防護器材通常只對波長或光強敏感。分為以下幾種：2.1.1、波長敏感型1、吸收式：一般由摻有無機染料的玻璃或摻有有機染料的塑料制成。2、反射式：是在玻璃基質上交替鍍制高低折射率介質的多層薄膜系統。該

9、鏡子能承受高功率的激光輻射，帶其視場角小，只在土 30以內，難以防 護斜入射的激光，而且工藝要求很高。3、復合式：是上述兩種防護方式的組合，可以防護兩個或兩個以上特定波 長的激光。4、衍射（全息）式：根據光的全息原理，在玻璃上或塑料基片上用全息攝 影方法制作的三維光柵。該鏡片防護帶寬，透明度高，但是視角受限 制，工藝要求很高。5、光化學反應式：由兩層鏡片及灌注于其間的特定的化學物質溶液構成。 其透明度高，但其反應時間長，只能用于連續(xù)波或長脈沖激光的防護。6準直透鏡式：由凸透鏡、凹透鏡以及夾在此中間的平面干涉濾光片組 成。該新型光學系統可防護一個或多個波長的激光，對微光和日光透過 率都很高。2.

10、1.2、光強敏感型1、微爆式：鏡子表面涂有特殊化學物質薄膜，當光強達到閥值時，物質爆 炸變黑，使鏡片完全不透明，但只能作一次性防護，而且反應時間較 長。2、光電式：由兩片偏振方向互相垂直的偏振片及夾在其間的帶電極的陶瓷片和光電二極管構成。該防護鏡透光率可調，但響應時間太長（約10-5s）,而且結構過于復雜。3、變色微晶玻璃：其優(yōu)點是透明度高，但反應時間較長。4、像差器：由玻璃紙、濕綿紙等材料構成，或在兩層玻璃片中間充入水和 酒精而成。光學像差器置于光路中變換透鏡之前，入射激光經過其傅立 葉變換平面時強度可以被顯著衰減。防護波長可覆蓋整個光譜范圍。2.2、非線性防護材料盡管以上傳統的防護鏡對激光

11、具備一定的防護作用，但是其防護波段窄， 可見光透過率低，防護角度范圍受到限制，尤其是對高強度短脈沖波段長 的可調諧激光器防護效果很不理想。因而目前的研究已轉向采用非線性光 限幅效應來實現激光防護功能。221、非線性光限幅器的研究概況非線性光限幅器的原理是非線性光限幅效應。當激光激發(fā)介質時，在低光 強下，輸出光強隨著入射光強的增加而線性增加。而當入射光強達到一定 的閥值后，由于介質的非線性光學效應，輸出光強增加緩慢或不在增加的 一種非線性光學現象，這種光學現象就是所謂的非線性光限幅效應。從非 線性光學原理上，非線性光限幅效應可分為自聚焦光限幅、自散焦光限 幅、反飽和吸收光限幅、非線性散射光限幅、

12、雙光子吸收光限幅、非線性 折射光限幅、光學雙穩(wěn)光限幅及非線性光子帶隙結構等。1964年T.P.Gordon等人首次報道了光限幅現象。后來，隨著激光武器的 大量研究和裝備，激光防護的研究開始受到重視。八十年代的研究仍然以半導體材料為主要研究對象，如Si材料的非線性吸收13, GaAs的雙光子吸收和自聚焦限幅101214，以及ZnSe15與CaTe16等都得到了充分的研 究。但半導體的損傷閥值低，限制了器件的限幅范圍。八十年代后期以來，新結構、新原理和新材料的光限幅效應引起了人們的 極大興趣。如摻半導體波導結構17，周期結構18等的光限幅效應的研究。 新型限幅材料以有機材料為主要特征，由于有機材料

13、的非線性系數比半導 體材料高達兩到三個數量級，而其響應速度也達到皮秒量級，因而逐漸取 代了半導體材料而成為研究的重點。大致可分為三類，第一類為酞氰類化 合物；第二類為鐵鉆類金屬有機化合物；第三類為現在研究最多最全面的 足球烯分子C60和C70及其衍生物561920。在各種材料被發(fā)現和研究的同 時，各種理論也逐步趨于完善。R.Goedert和R.Becker等對各種材料的研 究成果和技術成果進行總結概括 。薛冬鋒、張思遠等對非線性光學材料 的幾種理論研究方法進行了比較9，對量子化學方法、晶體化學鍵的唯象 理論和陰離子集團模型理論的優(yōu)缺點進行了闡述。韓萍分析了理想自聚焦 和自散焦的光限幅。鄧曉旭、

14、張學如等從理論上分析了幾種非線性吸收 的條件1011。222、非線性防護材料的種類1、非線性界面：線性材料和非線性材料見的光學界面稱為非線性界面。弱 光由非線性介質入射到這種界面上，若滿足全反射條件，則全部被反射 回去；當光強增加到一定程度時，非線性材料折射率的顯著改變將破壞 全反射條件，使入射光部分或全部反射。從而呈現弱光高反射、強光低 精品資料僅供學習與交流，如有侵權請聯系網站刪除 謝謝 精品資料僅供學習與交流，如有侵權請聯系網站刪除 謝謝 精品資料僅供學習與交流，如有侵權請聯系網站刪除謝謝 反射的特性。通過選用合適的材料和入射方式，也可以實現弱光高透 射、強光低透射。2、非線性光子帶隙結

15、構：這是一種精巧的材料結構，可以在很寬的光譜范 圍內探測和抵制強入射激光。這是一種具有高低非線性的介質膜交替疊 加的多層膜系，其防護效果目前還不理想。3、非線性散射：這種材料一般為液態(tài)或固態(tài)懸浮液。弱光入射時，懸浮液 光學性質均勻，無散射效應，表現為高透射；強光入射時，懸浮液的光 學性質非均勻化，散射效應急劇增強，表現為低透射。用于光限幅的非 線性散射有喇曼散射、受激布里淵散射和光致等離子散射等。4、非線性折射：又稱強光自聚焦或自散焦效應。它們是由于光致折射率變 化所引起的光束自作用。在高斯光束作用下，由于介質的非線性使介質 內產生折射率的梯度變化。若介質折射率變大，則折射率梯度使介質相 當于

16、一個凸透鏡，通過它的光束被聚焦，使入射光在介質中產生自聚 焦。其優(yōu)點是響應時間快，限幅值低，動態(tài)范圍大（可達到四個量級），適用波長范圍寬（可見光和紅外區(qū)均可），特別適用于皮秒級激 光限幅；缺點是儀器的結構復雜，不適用于對人眼的防護。5、非線性吸收：它是介質的吸收系數依賴于入射光強的現象。分為單光子 吸收和多光子吸收過程。吸收系數隨著入射光強的增加而減小，稱為飽 和吸收（SA）;吸收系數隨入射光強增加而增加，稱為反飽和吸收（RSA）。其優(yōu)點是儀器輕便，限幅閥值低，響應時間可達到ps量級；缺點是只適用于可見光區(qū)，而不適用于紅外波段，限幅能量范圍 小,另外，儀器的損傷閥值低。、反飽和吸收光限幅的理論

17、模型反飽和吸收光限幅的模型多為半經典理論模型，以下為四能級的反飽和吸收產生的條件及閥值光強的理論模型推導。因入射激光脈寬小于系間躍遷時間，忽略三重態(tài)的作用，分子能級結構如下圖所示:S3S2S0N2N1NoN3dN。IN110 N0dt01dN21IN110 N021 N1dt01dN2IN221 N 1dt12N0 N1N2N3 N式中各能級的粒子數布居為N0，單重態(tài)四能級模型的速率方程:N21221 ?N1，N2，N3 ；吸收截面為10，32 ； S1態(tài)和S2態(tài)的能級壽命分別為01和02N是總粒子數；I是入射光強當入射激光脈寬遠大于能級壽命時，可作穩(wěn)態(tài)處理。在穩(wěn)態(tài)近似下,Ni=0，得到各能級

18、粒子數布居如下：I Is1R1201I Is 2II S10NI Is1R1201I Is 2II s21201RNI Is1R1201I Is 2NoNiN2NN30式中 R 21 ；10 , Is10 01。粒子在高階激發(fā)態(tài)壽命很短,粒子數布居可認為是零。各種介質的吸收系數表達式為:n1 10N02l/ls R 1 I Is 2 12/ 01 R21N132N2 ss吟I Is 1 R 1201 I IsR 32.10非線性吸收系數n1隨光強變化的單調性決定了樣品吸收類型的變化。d n1dlF IIls 1 R 1201 I I s2 12 R01 Is2卓I2 2RRAI s 0101

19、I s01 I s若n1單調上升，介質只發(fā)生反飽和吸收；若n1單調下降，介質只發(fā)生飽和吸收。若n1由單調上升變?yōu)閱握{減少，介質發(fā)生反飽和吸收向飽 和吸收轉化，d n1 dI 0時，發(fā)生轉變，對應的光強定義為 RSA-SA閥 值光強；若n1由單調減少變?yōu)閱握{上升，介質發(fā)生飽和吸收向反飽和吸 收的轉化，d nv dI 0時，發(fā)生轉變，對應的光強定義為 SA-RSA閥值 光強。分析研究得到：、當吸收截面滿足322110，且光強達到閥值光強Ise時，發(fā)生飽和吸收向反飽和吸收的轉化。SCR 1 R R R 10112RR R、當吸收截面滿足當吸收截面滿足322110，只發(fā)生飽和吸收。、當吸收截面滿足32

20、2110，且光強達到閥值光強Irc時，發(fā)生反飽和吸收向飽和吸收的轉化。RC.R 1 R R R 101/12RR R、當吸收截面滿足當吸收截面滿足322110，只發(fā)生反飽和吸收飽和吸收和反飽和吸收的產生只與吸收截面有關。產生兩種吸收相互 轉化的綜合非線性吸收，除了其吸收截面滿足一定的條件外，入射光強還 需達到一定閥值。由兩種吸收相互轉化的閥值光強Isc和Irc的表達式可以得到轉化的閥值光強由材料的各能級吸收截面、能級壽命以及入射光子能 量（即入射光頻率）共同決定。我們的推導是從速率方程的穩(wěn)態(tài)解出發(fā)的，而事實上非線性吸收過程 多是快速方程，但是我們的結論仍可以定性分析非線性吸收受材料各種參 數影

21、響的吸收變化趨勢。這對非線性光學材料的應用研究具有特別重要的 理論指導意義、實驗方法和實驗數據在對反飽和光限幅吸收理論推導的基礎上，我們對安徽大學化學系提供的 一種新合成的非線性光學材料的光限幅特性進行了實際測量。我們測量了此新型聚合物三種不同濃度（其線性透過率分別為77%、56%、38%）的精品資料僅供學習與交流，如有侵權請聯系網站刪除 謝謝 精品資料僅供學習與交流，如有侵權請聯系網站刪除 謝謝 精品資料僅供學習與交流，如有侵權請聯系網站刪除謝謝11光限幅特性曲線。為了比較該材料的光限幅效果，我們同時在相同實驗條 件下，測量了現在各國研究較多的光限幅效果較好的C60 （線性透過率為70%）的

22、光限幅特性曲線。我們通過大量的測量求平均值的方法來減小測量誤差，用衰減器控制入射 光能量的強弱，在同等入射光強的條件下，測量一次有樣品時的透射光能 量，接著測量一次沒樣品時的入射光能量，反復測量二十次，求其時的平 均值。以此方法測量出該新型聚合物樣品在不同濃度時的入射光能量和出 射光能量的相對光限幅特性曲線。同時以相同實驗測量方法，測量了光限 幅效果較好的C60 （線性透過率為70%）的入射光能量和出射光能量的相 對光限幅特性曲線。1、實驗裝置如下25圖2 實驗裝置圖1,YAG激光器2，倍頻3，濾光片4,衰減器5,透鏡6,樣品7,探頭8，能量檢測計。2、實驗方法和實驗數據激發(fā)光源為JGMI型Y

23、AG脈沖系統，入射波長為經倍頻后的波長為0.532um,脈寬1012ns,入射激光經過倍頻和衰減器后，再用透鏡聚光后入射到測試樣品上，出射光由能量檢測器檢測。限幅器為濃度各不相同樣品溶液盛于0.5cm厚的比色皿中，透鏡的焦距為 5cm，焦點處的光斑半徑為0.032cm.。用衰減器控制激光的能量，測量入射光和透射光能量和透射率，實驗數據如下2.1C60甲基苯溶液，線性透過率為70%寸單位:uJ入射109153187263280377447623760114716872297出射50941111651432232233574575236237132.2 樣品溶液，線性透過率為77%寸.單位:uJ入

24、射光270356.2470662.68009981223.61605.8出射光130208.8257.4365.6443.6528.4600.86942.3樣品溶液，線性透過率為56%寸單位:uJ入射光413516.4726.6880.41197.61381.61754.62058出射光120150.8199232.2251.2291.6310.43182.4 樣品溶液，線性透過率為38%寸單位:uJ入射光431510591750893.3959.71162.31285.7143315991884.7出射光115.7128.7162183.7197.3229.3230.3240.3230.72

25、502603、實驗結果分析根據圖表1的圖象可以看出，這種聚合物的線性透過率為77%的限幅效果只能和C60甲基苯溶液的線性透過率為70%的限幅效應相當。該聚合 物的線性透過率為56%和38%的兩種樣品，雖然線性透過率的差距很大， 但兩者的限幅幅值和限幅閥值都比較接近。而線性透過率為77%的樣品的限幅幅值和限幅閥值顯著增大。優(yōu)良的限幅材料要求具有較高的線性透過 率和較低的限幅幅值與限幅閥值，因而綜合考慮各項參數，我們認為線性 透過率為56%的該樣品比較理想。但總體來說，此種材料并不優(yōu)于C60。四、小結目前世界各國都在致力于探索新型的性能優(yōu)異的光限幅材料。通過對光限幅的理論推導及此種新型聚合物的光限幅效應的測量實驗，我們認為如果對該聚合物的結構進行改造，該聚合物將是一種很有前途的光限幅材料。圖表1量能射出系列1系列2系列3系列45001000150020002500入射能量(uJ)系列1：線性透過率為系列2：線性透過率為系列