專利名稱：惰性氣體非線性折射率系數(shù)的測量裝置和測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及惰性氣體，特別是一種惰性氣體的非線性折射率系數(shù)的測量裝置和方法。
背景技術(shù)：
隨著啁啾脈沖放大(CPA)技術(shù)和光參量啁啾脈沖放大(OPCPA)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代大型激光系統(tǒng)可以發(fā)射拍瓦(1015瓦)量級的超強(qiáng)激光束。高強(qiáng)度激光光束的傳播受到非線性光學(xué)效應(yīng)的顯著影響。在涉及高強(qiáng)度激光光束的傳播和與氣體介質(zhì)相互作用的實(shí)驗(yàn)和激光系統(tǒng)中，準(zhǔn)確的知道介質(zhì)的非線性折射率1!2至關(guān)重要。具體來說，高功率激光系統(tǒng)發(fā)射的光束需要經(jīng)過細(xì)致的設(shè)計(jì)，從而避免112相關(guān)的效應(yīng)，如自相位調(diào)制和自聚焦。另外，現(xiàn)代激光技術(shù)的許多應(yīng)用還得益于這些效應(yīng)，如大氣激光雷達(dá)(LiDAR)實(shí)驗(yàn)，白光超連續(xù)譜產(chǎn)生， 及成絲效應(yīng)等。非線性折射率n2起源于三階非線性效應(yīng)，被描述為折射率的偏移，其大小正比于光強(qiáng)，比例因子即n2。對于非線性折射率n2的實(shí)驗(yàn)研究開始于上世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)納秒強(qiáng)激光脈沖技術(shù)開始出現(xiàn)。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，上世紀(jì)90年代早期發(fā)明的Z-scan技術(shù)成為本領(lǐng)域一個(gè)技術(shù)突破。此方法功能強(qiáng)大，為大量的非線性系數(shù)測量提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)?？紤]到技術(shù)上的困難和必要的強(qiáng)聚焦，幾乎只有固體和液體適合用此方法測量。為了測量氣體的非線性折射率系數(shù)n2，利用各種非線性效應(yīng)的其它技術(shù)相繼出現(xiàn)，如利用“電場誘發(fā)二次諧波產(chǎn)生”的效應(yīng)，三次諧波產(chǎn)生，傳播導(dǎo)致的光譜畸變，自聚焦， 光譜干涉等。盡管這些方法中的一些可以提供準(zhǔn)確的測量，但是其實(shí)驗(yàn)裝置非常復(fù)雜，過程控制和測量的要求很高，數(shù)據(jù)分析方法也很繁瑣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種惰性氣體非線性折射率系數(shù)的測量裝置和測量方法。本發(fā)明技術(shù)解決方案的實(shí)質(zhì)是利用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)均勻延長非線性相互作用距離從而將微弱的非線性效應(yīng)放大到便于測量的程度。同時(shí)，通過理論分析建立起了測量中涉及的各個(gè)參量之間的比例關(guān)系，通過數(shù)量上的比例關(guān)系得到待測的惰性氣體非線性折射率系數(shù)。本發(fā)明的具體技術(shù)解決方案是一種測量惰性氣體非線性折射率系數(shù)的測量裝置，特點(diǎn)在于其構(gòu)成是在飛秒激光脈沖行進(jìn)的方向上依次是耦合透鏡、內(nèi)置空心光纖的惰性氣體管和散射屏，在散射屏的散射光方向設(shè)置光譜儀，所述的惰性氣體管的一端與待測的惰性氣體瓶相連，另一端分別與真空泵和氣壓計(jì)相連接，所述的耦合透鏡將具有一定中心頻率Qci的飛秒激光脈沖耦合進(jìn)入惰性氣體管中的空心光纖中。利用所述的測量惰性氣體非線性折射率系數(shù)的測量裝置進(jìn)行惰性氣體非線性折射率系數(shù)的測量方法，其特征在于該方法的測量步驟如下①開啟真空泵和惰性氣體管連通的閥門，使用真空泵將惰性氣體管中的氣體抽干凈，氣壓由氣壓計(jì)檢測，直到示數(shù)顯示0值，斷開真空泵和惰性氣體管之間的閥門，關(guān)閉真空泵；②將中心頻率為COtl的入射飛秒激光脈沖通過耦合透鏡耦合到惰性氣體管中的空心光纖中，由光譜儀測量經(jīng)過散射屏散射的出射脈沖光的光譜，并記錄此數(shù)據(jù)；③打開惰性氣體瓶與惰性氣體管之間的閥門，充入一定氣壓的氬氣，氣壓值由氣壓計(jì)檢測，當(dāng)氣壓達(dá)到一個(gè)初始值，關(guān)閉惰性氣體瓶與惰性氣體管之間的閥門；④將中心頻率為Oci入射飛秒激光脈沖通過耦合透鏡耦合到惰性氣體管中的空心光纖中，由光譜儀測量經(jīng)過散射屏散射的出射脈沖光的光譜，并記錄此數(shù)據(jù)；⑤重復(fù)步驟③，使惰性氣體管的氣壓增加一定氣壓值，關(guān)閉惰性氣體瓶與惰性氣體管之間的閥門；⑥重復(fù)步驟④，獲得新的光譜數(shù)據(jù)；⑦重復(fù)步驟⑤和⑥，直至完成光譜測量，獲得不同氣壓下的光譜展寬數(shù)據(jù)S(co)， 即光譜強(qiáng)度隨角頻率ω的分布；⑧用公式=〈(《-叫)2〉-〈…-卿；^計(jì)算每個(gè)氣壓下光譜展寬數(shù)據(jù)S(co)的光譜寬度Δ ω_，其中角括號的定義為
Αω
壓的變化，其中△ Qi是入射光譜寬度，經(jīng)過線性擬合，得到光譜展寬因子卩，隨氣壓的變化的斜率值 Sto(GJci) = 0.01783 ；⑨改變惰性氣體瓶(6)，換成另一種待測的惰性氣體，重復(fù)步驟① ⑧，得到在中
權(quán)利要求
1.一種測量惰性氣體非線性折射率系數(shù)的測量裝置，特征在于其構(gòu)成是在飛秒激光脈沖行進(jìn)的方向上依次是耦合透鏡(1)、內(nèi)置空心光纖的惰性氣體管( 和散射屏(3)，在散射屏C3)的散射光方向設(shè)置光譜儀G)，所述的惰性氣體管( 的一端與待測的惰性氣體瓶(6)相連，另一端分別與真空泵(5)和氣壓計(jì)(7)相連接，所述的耦合透鏡⑴將具有一定中心頻率Coci的飛秒激光脈沖耦合進(jìn)入惰性氣體管O)中的空心光纖中。
2.權(quán)利要求1所述的測量惰性氣體非線性折射率系數(shù)的測量裝置進(jìn)行惰性氣體非線性折射率系數(shù)的測量方法，其特征在于該方法的測量步驟如下①開啟真空泵(5)和惰性氣體管(2)連通的閥門，使用真空泵(5)將惰性氣體管(2) 中的氣體抽干凈，氣壓由氣壓計(jì)(7)檢測，直到示數(shù)顯示O值，斷開真空泵( 和惰性氣體管⑵之間的閥門，關(guān)閉真空泵(5)；②將中心頻率為Qci的入射飛秒激光脈沖通過耦合透鏡(1)耦合到惰性氣體管O)中的空心光纖中，由光譜儀(4)測量經(jīng)過散射屏(3)散射的出射脈沖光的光譜，并記錄此數(shù)據(jù)；③打開惰性氣體瓶(6)與惰性氣體管( 之間的閥門，充入一定氣壓的氬氣，氣壓值由氣壓計(jì)(7)檢測，當(dāng)氣壓達(dá)到一個(gè)初始值，關(guān)閉惰性氣體瓶(6)與惰性氣體管( 之間的閥門；④將中心頻率為Qci入射飛秒激光脈沖通過耦合透鏡(1)耦合到惰性氣體管O)中的空心光纖中，由光譜儀(4)測量經(jīng)過散射屏(3)散射的出射脈沖光的光譜，并記錄此數(shù)據(jù)；⑤重復(fù)步驟③，使惰性氣體管( 的氣壓增加一定氣壓值，關(guān)閉惰性氣體瓶(6)與惰性氣體管⑵之間的閥門；⑥重復(fù)步驟④，獲得新的光譜數(shù)據(jù)；⑦重復(fù)步驟⑤和⑥，直至完成光譜測量，獲得不同氣壓下的光譜展寬數(shù)據(jù)S (ω)，即光譜強(qiáng)度隨角頻率ω的分布；⑧用公式
全文摘要
一種惰性氣體的非線性折射率系數(shù)的測量裝置和測量方法，其原理是通過測量特定中心頻率處的飛秒激光脈沖在一個(gè)充有待測惰性氣體的空心波導(dǎo)中傳播時(shí)積累的非線性光譜展寬隨惰性氣體氣壓的變化，并經(jīng)過數(shù)據(jù)分析得到此氣體在這個(gè)特定中心頻率處的非線性折射率系數(shù)。裝置構(gòu)成是在位于飛秒激光脈沖行進(jìn)的光路上分別為聚焦透鏡、內(nèi)置空心光纖的充惰性氣體管、散射屏和光譜儀，以及與惰性氣體管相連的氣壓計(jì)，惰性氣體瓶和真空泵。
文檔編號G01N21/41GK102156111SQ201110129428
公開日2011年8月17日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者冷雨欣, 徐至展, 王丁 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所