弱吸收测量的主要方法及优缺点的对比

1．测量材料吸收系数的意义：

随着高能激光的发展，对光学材料提出越来越高的要求，而光学材料由于制造工艺（生长工艺）、原材料杂质的存在，不可避免的存在吸收。随着光学材料研究的进一步深入，人们对于材料吸收系数的研究越来越深刻。研究发现，光学材料吸收电磁波后，能将电磁波能量转换成热能，从而引起光学材料内部温度升高。大的吸收系数是限制高能激光发展的主要因素之一，尤其对于强激光系统。据国外研究表明，100ppm／cm的吸收系数会导致光学材料约0．4°的升温，进而导致光学系统的不稳定。

如图1所示，当用强的激光照射某一透镜时，该介质可将吸收的能量周期性地转变成热能，使材料本身及周围介质的温度升高，从而引起其折射率的变化，使得透镜的焦距发生改变，引起波形变化、退偏等现象产生，进而使得激光系统不稳定。传统意义的测量方法是无法测量到ppm量级的吸收系数，而如此小的吸收系数就能给您的应用带来不可想象的困难。因此，很有必要测量材料的吸收系数，通过测量吸收系数一方面可以为您选择合适的光学材料，另一方面可以帮助材料生产厂家在研究造成吸收大的原因时，从源头上解决吸收问题。国家在做点火项目，现在应用的非线性晶体是KDP晶体，该材料吸收系数就明显偏大，相信通过我们的设备可以帮助他们找到吸收变大的原因。

图1 材料的弱吸收引起焦距变化示意图

2．测量光学薄膜吸收的意义

光学薄膜的吸收过大会导致薄膜的损伤，因此有必要测量薄膜的吸收，并通过测量薄膜的弱吸收达到以下目的：

A． 选择合适的膜料；

B． 改进镀膜工艺参数（比如温度、离子源强度等）；

C． 改进抛光基片质量（膜层吸收偏大，也有可能是基片的抛光参数不合适或者擦拭溶液不合适）

3．弱吸收测量的主要方法及优缺点对比

为了改善光学材料或光学薄膜的质量，需要精确测量其微弱吸收。吸收系数的测量传统意义上一般采用分光光度计进行研究，但是其测量精度只到0．1％，而要测得ppm量级的吸收系数的主要测量技术有：光热偏转法、表面热透镜法、光热辐射技术、激光量热技术及光声光谱技术等等。

光热偏转技术和光声光谱技术的原理很相似，但检测方法不同，前者更具有优越性：（1）光热偏转技术有更高的灵敏度；

（2）光热偏转技术可通过信号幅度和相位来区别薄膜测量中的衬底和偏转介质的吸收；

（3）在光声光谱技术中，散射光可引起背景噪声，但在光热偏转技术中，只要散射光 不沿着光探针方向，则散射光影响就很小；

（4）光声光谱技术中，样品须装在盒内，因而样品盒反射容易引起噪声，而光热偏转技术不存在上述问题，样品容易安装，且可进行实时测量。

光热偏转技术是近年来发展起来的一种新型的热波探测技术，并已广泛用于研究光学薄膜的吸收特性。光热偏转技术具有灵敏度高，实验装置相对简单，易于实现，可对高腐蚀性样品进行非接触检测，以及能区分体吸收和面吸收等许多突出优点，使其成为测量光学薄膜微弱吸收及激光损伤机理研究的重要手段之一。

目前商业化应用的方法有两种，一种是表面热透镜法，一种是光热偏转法。对于前者，目前商业化的仪器做得比较成功，但是它仍存在以下几个缺点：

（1）对于泵浦激光要求偏高，要求极好的光束质量；

（2）泵浦激光的波长范围受限制，一套系统往往最多只能配2个波长的泵浦激光器；

（3）对于反射测量，尤其是要求多入射角测量时，操作及其麻烦；

（4）实际上并不能通过一次性测量得到表面吸收（膜层吸收）与体吸收系数；

（5）系统测试实际是通过一个标准片校验作为依据，对于不同材料并不能得到绝对吸收，所得结果往往只是相对吸收系数。

对于后者，往往认为其难以调试，对环境依赖性高而加以偏见。我们这款弱吸收测量仪全面克服了目前商业化应用的弱吸收仪的缺点，它是基于光热偏转原理制成的。

图2 光热偏转法的示意图

光热偏转法示意图如图2所示。当一束被频率调制的激光入射到样品表面后，若样品是不透明的，则样品表面会吸收激光能量并转变为热能，在其浅表层形成稳定的周期性调制热源，热波向样品内部及空气中传播，在样品表面的空气层中就建立了周期性调制的温度梯度场。由于媒质的折射率是温度的函数，这就导致空气中产生时变频率与激光的调制频率相同的折射率梯度场。当检测激光在加热激光聚焦点处平行于样品表面掠过（距样品表面高度一般小于空气中的热波波长）时，由于此温度梯度场的存在，检测光束发生偏转，偏转的大小与样品表面的温度梯度成正比。测量时，使检测光束在加热激光聚焦点处平行于样品表面扫过，其偏转角将随热源的距离而改变。光热偏转技术是对吸收能量的直接测量，因为光热偏转在很大范围内与吸收的光功率是线性的，并且对散射光很不灵敏。

审核编辑：符乾江