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CN112557321A - 一种物质的光能量吸收率测量方法、装置、系统 - Google Patents

一种物质的光能量吸收率测量方法、装置、系统 Download PDF

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CN112557321A CN202011375027.0A CN202011375027A CN112557321A CN 112557321 A CN112557321 A CN 112557321A CN 202011375027 A CN202011375027 A CN 202011375027A CN 112557321 A CN112557321 A CN 112557321A
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陈飞
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Abstract

本发明公开了一种物质的光能量吸收率测量方法，包括预先搭建可输出两束相同光束且输出光束能量大小可调的测量光路结构，两束相同光束分别为测试光束和参照光束；控制待测样品在测试光束的输出光路上移动，并分别采集相关能量数据；再保持待测样品位置不变；调节测试光束和参照光束输出的光能量由小到大逐渐变化，并分别采集第二组能量数据；根据两组能量数据，确定待测样品随入射光能流密度变化的光能量吸收率。本申请中采用两种不同的方式分别采集两组能量数据，扩大待测样品表面能流密度变化范围区间，提高基于采集的能量数据确定的光能量吸收率的可用性。本申请还提供了一种物质的光能量吸收率测量装置和系统，具有上述有益效果。

Description

一种物质的光能量吸收率测量方法、装置、系统
技术领域
本发明涉及非线性光学技术领域，特别是涉及一种物质的光能量吸收率测量方法、装置、系统。
背景技术
在非线性光学领域中，物质的高阶非线性极化率是物质产生光学非线性效应的核心参数。一般而言，具有较高非线性极化率的物质包括两大类：有机共轭分子材料以及无机半导体材料。对于物质的高阶非线性极化率的测量对尤其是有机共轭分子材料等物质的广泛应用存在重要意义。
目前对某一物质的高阶非线性极化率的检测主要是检测待测物质随着辐照在其表面的光斑能流密度变化对光线吸收率的变化。改变待测物表面的光斑能流密度有两种方式，一种是Z扫描技术，通过改变待测物质距离光源的距离实现光斑能流密度的改变，另一种是I扫描技术，通过改变光源输出光束的能量大小实现光斑能流密度的改变。采用这两种方式均能够在一定程度上测得物质对光线的吸收率随其表面光斑能流密度的变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种物质的光能量吸收率测量方法、装置、系统，提高非线性物质的非线性光学效应检测的的准确性和可用性。
为解决上述技术问题，本发明提供一种物质的光能量吸收率测量方法，包括：
预先搭建可输出两束相同光束且输出光束能量大小可调的测量光路结构，两束相同所述光束分别为测试光束和参照光束，且所述光束输出光路上具有汇聚焦点；
控制所述待测样品在所述测试光束的输出光路上移动，并分别采集所述参照光束的第一参照能量数据和所述测试光束透过所述待测样品的第一测试能量数据；
控制所述待测样品在所述测试光束的输出光路上偏离所述汇聚焦点的位置不变；
调节所述测试光束和所述参照光束输出的光能量由小到大逐渐变化，并分别采集所述参照光束的第二参照能量数据和所述测试光束透过所述待测样品的第二测试能量数据；
根据所述第一参照能量数据、所述第一测试能量数据、所述第二参照能量数据和所述第二测试能量数据，确定所述待测样品随入射光能流密度变化的光能量吸收率。
可选地，控制所述待测样品在所述测试光束的输出光路上移动，包括：
调节所述测试光束的光束能量为不大于预设能量阈值的固定能量光束，并调节移动所述待测样品的位置。
可选地，控制所述待测样品在所述测试光束的输出光路上的位置不变，包括：
控制所述待测样品位于所述测试光束入射的光斑扩大因子为
Figure BDA0002807973130000021
的位置。
可选地，调节所述测试光束和所述参照光束由小到大逐渐变化，包括：
控制所述测试光束和所述参照光束输出的光能量由不小于所述预设能量阈值的初始光能量的逐渐增大。
可选地，根据所述第一参照能量数据、所述第一测试能量数据、所述第二参照能量数据和所述第二测试能量数据，确定所述待测样品随入射光能流密度变化的光能量吸收率，包括：
根据所述第一测试能量数据和所述第一参照能量数据的比值，确定所述待测样品的表面光能流密度在第一能流密度范围内时，随光能流密度变化的第一吸收率；
根据所述第二测试能量数据和所述第二参照能量数据的比值，确定所述待测样品的表面光能流密度在第二能流密度范围内时，随光能流密度变化的第二吸收率；
将所述第一吸收率和所述第二吸收率进行拼接，获得所述待测样品的表面光能流密度从所述第一能流密度范围最小值到所述第二能流密度范围最大值变化的吸收率；
其中，所述第一能流密度范围的最小值小于所述第二能流密度范围的最小值，所述第一能流密度范围的最大值大于所述第二能流密度范围的最小值且小于所述第二能流密度范围的最大值。
本申请还提供一种物质的光能量吸收率测量装置，预先搭建好的测量光路结构为可分别输出两束相同且能量大小可调的参照光束和测试光束的光路，且所述待测样品位于所述测试光束的输出光路上且位置可调；
所述装置包括：
第一控制模块，用于控制所述待测样品在所述测试光束的输出光路上移动，并分别采集所述参照光束的第一参照能量数据和所述测试光束透过所述待测样品的第一测试能量数据；
第二控制模块，控制所述待测样品在所述测试光束的输出光路上偏离所述汇聚焦点的位置不变；
第三控制模块，用于调节所述测试光束和所述参照光束输出的光能量由小到大逐渐变化，并分别采集所述参照光束的第二参照能量数据和所述测试光束透过所述待测样品的第二测试能量数据；
吸收率运算模块，用于根据所述第一参照能量数据、所述第一测试能量数据、所述第二参照能量数据和所述第二测试能量数据，确定所述待测样品随入射光能流密度变化的光能量吸收率。
本申请还提供一种物质的光能量吸收率测量系统，包括测量光路结构；设置在所述测量光路结构的输出光路上的第一能量计、第二能量计、样品承载台；和所述测量光路结构、所述第一能量计、所述第二能量计以及样品承载台相连接的处理器；
所述测量光路结构用于输出两束相同光束且输出光束能量大小可调，两束相同所述分别为测试光束和参照光束且输出光路上具有汇聚焦点；
所述第一能量计和所述第二能量计分别位于所述测试光束的输出光路上和所述参照光束的输出光路上；
所述样品承载台位于所述测试光束的输出光路上，且位于所述测量光路结构和所第一能量计之间，用于承载待测样品；
所述处理器用于控制所述样品承载台带动所述待测样品在所述测试光束的输出光路上移动；调节所述测量光路结构输出的测试光束和参照光束的能量大小；利用所述第一能量计和所述第二能量计分别采集所述测试光束透过所述待测样品的测试能量数据和所述参考光束的参照能量数据，以执行实现如上任一项所述的物质的光能量吸收率测量方法的操作步骤。
可选地，所述测量光路结构可以包括光源，设置在所述光源输出光路上的能量控制元件，设置在所述能量控制元件输出光路上的分光元件，分别设置在所述分光元件两个输出光路上的两个聚光透镜。
可选地，所述能量控制元件包括电动旋转台、半波片以及格兰棱镜；
所述半波片设置在所述光源的输出光路上，所述格兰棱镜设置在所述半波片的输出光路上；
所述半波片和所述电动旋转台相连接，所述处理器通过所述电动旋转台控制所述半波片旋转。
可选地，所述样品承载台和驱动电机相连接，所述处理器通过所述驱动电机驱动调节所述样品承载台的位置。
本发明所提供的物质的光能量吸收率测量方法，包括预先搭建可输出两束相同光束且输出光束能量大小可调的测量光路结构，两束相同分别为测试光束和参照光束，且输出光路上具有汇聚焦点；控制待测样品在测试光束的输出光路上移动，并分别采集参照光束的第一参照能量数据和测试光束透过待测样品的第一测试能量数据；控制待测样品在测试光束的输出光路上的位置不变；调节测试光束和参照光束输出的光能量由小到大逐渐变化，并分别采集参照光束的第二参照能量数据和测试光束透过待测样品的第二测试能量数据；根据第一参照能量数据、第一测试能量数据、第二参照能量数据和第二测试能量数据，确定待测样品随入射光能流密度变化的光能量吸收率。
本申请中在对待测样品的吸收率进行检测时，采用改变待测样品在测试光束上的输出光路上的位置和改变测试光束的能量两种不同的方式分别测试两组测试能量数据和参照能量数据，并以此作为确定待测样品随光斑能流密度变化对光能量的吸收率，在很大程度上扩大了待测样品表面能流密度变化范围区间，进而提高吸收率变化的测量结果的准确性和可用性，有利于对物质光学非线性效应的研究。
本申请还提供了一种物质的光能量吸收率测量装置和系统，具有上述有益效果。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为Z扫描技术的光路原理示意图；
图2为I扫描技术的光路原理示意图；
图3为本申请实施例提供的物质的光能量吸收率测量方法的流程示意图；
图4为本申请实施例提供的测量光路结构的示意图；
图5为本发明实施例提供的物质的光能量吸收率测量装置的结构框图；
图6为本申请实施例提供的物质的光能量吸收率测量系统的结构示意图；
图7为本申请实施例提供的随第一能量值辐照时间变化对应的第二能量值变化趋势曲线示意图；
图8为本申请实施例提供的待测样品的能流密度输入输出曲线示意图。
具体实施方式
传统的用于测量光学非线性效应的常用技术—Z扫描技术；参考图1，图1为Z扫描技术的光路原理示意图，主要包括输出光线的供能光源01以及设置在供能光源01输出光路上的凸透镜02，待测物质03设置在凸透镜02的输出光路上，通过移动待测物质03从t1移动到t2再到t3，使得入射到待测物质03表面的光斑大小发生变化进而使得待测物质03表面的光斑光能流密度发生变化；与此同时，检测该待测物质03移动至不同位置时对光线的吸收率，由此即可确定待测物质03随光能流密度变化的光能吸收率，进而实现待测光学非线性效应的检测。
Z扫描技术尽管可以实现物质对光能吸收率的检测，但是如果供能光源01输出的光线能量过高，当待测物质03移动至t2位置附件时，待测物质03可能会因为辐照其表面的光能流密度过高导致待测物质03产生不可逆损伤，如果供能光源01输出的光线能量过低，即便待测物质03从t1移动至t3位置，其表面的光能能流密度可变化的范围也就大大减小，难以实现光能能流密度宽范围变化对应的吸收率测量，并且在待测物质03接近t2位置附近也即是凸透镜02的焦点位置附近时，待测物质03每移动一定距离时，光能能流密度变化速率也过大，导致测得的吸收率精度不够。
而另一种测量光学非线性效应的常用技术—I扫描技术，如图2所示，图2为I扫描技术的光路原理示意图。I扫描技术同样是通过供能光源01通过凸透镜02向待测物质03输出光束。不同的是，待测物质03位于距离凸透镜02的焦点一定距离的固定位置，且供能光源01输出的光线能量逐渐变化，进而使得待测物质03表面的光能能流密度发生变化，实现待测物质03随能流密度变化的光能量吸收率。
I扫描技术在一定程度上避免待测物质03在凸透镜02的焦点位置附近产生而过不可逆损伤的问题。但是在实际测试过程中，当光束的能量偏低时，I扫描技术几乎检测不到待测物质03对能量吸收率的变化，也即是说I扫描技术只适合检测待测物质03表面的能流密度偏高时对光能吸收率的变化。
为此，本申请中基于I扫描技术和Z扫描技术的缺陷，提供了一种既能够避免待测物产生不可逆损伤又能够测得能流密度变化范围较大的光能吸收率变化的技术方案。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图3和图4所示，图3为本申请实施例提供的物质的光能量吸收率测量方法的流程示意图，图4为本申请实施例提供的测量光路结构的示意图。该测量方法的过程可以包括：
S1：预先搭建可输出两束相同光束且输出光束能量大小可调的测量光路结构。
其中，两束相同光束中一束光束为测试光束另一束光束为参照光束，且两束相同光束的输出光路上具有汇聚焦点，一般是通过平行光束透过凸透镜形成的光束。
如图2所示，在预先搭建好的测试光路中，具有输出光束能量可调的光源装置11，将光源装置11输出的光线通过分光元件12分成两束相同的光束，每个光束的输出光路上各设置一个聚光透镜，设定两个聚光透镜分别为第一聚光透镜13和第二聚光透镜14。由第一聚光透镜13和第二聚光透镜14透射出的光束即为汇聚光束，光束的汇聚焦点即为两个聚光透镜的焦点，显然两个第一聚光透镜13和第二聚光透镜14透射的光束为完全相同的光束。
可以以第一聚光透镜13透射的光束为测试光束，在第一聚光透镜13输出光路的光轴上依次设置有待测样品001和第一能量计21，待测样品可以在第一聚光透镜13的输出光路上移动；第二聚光透镜14透射的光束为参照光束，第二聚光透镜14输出光路的光轴上设置有第二能量计22。
因为第一聚光透镜13输出的测试光束和第二聚光透镜14输出的参照光束为两束相同的光束，而第一能量计21检测的是测试光束透过待测样品之后入射到第一能量计21的光能量；而第二能量计22检测的则是参照光束输出的光能量。由此，第一能量计21测得的光能量和第二能量计22测得的光能量比例即为待测样品对光能量的吸收率。第一能量计21和第二能量计22一般可以采用为光电感应器件，或者其他感光传感器，对此本申请中不做具体限制。
S2：控制待测样品在测试光束的输出光路上移动，并分别采集参照光束的第一参照能量数据和测试光束透过待测样品的第一测试能量数据。
需要说明的是，在将待测样品001在测试光束的输出光路上移动，也即是在第一聚光透镜13的输出光路上移动时，光源装置11输出的光束能量不进行调节进行使得其输出的光束能量几乎保持不变，且考虑到待测样品001在第一聚光透镜13的输出光路上移动的范围较大且会经过第一聚光透镜13的焦点位置。因此，光源装置11输出的光束能量应当保持在较低的能量范围，可以设定一个预设能量阈值，控制光源装置11输出光束的能量不大于该预设能量阈值大小即可，具体大小本实施例中不做限制。
在待测样品001在测试光束的输出光路上移动时，因为待测样品001和第一聚光透镜13的距离不同，待测样品001表面的光斑大小会随着该距离的不同而不同，在第一聚光透镜13输出的光束能量不变的情况下，待测样品001表面光斑越大，辐照到待测样品001表面的光能流密度越小，反之，辐照到待测样品001表面光斑越小，光能流密度越大。
待测样品001在第一聚光透镜13上移动的距离应调节至焦距的80％以上，待测样品001每移动至一个位置，设置在第一聚光透镜13的输出光路上的第一能量计21即可测得测试光束透过待测样品001后的一个光束能量数据，也就对应一个光能流密度大小的能量数据；随着待测样品的移动，待测样品的光能流密度不同，待测样品对测试光束能量的吸收也就不同，第一能量计21即可测得不同的多个光束能量数据，也即是第一测试能量数据。相应地，第二能量计22也可以测得参考光束的光能量，输出第一参照能量数据。
需要说明的是，对于光源输出的测试光束和参照光束而言，光束能量理论上是保持恒定不变的。但是在实际应用过程中，光源的能量大小不可能是完全恒定，而是在较小的波动范围内波动。为了避免在待测样品001在各个不同测试位置点检测第一参照数据和第一测量数据时，对应的光束能量大小不同，可以在每个测试位置点，分别通过第一能量计和第二能量计测量多个能量测量数据和多个参照测量数据，并以每个位置点对应的多个能量测量数据的平均值作为该位置点对应的第一测量数据，以每个位置点对应的多个能量参考数据的平均值作为该位置点对应的第一参考数据。
S3：控制待测样品在测试光束的输出光路上偏离汇聚焦点的位置不变。
该控制待测样品001可以设置在第一聚光透镜13的焦点位置附近保持位置不变，具体可以是在第一聚光透镜13输出光束的光斑扩大因子为
Figure BDA0002807973130000091
的位置。
S4：调节测试光束和参照光束输出的光能量由小到大逐渐变化，并分别采集参照光束的第二参照能量数据和测试光束透过待测样品的第二测试能量数据。
为了避免过渡的重复测试，待测样品001的位置在第一聚光透镜13的输出光路上保持不变时，将光源装置11输出的光束能量由小到大逐步变化，光源装置11输出的光束能量的初始大小，可以是略大于待测样品001在第一聚光透镜13的输出光路上移动时光源装置11输出的光能量的大小，例如，可以是大于上述的预设能量阈值的大小。
显然，当光源装置11输出的光能量大小发生变化时，辐照在待测样品表面的光能流密度相应的也会发生变化。可以控制光源装置11输出的光能量大小从而调节测试光束和参照光束输出的光能量由不小于预设能量阈值的初始光能量的逐渐增大。
光源装置11输出的光能量每变化一定大小时，第一能量计21和第二能量计22分别测一组第二测试能量数据和第二参数数据。之后再继续增大光源装置11输出的光能量，并再次采集一组第二测试能量数据和第二参数数据，如此循环往复，即可测得多组第二测试能量数据和第二参数数据。
S5：根据第一参照能量数据、第一测试能量数据、第二参照能量数据和第二测试能量数据，确定待测样品随入射光能流密度变化的光能量吸收率。
可选地，根据第一测试能量数据和第一参照能量数据的比值，确定待测样品001的表面光能流密度在第一能流密度范围内时，随光能流密度变化的第一吸收率；
根据第二测试能量数据和第二参照能量数据的比值，确定待测样品的表面光能流密度在第二能流密度范围内时，随光能流密度变化的第二吸收率；
将第一吸收率和第二吸收率进行拼接，获得待测样品001的表面光能流密度从第一能流密度范围最小值到第二能流密度范围最大值变化的吸收率；
其中，第一能流密度范围的最小值小于第二能流密度范围的最小值，第一能流密度范围的最大值大于第二能流密度范围的最小值且大于第二能流密度范围的最大值。
将各个第一测试能量数据分别和第一参照能量数据进行比值运算，即可获得一组随着光能流密度变化而变化的待测样品001对光能量吸收率。同理，根据每组第一测试能量数据和第二参数数据进行比值运算，也可获得一组随着光能流密度变化而变化的待测样品对光能量吸收率。
基于上述论述可知，本实施例中当待测样品001在第一聚光透镜13的输出光路上移动，检测第一参照能量数据和第一测试能量数据，相当于采用Z扫描技术检测待测样品001对光能量的吸收率的变化，而当待测样品001的位置保持不变，而光源装置11输出的能量变化时，相当于采用I扫描技术检测待测样品001对光能量的吸收率的变化。
如前所述，现有技术中Z扫描技术容易导致待测样品001的产生损伤，而I扫描技术难以检测待测样品001在光能流密度较低区域对光能量的吸收率。
为此，本实施例中在对待测样品进行检测时，同时采用Z扫描技术和I扫描技术相结合。在采用Z扫描技术对待测样品001进行吸收率检测时，随着待测样品001的位置移动，设定待测样品001表面辐照的光能流密度的变化范围为第一能流密度范围。因为光源装置11输出的光束能量较低，因此第一能流密度范围内的能流密度大小偏小。
在采用I扫描技术对待测样品001进行吸收率检测时，设定待测样品001表面辐照的光能流密度随光源输出光束能量变化的变化范围为第二能流密度范围。那么第二能流密度范围内的能流密度大小偏大。
将第一能流密度范围和第二能流密度范围内，随光能流密度变化待测样品001对光能量的吸收率相拼接，也即可确定第一能流密度范围和第二能流密度范围叠加组合的能流密度范围内，随光能流密度变化待测样品001对光能量的吸收率。
综上所述，本申请中在对待测样品检测随光能流密度变化的光能量吸收率时，可以采用较低的能量光束对待测样品进行Z扫描技术检测，确定待测样品随光能流密度在低范围变化的光能量吸收率，避免待测样品产生损伤的同时，确定低能流密度区段，待测样品的光能量吸收率；而再逐渐增大光束能量，对待测样品进行I扫描技术检测，确定待测样品随光能流密度在高能流密度范围变化的光能量吸收率，再将两个能流密度区段随能流密度变化的光能吸收率进行组合拼接，也就可以在避免对待测样品产生损伤的基础上，实现能流密度宽范围变化对应的光能吸收率的测量，有利于对各种非线性待测物质的非线性光学效应的研究和应用。
下面对本发明实施例提供的物质的光能量吸收率测量装置进行介绍，下文描述的物质的光能量吸收率测量装置与上文描述的物质的光能量吸收率测量方法可相互对应参照。
图5为本发明实施例提供的物质的光能量吸收率测量装置的结构框图，参照图5的物质的光能量吸收率测量装置中应用的测量光路结构为预先搭建的可输出两束相同光束且输出光束能量大小可调的测量光路结构，两束相同所述光束分别为测试光束和参照光束，且所述光束输出光路上具有汇聚焦点；
该物质的光能量吸收率测量装置包括：
第一控制模块100，用于控制所述待测样品在所述测试光束的输出光路上移动，并分别采集所述参照光束的第一参照能量数据和所述测试光束透过所述待测样品的第一测试能量数据；
第二控制模块200，控制所述待测样品在所述测试光束的输出光路上的位置不变；
第三控制模块300，用于调节所述测试光束和所述参照光束输出的光能量由小到大逐渐变化，并分别采集所述参照光束的第二参照能量数据和所述测试光束透过所述待测样品的第二测试能量数据；
吸收率运算模块400，用于根据所述第一参照能量数据、所述第一测试能量数据、所述第二参照能量数据和所述第二测试能量数据，确定所述待测样品随入射光能流密度变化的光能量吸收率。
本实施例的物质的光能量吸收率测量装置用于实现前述的物质的光能量吸收率测量方法，因此物质的光能量吸收率测量装置中的具体实施方式可见前文中的物质的光能量吸收率测量方法的实施例部分，例如，第一控制模块100，第二控制模块200，第三控制模块300，吸收率运算模块400，分别用于实现上述物质的光能量吸收率测量方法中步骤S12至S15，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。
本申请还提供了一种物质的光能量吸收率测量系统，如图6所示，图6为本申请实施例提供的物质的光能量吸收率测量系统的结构示意图。该系统可以包括：
测量光路结构10；
设置在测量光路结构10的输出光路上的第一能量计21、第二能量计22、样品承载台30；
和测量光路结构10、第一能量计21、第二能量计22以及样品承载台30相连接的处理器40；
测量光路结构10用于输出两束相同光束且输出光束能量大小可调，两束相同分别为测试光束和参照光束且输出光路上具有汇聚焦点；
第一能量计21和第二能量计22分别位于测试光束的输出光路上和参照光束的输出光路上；
样品承载台30位于测试光束的输出光路上，且位于测量光路结构10和所第一能量计21之间，用于承载待测样品001；
处理器40用于控制样品承载台30带动待测样品001在测试光束的输出光路上移动；调节测量光路结构10输出的测试光束和参照光束的能量大小；利用第一能量计21和第二能量计22分别采集测试光束透过待测样品001的测试能量数据和参考光束的参照能量数据，以执行实现如上任一项的物质的光能量吸收率测量方法的操作步骤。
该处理器40和测量光路结构，处理器40可以控制测量光路结构10中输出的测试光束和参照光束的光束能量同步变化。
处理器40还可以和以及控制样品承载台30的驱动装置相连接，待测样品001置于样品承载台30上，处理器40通过控制驱动装置带动控制样品承载台30移动，即可实现待测样品001的位置的变化。
处理器40还分别和第一能量计21以及第二能量计22相连接，采集第一能量计21和第二能量计22输出的测试能量数据和参照能量数据。
处理器40通过控制样品承载台的移动以及测量光路结构输出的测试光束和参照光束的光束能量同步变化，采集第一能量计和第二能量计输出的能量数据，将Z扫描技术和I扫描技术测得的不同能流密度范围内，随能流密度变化而变化的待测样品001对光能量的吸收率相拼接，实现待测样品001在能流密度宽范围变化下的吸收率，提高了待测样品001的光能量吸收率的准确性，有利于对非线性物质的非线性光学效应的研究。
可选地，在本申请的一种可选地实施例中，测量光路结构10可以包括：
光源111，设置在光源111输出光路上的能量控制元件112，设置在能量控制元件112输出光路上的分光元件12，分别设置在分光元件12两个输出光路上的两个聚光透镜，两个聚光透镜也即可以是第一聚光透镜13和第二聚光透镜14。
该光源111可以包括激光器和电源，电源为激光器供电使得激光器输出高斯基模光束，为待测样品001提供辐照光能量。
对于能量控制元件112可以包括电动旋转台、半波片1121以及格兰棱镜1122；
半波片1121设置在光源111的输出光路上，格兰棱镜1122设置在半波片1121的输出光路上；
半波片1121和电动旋转台相连接，处理器40通过电动旋转台控制半波片1121旋转。
半波片1121能改变光的偏振方向，与格兰棱镜1122配合即可改变出射光能量，由于只需简单旋转半波片1121使偏振方向和格兰棱镜1122的晶轴成的夹角相应变化即可改变入射至分光元件12的光束能量。当然该格兰棱镜1122也可以采用偏振片代替。
可选地，为了保证在经过半波片1121输出光束的能量变化时，输出的光斑大小维持在一个稳定的光斑大小，可以在半波片和分光元件12之间设置一个光阑15。
为了进一步地说明本申请的技术方案，下面结合物质的光能量吸收率测量系统和上述的物质的光能量吸收率测量方法，对本申请中的测量过程进一步的进行介绍。
在本申请的一种可选的实施例中，物质的光能量吸收率测量过程可以包括：
1)空置样品承载台30，通过电动旋转台调节半波片1121和格兰棱镜1122出射的光能量至第一能量计21和第二能量计22能接收最小的稳定能量数值的角度，控制调节半波片1121的角度逐步增加至半波片1121和格兰棱镜1122出射的光能量最高的角度，得到光束由第一能量计13直接接收的信号光能量以及对应时刻由第二能量计14直接接收的参考光束的能量，记为第一能量值E1和第二能量值E2。计算两者之比SRR＝E1/E2，并通过多项式拟合获得分光比函数(信号-参考光分光比Signal-to-ReferenceRatio)，即SRR(E2)，记录多项式系数。
2)通过控制旋转半波片1121旋转至特定位置，使激光器出射光经过格兰棱镜1122之后的能量为较低的恒定能量值。控制样品承载台30台带动待测样品001移动到初始位置，让待测样品001表面光斑能流密度尽量降低，使待测样品001不足以产生光学非线性，从而使待测样品001此时的透光率与线性透光率几乎一致。控制待测样品001沿第一聚光透镜13的光轴方向移动，记录第一能量计的输出的第一能量值E1和第二能量计输出的第二能量值E2，同时记录对应的待测样品001在光轴上的位置。
如前所述，为了保证待测样品001在各个测试位置上时，光源111通过半波片1121输出能量恒定，需要在各个位置点通过第一能量计21和第二能量计22测得多组能量数据，因此该步骤测得的E1和E2均是在每个位置点测量多组对应的E1和E2。
3)将每个测量位置点对应的E1和E2分别求平均获得
Figure BDA0002807973130000151
和
Figure BDA0002807973130000152
将
Figure BDA0002807973130000153
与对应的分光比函数SRR(E2)相乘转化为通过待测样品001之前的光源输入能量值
Figure BDA0002807973130000154
记
Figure BDA0002807973130000155
进一步地，基于如下公式：
Figure BDA0002807973130000156
确定出待测样品001输出的能流密度Fout，其中Fin为入射光束在待测样品001表面的能流密度，F为入射光束能量；ω为光斑半径；z为待测样品001在第一聚光透镜13在光轴上的位置；ω0为束腰半径，z0为瑞利半径，λ为入射光束波长。
4)选择合适的光斑扩大因子ρ，其范围最好设置在
Figure BDA0002807973130000161
之间，通过
Figure BDA0002807973130000162
确定样品承载台30带动待测样品001移动的位置。控制半波片1121的角度将能量逐渐调高，多次重复测量第一能量计21输出的第一能量值E1和第二能量计22输出的第二能量值E2。
5)根据多次测量的第一能量计21输出的第一能量值
Figure BDA0002807973130000163
和第二能量计22输出的第二能量值
Figure BDA0002807973130000164
得到
Figure BDA0002807973130000165
通过公式
Figure BDA0002807973130000166
计算输出能流密度Fout。
因为光源111通过半波片1121输出的光束能量是随着每次测量而变化的，为此以向量值表示第一能量计21和第二能量计22测得的第一能量值
Figure BDA0002807973130000167
和第二能量值
Figure BDA0002807973130000168
当随E1辐照时间变化对应的E2的变化曲线趋势，即在平均值周围波动的趋势不同时，如图7所示，图7为本申请实施例提供的随第一能量值辐照时间变化对应的第二能量值变化趋势曲线示意图。基本可以判断入射至待测样品001的脉冲能量已高于待测样品001的损伤阈值。
6)将步骤3)和步骤5)得到的输入输出能流密度组合起来，以Fin为x轴，Fout为y轴即可得到宽动态范围的能流密度输入输出曲线，如图8所示，图8为本申请实施例提供的待测样品的能流密度输入输出曲线示意图。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种物质的光能量吸收率测量方法，其特征在于，包括：
预先搭建可输出两束相同光束且输出光束能量大小可调的测量光路结构，两束相同所述光束分别为测试光束和参照光束，且所述光束输出光路上具有汇聚焦点；
控制待测样品在所述测试光束的输出光路上移动，并分别采集所述参照光束的第一参照能量数据和所述测试光束透过所述待测样品的第一测试能量数据；
控制所述待测样品在所述测试光束的输出光路上偏离所述汇聚焦点的位置不变；
调节所述测试光束和所述参照光束输出的光能量由小到大逐渐变化，并分别采集所述参照光束的第二参照能量数据和所述测试光束透过所述待测样品的第二测试能量数据；
根据所述第一参照能量数据、所述第一测试能量数据、所述第二参照能量数据和所述第二测试能量数据，确定所述待测样品随入射光能流密度变化的光能量吸收率。
2.如权利要求1所述的物质的光能量吸收率测量方法，其特征在于，控制所述待测样品在所述测试光束的输出光路上移动，包括：
调节所述测试光束的光束能量为不大于预设能量阈值的固定能量光束，并调节移动所述待测样品的位置。
3.如权利要求2所述的物质的光能量吸收率测量方法，其特征在于，控制所述待测样品在所述测试光束的输出光路上的位置不变，包括：
控制所述待测样品位于所述测试光束入射的光斑扩大因子为
Figure FDA0002807973120000011
的位置。
4.如权利要求2所述的物质的光能量吸收率测量方法，其特征在于，调节所述测试光束和所述参照光束由小到大逐渐变化，包括：
控制所述测试光束和所述参照光束输出的光能量由不小于所述预设能量阈值的初始光能量逐渐增大。
5.如权利要求1至4任一项所述的物质的光能量吸收率测量方法，其特征在于，根据所述第一参照能量数据、所述第一测试能量数据、所述第二参照能量数据和所述第二测试能量数据，确定所述待测样品随入射光能流密度变化的光能量吸收率，包括：
根据所述第一测试能量数据和所述第一参照能量数据的比值，确定所述待测样品的表面光能流密度在第一能流密度范围内时，随光能流密度变化的第一吸收率；
根据所述第二测试能量数据和所述第二参照能量数据的比值，确定所述待测样品的表面光能流密度在第二能流密度范围内时，随光能流密度变化的第二吸收率；
将所述第一吸收率和所述第二吸收率进行拼接，获得所述待测样品的表面光能流密度从所述第一能流密度范围最小值到所述第二能流密度范围最大值变化的吸收率；
其中，所述第一能流密度范围的最小值小于所述第二能流密度范围的最小值，所述第一能流密度范围的最大值大于所述第二能流密度范围的最小值且小于所述第二能流密度范围的最大值。
6.一种物质的光能量吸收率测量装置，其特征在于，预先搭建好的测量光路结构为可分别输出两束相同且能量大小可调的参照光束和测试光束的光路，且所述待测样品位于所述测试光束的输出光路上且位置可调；
所述装置包括：
第一控制模块，用于控制所述待测样品在所述测试光束的输出光路上移动，并分别采集所述参照光束的第一参照能量数据和所述测试光束透过所述待测样品的第一测试能量数据；
第二控制模块，控制所述待测样品在所述测试光束的输出光路上偏离所述汇聚焦点的位置不变；
第三控制模块，用于调节所述测试光束和所述参照光束输出的光能量由小到大逐渐变化，并分别采集所述参照光束的第二参照能量数据和所述测试光束透过所述待测样品的第二测试能量数据；
吸收率运算模块，用于根据所述第一参照能量数据、所述第一测试能量数据、所述第二参照能量数据和所述第二测试能量数据，确定所述待测样品随入射光能流密度变化的光能量吸收率。
7.一种物质的光能量吸收率测量系统，其特征在于，包括测量光路结构；设置在所述测量光路结构的输出光路上的第一能量计、第二能量计、样品承载台；和所述测量光路结构、所述第一能量计、所述第二能量计以及所述样品承载台相连接的处理器；
所述测量光路结构用于输出两束相同光束且输出光束能量大小可调，两束相同所述分别为测试光束和参照光束且输出光路上具有汇聚焦点；
所述第一能量计和所述第二能量计分别位于所述测试光束的输出光路上和所述参照光束的输出光路上；
所述样品承载台位于所述测试光束的输出光路上，且位于所述测量光路结构和所第一能量计之间，用于承载待测样品；
所述处理器用于控制所述样品承载台带动所述待测样品在所述测试光束的输出光路上移动；调节所述测量光路结构输出的测试光束和参照光束的能量大小；利用所述第一能量计和所述第二能量计分别采集所述测试光束透过所述待测样品的测试能量数据和所述参考光束的参照能量数据，以执行实现如权利要求1至5任一项所述的物质的光能量吸收率测量方法的操作步骤。
8.如权利要求7所述的物质的光能量吸收率测量系统，其特征在于，所述测量光路结构包括光源，设置在所述光源输出光路上的能量控制元件，设置在所述能量控制元件输出光路上的分光元件，分别设置在所述分光元件两个输出光路上的两个聚光透镜。
9.如权利要求8所述的物质的光能量吸收率测量系统，其特征在于，所述能量控制元件包括电动旋转台、半波片以及格兰棱镜；
所述半波片设置在所述光源的输出光路上，所述格兰棱镜设置在所述半波片的输出光路上；
所述半波片和所述电动旋转台相连接，所述处理器通过所述电动旋转台控制所述半波片旋转。
10.如权利要求7所述的物质的光能量吸收率测量系统，其特征在于，所述样品承载台和驱动电机相连接，所述处理器通过所述驱动电机驱动调节所述样品承载台的位置。
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