用于测量大尺寸各向同性透明介质中弱各向异性的测量装置及测量方法和应用

技术特征：
1.一种测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：聚光腔、固定于所述聚光腔的泵浦源、激光介质和透明介质、谐振腔、偏振测试模块、信号分析模块、弱各向异性计算模块、指示光路；所述激光介质和泵浦源固定于所述聚光腔内，其中，所述激光介质位于聚光腔的焦点处；所述聚光腔设置于所述谐振腔内；所述聚光腔用于将所述泵浦光聚焦照射在激光介质上，所述聚光腔的内壁对泵浦光高的反射率大于90％；所述泵浦源的功率为不大于100w，所述泵浦源发射的泵浦光，用于给激光介质提供泵浦光或者激励；所述激光介质的尺寸为φ(2-10)mm*(10-150)mm，所述激光介质选自各向同性激光介质，在所述泵浦光的照射下，所述激光介质的离子从低能级抽运到高能级形成粒子数反转，经过谐振腔的反馈放大产生激光，其激光输出波长与透明介质的透过范围匹配；所述谐振腔用于提供输出激光产生过程的正反馈及保证激光的持续振荡；所述透明介质选自各向同性透明介质，作为待测介质设置在所述谐振腔内；所述偏振测试模块用于测试输出激光的偏振状态，判断谐振腔是否处于最佳测量状态；所述信号分析模块用于测试输出激光的瞬态功率波动及频谱信息；所述弱各向异性计算模块根据偏振测试模块以及信号分析模块的结果计算透明介质在待测位置的弱各向异性；所述指示光路用于标记激光介质的使用位置、标记透明介质的待测位置、或用于调节谐振腔的腔镜角度。2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述泵浦源的波长对应激光介质的吸收波段。所述聚光腔的内壁镀有镜面反射材料或漫反射材料。优选地，所述泵浦源选自激光器或闪光灯。优选地，所述泵浦源的功率为大于30w且100w。优选地，所述泵浦源选用最高功率100w的半导体激光器。3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，所述激光介质选用可以输出对待测介质透过的激光波长的激光介质。优选地，所述激光介质4选自激光晶体、激光陶瓷、激光玻璃等中的至少一种。优选地，所述透明介质选用各向同性的透明介质，优选为yag晶体、ggg晶体、透明陶瓷、玻璃、高分子材料薄膜、气体或液体中的至少一种。优选地，透明介质的透过范围指透过泵浦光的波长，例如为100nm-11000nm。优选地，所述透明介质选自yag晶体、ggg晶体、透明激光陶瓷、玻璃、高分子材料薄膜中的至少一种。优选地，所述透明介质的尺寸为3mm*3mm*(0.01-10)mm。优选地，所述泵浦源及激光介质固定于聚光腔，整个聚光腔固定于第一四维调节架，通过第一四维调节架的移动，切换不同的激光介质使用位置。优选地，透明介质固定于第二四维调节架，通过第二四维调节架的移动，切换不同的待测位置。优选地，所述待测位置是指指示光路照射透明介质上的位置。优选地，所述第一四维调节架和第二四维调节架，可以在四个维度上进行调节，具体包括水平移动、垂直移动、水平转动、上下转动中的至少一种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的测量装置，其特征在于，所述谐振腔可以根据不同的激光介质变换不同腔型。优选地，所述谐振腔的腔型包括但不仅限于平平腔、平凹腔、凹平腔、凹平腔、双凹腔、凸平腔、平凸腔、双凸腔等中的至少一种。优选地，所述偏振测试模块包括偏振起偏棱镜。优选地，所述偏振起偏棱镜位于输出激光的光路上，且可以绕所述光路的轴线旋转。进一步优选地，所述偏振起偏棱镜固定于固定架，所述固定架以光路为中心旋转。进一步优选地，所述固定架上标有角度值，可以精确的读出旋转角度值。优选地，所述偏振测试模块还包括功率计，所述功率计用于记录偏振后输出激光的功率。5.根据权利要求1-4任一项所述的测量装置，其特征在于，所述信号分析模块依次包括光电探测器、示波器和信号分析仪，其中，信号分析仪用于测得偏振后射出激光的频差信号，频差信号优选为δν。优选地，当输出激光射入光电探测器后，光电探测器产生信号传递给示波器以及信号分析仪。优选地，所述弱各向异性计算模块根据第一公式和第二公式获取所述激光介质在待测位置的弱各向异性。优选地，所述第一公式为：per＝10
×
lg(p0/p1)(db)，其中，per表示输出激光的偏振比，p1表示偏振后输出激光的最小功率，p0表示偏振后输出激光的最大功率，p1和p0的单位为mw。优选地，所述第二公式为：a＝|a
b-a
a
|，其中，a
a
＝π*δν
a1
/δν
c1
，a
b
＝π*δν
b1
/δν
c2
，a
a
表示各向同性激光介质的弱各向异性，a
b
表示插入各向同性透明介质后的总的弱各向异性,π为圆周率，a为绝对值，δν
a1
、δν
b1
分别为插入透明介质前、后的频差，δν
c1
、δν
c2
分别为插入透明介质前、后的纵模间隔。6.根据权利要求1-5任一项所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括聚光腔，所述聚光腔用于将所述泵浦光反射聚焦在激光介质上，聚光腔的内壁对泵浦光高反射。7.根据权利要求1-6任一项所述的测量装置，其特征在于，所述指示光路包括可见光和带小孔的光屏。优选地，所述可见光选自方向性较好的可见光。例如为红色he-ne激光器可见光、红色半导体激光器、蓝色半导体激光器，绿色激光笔等。优选地，所述测量装置还设置有外场施加单元，所述外场施加单元用于对所述激光介质和/或透明介质分别施加外场。优选地，所述外场包括但不仅限于压力、温度、电场等中的至少一种。8.一种各向同性透明介质的弱各向异性的测量方法，所述方法采用权利要求1-7任一项所述的测量装置进行，所述测量方法包括如下步骤：(1)打开指示光路，将谐振腔、激光介质任选的透明介质参照指示光路对齐，通过泵浦源输出泵浦光，将指示光照射在激光介质的位置标定为激光介质使用位置。优选地，微调谐振腔的角度，使输出激光的功率最大。优选地，所述激光介质的使用位置通过第一四维调节架切换。(2)固定谐振腔的角度，用偏振测试模块测量输出激光的偏振比。优选地，所述偏振比的测试方法具体包括：旋转偏振测试模块中的格兰棱镜，记录不同偏振角度下输出激光的功率值，按照上述第一公式计算出输出激光的偏振比。
优选地，通过旋转固定架旋转格兰棱镜，同时记录固定架上的角度值，即为偏振角度。优选地，所述偏振角度为0
°‑
360
°
。(3)微调谐振腔的角度，重复步骤(1)-(2)，使偏振比达到最低值。优选地，所述谐振腔的角度范围为-10
°
到10
°
，所述谐振腔的角度是指腔镜中心法线与指示光路的角度。(4)当偏振比达到最低值时保持谐振腔的角度不变，将输出激光接入信号分析模块，测得频差信号δν
a1
，δν
c1
，其中δν
c1
为插入透明介质前的为纵模间隔，与c/2l值保持一致，l为谐振腔的等效腔长，c为光速。(5)插入待测透明介质，将指示光照射在透明介质的位置标记为待测位置，重复步骤(2)-(4)，测得插入透明介质后的频差信号：δν
b1
、δν
c2
，其中δν
c2
为插入透明介质后的纵模间隔，与c/2l’值保持一致，其中，l’为插入透明介质后的等效腔长，与透明介质的折射率及厚度有关系。优选地，所述透明介质的待测位置通过第二四维调节架切换。(6)弱各向异性计算模块通过所述第二公式计算待测位置的透明介质的弱各向异性。优选地，为保证测试的准确性，减小误差，所述测量方法还包括：取出待测各向同性透明介质，调节各向异性后，重复所述步骤(1)-(6)，为减小测量误差，测试n次后，取平均值得出该待测位置的弱各向异性，即为该待测位置的弱各向异性。优选地，调节激光介质的各向异性包括调节激光介质的位置或调节外场施加在激光介质的单元。9.权利要求1-7任一项所述的测量装置或通过权利要求8所述的测量方法测量各向同性激光介质的弱各向异性在材料性能测试领域的应用。10.一种激光器，其特征在于，所述激光器中含有权利要求1-7任一项所述的测量装置或通过权利要求8所述的测量方法测量各向同性激光介质的弱各向异性。

技术总结
本发明公开了用于测量大尺寸各向同性透明介质的弱各向异性测量装置及测量方法，属于材料性能测试技术领域。本发明的测量装置包括：聚光腔、固定于所述聚光腔的泵浦源、激光介质和透明介质、谐振腔、偏振测试模块、信号分析模块、弱各向异性计算模块、指示光路；所述激光介质和泵浦源固定于所述聚光腔内，其中，所述激光介质位于聚光腔的焦点处；所述聚光腔设置于所述谐振腔内。本发明还提供通过上述测量装置的测量方法和应用。本发明解决了现有技术中难以精确测量各向同性透明介质的弱各向异性的问题，本发明采用偏振检测及信号分析结合的方式，大大提高了检测精度、速度、准确性。准确性。准确性。


技术研发人员：李丙轩 张戈 黄凌雄 廖文斌 林长浪 陈玮冬
受保护的技术使用者：中国科学院福建物质结构研究所
技术研发日：2021.12.27
技术公布日：2022/4/22