基于光热位移法的KDP晶体吸收系数的测量(2)

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目前，人们在实验室里研究核聚变反应主要采用惯性约束核聚变装置（ICF）[1，2]现，惯性约束核聚变是未来获取核能环保能源最有前途的手段之一。它的引发是通过激光或粒子来完成的，是一种可控的热核爆炸，因而受到了世界各国的重视。不仅美国在大踏步的执行点火计划，法国、俄罗斯、英国和日本等国家也纷纷行动，形成了一股国际性的发展高功率激光器作为ICF驱动器的研究潮流。我国自80年代开始开展激光核聚变的研究以来，也已经取得了迅速的发展

在惯性约束核聚变装置（ICF）中，大口径的KDP晶体作为频率转换及调Q开关唯一可用的光学元件，其材料质量、元件加工质量都严重影响着装置最终指标的实现。所以，本文对KDP晶体的研究显得尤为的必要。

1.1.2 KDP晶体吸收系数的影响

KDP晶体，又名磷酸二氢钾(KH2PO4)晶体，是20世纪30年代发展起来的一种优良的电光非线性光学材料，广泛应用于激光变频、电光调制和光快速开关等高技术领域。这种晶体具有多功能的性质，它又是一种性能较优良的电光晶体材料。另外，KDP晶体具有较大的电光非线性系数、较高的激光损伤阈值并且能够生长到较大的尺寸，所以，大截面KDP晶体是目前唯一可应用于惯性约束核聚变(ICF)中的非线性光学材料。从水溶液中可以很容易地生长出高光学质量和特大尺寸的KDP晶体，它的透光波长从紫外到近红外区，而且其激光损失阀值中等，倍频阀值功率在100MW以上并容易实现相位匹配等优点，是高功率激光系统中较理想的频率转换晶体材料。

但是大口径KDP晶体在生产过程中会由于材料纯度、生产工艺等各种原因，产生绿带等杂质，从而影响晶体的光吸收均匀性，会影响晶体的频率转换效率，导致晶体内部热吸收不均匀，产生KDP晶体面形的较大变形，从而导致三倍频出射光能量不均匀，无法评估总体的效率及到达靶点的能量。因此在材料的生长和进货环节需要严格检测光吸收系数这一指标。

1.2 晶体吸收系数的一般测量方法源]自=751-^论-文"网·www.751com.cn/

目前对于小口径的光学元件，可以采用热像仪，光热透镜，光谱仪等仪器进行检测，检测精度较高，但是对检测的环境要求较高，检测结果的稳定性较差。关键是这些技术无法对大口径的光学元件进行检测。对于大口径的光学元件，目前仍然缺乏高精度的测量设备，需要建立一套大口径晶体材料光吸收均匀性的检测平台。对于吸收系数一般都比较小晶体，目前常用的测量弱吸收的手段主要有光热法和量热法。

1.2.1 量热法测量吸收系数[3，4]

量热法是目前测量光学元件的国际标准，其优点就是能够直接测量出吸收系数的绝对值（不需要定标），而且装置简单。吸收系数的测量灵敏度与装置设计和制备中的诸多因素，如温度传感器的灵敏度、样品室的隔热性能、信号处理电路的噪声水平等密切相关。目前国际上先进的量热装置的测量灵敏度已经达到10-6量别。

光束偏斜法测量光路图

图1.1 激光量热法原理图

激光量热法的测量原理（如图1.1）是通过测量光学元件因吸收照射激光束能量而产生的温度上升来确定光学元件的吸收系数。根据国际规定，测量过程包括照射前（至少30s）、照射加热（5~300s）和冷却（至少200s）三个过程。一套典型的激光量热装置主要包括加热激光器、光束整形及监视系统、样品夹具及温度测量元件、数据处理电路及控制计算机等。图为激光量热法测量吸收系数的原理示意图。样品及温度测量元件置于绝对绝热样品室以减少环境温度漂移对测量的影响。激光照射时间由计算机控制的快门决定。激光束功率由激光功率计在照射样品前后测量。当快门打开时激光照射在样品上，而当快门关闭时激光光束射到激光功率计上测量功率。样品的质量由精度为0.01g的分析天平测量，比热使用所用基板材料的文献值。测量装置可以对厚度1~10mm，直径25~50mm的各种光学元件进行测量。