反饱和吸收的光限幅的研究汇编.docx
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反饱和吸收的光限幅的研究汇编
反饱和吸收的光限幅
的研究
反饱和吸收的光限幅的研究
金纬
安徽大学物理学院
摘要：
本文综述了对人眼进行激光防护的标准及对光学器件的防护，介绍了激光防护器材的种类，重点阐
述了非线性光限幅器的研究概况和各种非线性防护材料的种类。
推导了反饱和吸收的理论模型，同
时测量并分析了一种非线性光学材料在不同线性透过率下的光限幅效应。
关键词：
非线性；反饱和吸收；光限幅器；线性透过率。
Abstract:
Thepaperintroducestheinternationalstandardofdefendeyesandopticalapparatustolaserlight.The
kindsofmaterialdefend-laserareintroduced.Itstatesgeneralsituationandvarietiesmaterialofnonlinear
lightlimitr.Thetheoreticalmodelinreversesaturationabsorptionoflightareproved.Atthesametimewemeasuredalotsofsample'transmissionrateandanalyzedinreversesaturationabsorptiondominoeffect.Keywords:
nonlinear;inreversesaturationabsorption;lightlimitr;lineartransmission.
一、综述
在各种高科技迅速发展的今天，激光的研究和应用得到了广泛重视。
例如激光测距仪、激光切割机、激光打标机、激光治疗仪等产品，各种激光技术已广泛应用于测量、焊接、医疗、通信和军事等领域。
而激光又容易对人眼和各种灵敏的光学器件造成损伤和破坏，所以激光防护的研究也迅速发展起来了。
1、人眼的激光防护标准
激光照射到物体上可产生热效应、光效应、压力效应和电磁效应等。
光防护的重要方面是对人眼的防护，各国对人眼的激光防护研究都非常全面[2P][4]。
由于人眼的各部分对不同波长光辐射的透射与吸收不同对眼的损伤部位与损伤程度也不同。
一般来说，紫外线与远红外线在一定剂量范围内主要损伤角膜，可见光与近红外线波段的激光主要损伤视网膜，超过一定剂量范围各波段激光可同时损伤角膜，晶体与视网膜，并可造成其他屈光介质的损伤。
小于0.3微米和大于2.5微米的光辐射均不能透过角膜，而被其吸收。
晶体的透过率因年龄而异，从0.4〜1.4微米波段，晶
体透过率较高，约80%以上,其两侧的波段很少能透过晶体。
玻璃体也可
透过0.4〜1.4微米的光辐射。
0.4~1.4nm波段的激光可穿过人眼的晶状体
和常规光学器件，常称为“危险带”，尤其0.532nm的蓝绿激光器对人眼的
伤害最大。
1998年国防技术委员会发布的中华人民共和国军用标准规定
防护镜性能参数（GJB470-88），参照表
（1）和表
（2）：
表＜1＞美国国防部公布的伤害人眼的激光能量阀值（EL）
激光器
运转形式
波长
um
辐照时间
激光能量阀值
Jem-2/脉冲
红宝石
单脉冲
0.6943
1ns~100us
5X10-7
红宝石
10Hz
0.6943
1ns~100us
1.6X10
红宝石
20Hz
1.06
1ns~100us
1.1X10-7
Nd:
YAG
单脉冲
1.06
1ns~100us
5X10-7
Nd:
YAG
10Hz
1.06
1ns~100us
1.6X10-7
Nd:
YAG
20Hz
1.06
1ns~100us
1.1X10-7
Nd:
YAG
连续波
1.06
100s~8h
0.5mwem-2~1uwcm-2
CO2
连续波
1.06
10s~8h
1Jcm-2/脉冲
He-Ne
连续波
0.6328
0.25S/4〜8h
2.5mwcm-2/脉冲中
Er
单脉冲
1.54
1ns~1us
5X10-7
A叶
连续波
0.488
0.25s/4~8h
2.5mwcm-2~1uwcm-2
A叶
连续波
0.5145
0.25s/4~8h
2.5mwcm-2~1uwcm-2
表＜2＞适合不同激光参数使用的防护镜衰减值
Q开关激光
1ns~0.1ms
非Q开关激光
0.4~10ms
连续激光
0.25~10s
连续激光
＞3h
衰减值
最大能量
J
最大辐照度
J/m2
最大能量
J
最大辐照度
J/m2
最大功率
W
最大辐照度
W/m2
最大功率
W
最大辐照度
W/m2
衰减［
倍数
D”
10
2X105
102
2X106
——
——
——
——
108
8
1
2X104
10
2X105
——
——
——
——
107
7
10-1
2X103
1
2X104
——
——
1
2X104
106
6
10-2
2X102
10-1
2X103
——
——
10-1
2X103
105
5
10-3「
2X101
10-2
2X102
10
2X105
10-2
2X102
104
4
10-4
2X100
10-3
2X101
1
2X104
10-3
2X101
103
3
10-5
2X10-1
10-4
2X100
10-1
2X103
10-4
2X100
102
2
10-6「
2X10-2
10-5
2X10-1
10-2
2X102
10-5
2X10-1
101
1
注：
E为辐照度，H为辐照量，EL指受激光照射一定时间内不受损伤的照射值。
2、防护材料的分类
对激光防护器材的基本要求是在对有害的强入射激光实施有效的防护
的同时，保持较高的视场透明度，从而不影响人眼观察功能及光电传感器的感应灵敏度。
2.1、传统的激光防护器材
传统的激光防护器材通常只对波长或光强敏感。
分为以下几种：
2.1.1、波长敏感型
1、吸收式：
一般由掺有无机染料的玻璃或掺有有机染料的塑料制成。
2、反射式：
是在玻璃基质上交替镀制高低折射率介质的多层薄膜系统。
该
镜子能承受高功率的激光辐射，带其视场角小，只在土30°以内，难以防护斜入射的激光，而且工艺要求很高。
3、复合式：
是上述两种防护方式的组合，可以防护两个或两个以上特定波长的激光。
4、衍射（全息）式：
根据光的全息原理，在玻璃上或塑料基片上用全息摄影方法制作的三维光栅。
该镜片防护带宽，透明度高，但是视角受限制，工艺要求很高。
5、光化学反应式：
由两层镜片及灌注于其间的特定的化学物质溶液构成。
其透明度高，但其反应时间长，只能用于连续波或长脉冲激光的防护。
6准直透镜式：
由凸透镜、凹透镜以及夹在此中间的平面干涉滤光片组成。
该新型光学系统可防护一个或多个波长的激光，对微光和日光透过率都很高。
2.1.2、光强敏感型
1、微爆式：
镜子表面涂有特殊化学物质薄膜，当光强达到阀值时，物质爆炸变黑，使镜片完全不透明，但只能作一次性防护，而且反应时间较长。
2、光电式：
由两片偏振方向互相垂直的偏振片及夹在其间的带电极的陶瓷
片和光电二极管构成。
该防护镜透光率可调，但响应时间太长（约10-
5s）,而且结构过于复杂。
3、变色微晶玻璃：
其优点是透明度高，但反应时间较长。
4、像差器：
由玻璃纸、湿绵纸等材料构成，或在两层玻璃片中间充入水和酒精而成。
光学像差器置于光路中变换透镜之前，入射激光经过其傅立叶变换平面时强度可以被显著衰减。
防护波长可覆盖整个光谱范围。
2.2、非线性防护材料
尽管以上传统的防护镜对激光具备一定的防护作用，但是其防护波段窄，可见光透过率低，防护角度范围受到限制，尤其是对高强度短脉冲波段长的可调谐激光器防护效果很不理想。
因而目前的研究已转向采用非线性光限幅效应来实现激光防护功能。
221、非线性光限幅器的研究概况
非线性光限幅器的原理是非线性光限幅效应。
当激光激发介质时，在低光强下，输出光强随着入射光强的增加而线性增加。
而当入射光强达到一定的阀值后，由于介质的非线性光学效应，输出光强增加缓慢或不在增加的一种非线性光学现象，这种光学现象就是所谓的非线性光限幅效应。
从非线性光学原理上，非线性光限幅效应可分为自聚焦光限幅、自散焦光限幅、反饱和吸收光限幅、非线性散射光限幅、双光子吸收光限幅、非线性折射光限幅、光学双稳光限幅及非线性光子带隙结构等。
1964年T.P.Gordon等人首次报道了光限幅现象。
后来，随着激光武器的大量研究和装备，激光防护的研究开始受到重视。
八十年代的研究仍然以
半导体材料为主要研究对象，如Si材料的非线性吸收[13],GaAs的双光子
吸收和自聚焦限幅[10][12][14]，以及ZnSe[15]与CaTe[16]等都得到了充分的研究。
但半导体的损伤阀值低，限制了器件的限幅范围。
八十年代后期以来，新结构、新原理和新材料的光限幅效应引起了人们的极大兴趣。
如掺半导体波导结构[17]，周期结构[18]等的光限幅效应的研究。
新型限幅材料以有机材料为主要特征，由于有机材料的非线性系数比半导体材料高达两到三个数量级，而其响应速度也达到皮秒量级，因而逐渐取代了半导体材料而成为研究的重点。
大致可分为三类，第一类为酞氰类化合物；第二类为铁钻类金属有机化合物；第三类为现在研究最多最全面的足球烯分子C60和C70及其衍生物[5][6][19][20]。
在各种材料被发现和研究的同时，各种理论也逐步趋于完善。
R.Goedert和R.Becker等对各种材料的研究成果和技术成果进行总结概括⑺。
薛冬锋、张思远等对非线性光学材料的几种理论研究方法进行了比较[9]，对量子化学方法、晶体化学键的唯象理论和阴离子集团模型理论的优缺点进行了阐述。
韩萍分析了理想自聚焦和自散焦的光限幅⑹。
邓晓旭、张学如等从理论上分析了几种非线性吸收的条件[10][11]。
222、非线性防护材料的种类
1、非线性界面：
线性材料和非线性材料见的光学界面称为非线性界面。
弱光由非线性介质入射到这种界面上，若满足全反射条件，则全部被反射回去；当光强增加到一定程度时，非线性材料折射率的显著改变将破坏全反射条件，使入射光部分或全部反射。
从而呈现弱光高反射、强光低反射的特性。
通过选用合适的材料和入射方式，也可以实现弱光高透射、强光低透射。
2、非线性光子带隙结构：
这是一种精巧的材料结构，可以在很宽的光谱范围内探测和抵制强入射激光。
这是一种具有高低非线性的介质膜交替叠加的多层膜系，其防护效果目前还不理想。
3、非线性散射：
这种材料一般为液态或固态悬浮液。
弱光入射时，悬浮液光学性质均匀，无散射效应，表现为高透射；强光入射时，悬浮液的光学性质非均匀化，散射效应急剧增强，表现为低透射。
用于光限幅的非线性散射有喇曼散射、受激布里渊散射和光致等离子散射等。
4、非线性折射：
又称强光自聚焦或自散焦效应。
它们是由于光致折射率变化所引起的光束自作用。
在高斯光束作用下，由于介质的非线性使介质内产生折射率的梯度变化。
若介质折射率变大，则折射率梯度使介质相当于一个凸透镜，通过它的光束被聚焦，使入射光在介质中产生自聚焦。
其优点是响应时间快，限幅值低，动态范围大（可达到四个量
级），适用波长范围宽（可见光和红外区均可），特别适用于皮秒级激光限幅；缺点是仪器的结构复杂，不适用于对人眼的防护。
5、非线性吸收：
它是介质的吸收系数依赖于入射光强的现象。
分为单光子吸收和多光子吸收过程。
吸收系数随着入射光强的增加而减小，称为饱和吸收（SA）;吸收系数随入射光强增加而增加，称为反饱和吸收
（RSA）。
其优点是仪器轻便，限幅阀值低，响应时间可达到ps量
级；缺点是只适用于可见光区，而不适用于红外波段，限幅能量范围小,另外，仪器的损伤阀值低。
、反饱和吸收光限幅的理论模型
反饱和吸收光限幅的模型多为半经典理论模型，以下为四能级的反饱
和吸收产生的条件及阀值光强的理论模型推导。
因入射激光脉宽小于系间
跃迁时间，忽略三重态的作用，分子能级结构如下图所示:
单重态四能级模型的速率方程:
入射光强
当入射激光脉宽远大于能级寿命时，可作稳态处理。
在稳态近似下,
Ni=0，得到各能级粒子数布居如下：
IIs
1
R
12
01
IIs2
I
IS
10
N
IIs
1
R
12
01
IIs2
I
Is
2
12
01
RN
IIs
1
R
12
01
IIs2
No
Ni
N2
N
N30
粒子数布居可认为是零。
各种介质的吸收系数表达式为:
化。
dn1
dl
FI
Ils1R1201IIs
212R
01Is2
卓I22RR』A
Is0101Is01Is
若n1单调上升，介质只发生反饱和吸收；若n1单调下降，介质只发
生饱和吸收。
若n1由单调上升变为单调减少，介质发生反饱和吸收向饱和吸收转化，dn1dI0时，发生转变，对应的光强定义为RSA-SA阀值光强；若n1由单调减少变为单调上升，介质发生饱和吸收向反饱和吸收的转化，dnvdI0时，发生转变，对应的光强定义为SA-RSA阀值光强。
分析研究得到：
⑴、当吸收截面满足322110，且光强达到阀值光强Ise时，发
生饱和吸收向反饱和吸收的转化。
⑵、当吸收截面满足当吸收截面满足322110，只发生饱和吸
收。
⑶、当吸收截面满足322110，且光强达到阀值光强Irc时，发
生反饱和吸收向饱和吸收的转化。
⑷、当吸收截面满足当吸收截面满足322110，只发生反饱和
吸收
饱和吸收和反饱和吸收的产生只与吸收截面有关。
产生两种吸收相互转化的综合非线性吸收，除了其吸收截面满足一定的条件外，入射光强还需达到一定阀值。
由两种吸收相互转化的阀值光强Isc和Irc的表达式可以
得到转化的阀值光强由材料的各能级吸收截面、能级寿命以及入射光子能量（即入射光频率）共同决定。
我们的推导是从速率方程的稳态解出发的，而事实上非线性吸收过程多是快速方程，但是我们的结论仍可以定性分析非线性吸收受材料各种参数影响的吸收变化趋势。
这对非线性光学材料的应用研究具有特别重要的理论指导意义
、实验方法和实验数据
在对反饱和光限幅吸收理论推导的基础上，我们对安徽大学化学系提供的一种新合成的非线性光学材料的光限幅特性进行了实际测量。
我们测量了
此新型聚合物三种不同浓度（其线性透过率分别为77%、56%、38%）的
光限幅特性曲线。
为了比较该材料的光限幅效果，我们同时在相同实验条件下，测量了现在各国研究较多的光限幅效果较好的C60（线性透过率为
70%）的光限幅特性曲线。
我们通过大量的测量求平均值的方法来减小测量误差，用衰减器控制入射光能量的强弱，在同等入射光强的条件下，测量一次有样品时的透射光能量，接着测量一次没样品时的入射光能量，反复测量二十次，求其时的平均值。
以此方法测量出该新型聚合物样品在不同浓度时的入射光能量和出射光能量的相对光限幅特性曲线。
同时以相同实验测量方法，测量了光限幅效果较好的C60（线性透过率为70%）的入射光能量和出射光能量的相对光限幅特性曲线。
1、实验装置如下
25
图2实验装置图
1,YAG激光器----2，倍频----3，滤光片-----4,衰减器-----5,透镜----6,样品
7,探头----8，能量检测计。
2、实验方法和实验数据
激发光源为JGM—I型YAG脉冲系统，入射波长为经倍频后的波长
为0.532um,脉宽10〜12ns,入射激光经过倍频和衰减器后，再用透镜聚
光后入射到测试样品上，出射光由能量检测器检测。
限幅器为浓度各不相
同样品溶液盛于0.5cm厚的比色皿中，透镜的焦距为5cm，焦点处的光斑
半径为0.032cm.。
用衰减器控制激光的能量，测量入射光和透射光能量和
透射率，实验数据如下
2.1C60甲基苯溶液，线性透过率为70%寸•单位:
uJ
入射
109
153
187
263
280
377
447
623
760
1147
1687
2297
出射
50
94
111
165
143
223
223
357
457
523
623
713
2.2样品溶液，线性透过率为77%寸.单位:
uJ
入射光
270
356.2
470
662.6
800
998
1223.6
1605.8
出射光
130
208.8
257.4
365.6
443.6
528.4
600.8
694
2.3样品溶液，线性透过率为56%寸•单位:
uJ
入射光
413
516.4
726.6
880.4
1197.6
1381.6
1754.6
2058
出射光
120
150.8
199
232.2
251.2
291.6
310.4
318
2.4样品溶液，线性透过率为38%寸•单位:
uJ
入射光
431
510
591
750
893.3
959.7
1162.3
1285.7
1433
1599
1884.7
出射光
115.7
128.7
162
183.7
197.3
229.3
230.3
240.3
230.7
250
260
3、实验结果分析
根据图表《1》的图象可以看出，这种聚合物的线性透过率为77%的限
幅效果只能和C60甲基苯溶液的线性透过率为70%的限幅效应相当。
该聚合物的线性透过率为56%和38%的两种样品，虽然线性透过率的差距很大，但两者的限幅幅值和限幅阀值都比较接近。
而线性透过率为77%的样品的
限幅幅值和限幅阀值显著增大。
优良的限幅材料要求具有较高的线性透过率和较低的限幅幅值与限幅阀值，因而综合考虑各项参数，我们认为线性透过率为56%的该样品比较理想。
但总体来说，此种材料并不优于C60。
四、小结
目前世界各国都在致力于探索新型的性能优异的光限幅材料。
通过对光限
幅的理论推导及此种新型聚合物的光限幅效应的测量实验，我们认为如果
对该聚合物的结构进行改造，该聚合物将是一种很有前途的光限幅材料。
图表《1》
入射能量（uJ）
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