阈值可调的光学限幅器.pdf

本发明涉及一种阈值可调的光学限幅器，包括一种非线性折射材料，一个光阑以及一个支撑封装装置；非线性折射材料和光阑置于支撑封装装置中，其中，非线性折射材料在光阑之前，入射激光束依次通过非线性折射材料和光阑，光阑上具有大小可变的通光孔径；光阑相对非线性折射材料的位置通过调整装置变动。与现有的技术相比，本发明利用了非线性折射材料的热透镜效应和可变光阑的组合，实现了一种阈值可调的光学限幅器，其结构简单、制作容易、成本低廉。这种光学限幅器的限幅阈值调节方便、在线、实时，可被应用在多种不同的场合，为精密光学器件(包括人眼)的安全使用提供了保障，促进了激光防护技术的提高。

1.  一种阈值可调的光学限幅器，包括一种非线性折射材料(1)，一个光阑(2)以及一个支撑封装装置(3)；其特征在于：所述非线性折射材料(1)和光阑(2)置于支撑封装装置(3)中，其中，非线性折射材料(1)在光阑(2)之前，入射激光束(7)依次通过非线性折射材料(1)和光阑(2)，所述的光阑(2)上具有大小可变的通光孔径(9)；所述的光阑(2)相对非线性折射材料(1)的位置通过调整装置(6)变动。

2.  根据权利要求1所述的阈值可调的光学限幅器，其特征在于：所述入射激光束(7)为高斯光束或准高斯光束。

3.  根据权利要求1所述的阈值可调的光学限幅器，其特征在于：所述的非线性折射材料(1)为固体、液体或气体非线性折射材料。

4.  根据权利要求1或3所述的阈值可调的光学限幅器，其特征在于：所述的非线性折射材料(1)的非线性折射系数为负值。

5.  根据权利要求1所述的阈值可调的光学限幅器，其特征在于：所述的支撑封装装置(3)为中空的圆筒形、椭圆形或长方体形。

6.  根据权利要求1或5所述的阈值可调的光学限幅器，其特征在于：所述的支撑封装装置(3)，其底部有一导轨(4)，光阑(2)固定在导轨(4)上，并在导轨(4)上前后滑动，用以改变光阑(2)和非线性折射材料(1)之间的距离。

阈值可调的光学限幅器
技术领域
本发明涉及一种物理激光实验与应用领域的激光防护的光学器件，特别涉及一种光学限幅器。
背景技术
自从激光器问世以来，随着激光技术的发展与进步，激光器的最大输出功率和激光强度越来越高，有关强激光的科学实验和技术应用逐步深入。由于强激光很容易损伤人眼、光学探测器、光学精密仪器等，为此必须采取一定的防护措施。光学限幅器就是能够达到这种防护效果的一种光学器件。光学限幅器的工作原理是：对于弱激光，它具有较高的透过率，而对于强激光，它的透过率较低，这样透过光学限幅器的激光强度被限制在某个最大值以下(不管输入激光强度有多高)，进而起到保护其后各种精密光学元件和仪器(包括人眼)的作用。这个最大透过值称为光学限幅器的限幅阈值。由于光学限幅器的独特用途，人们一直在积极努力探寻新材料和新原理(如：非线性散射、非线性吸收、非线性折射)来制作新颖的、光学性能优越的光学限幅器。但到目前为止，绝大部分成品的光学限幅器的限幅阈值为固定值，只能适用于某个特定的场合或特定的参数环境，其阈值不具有可调性。若能开发制作出限幅阈值可根据需要随时调节的光学限幅器，则其可被灵活地应用在多种场合，必将受到很大的青睐。
热透镜效应是具有较强非线性折射材料所体现出来的一种光学现象，即当高斯激光束照射到这种材料时，材料内部各处的折射率呈现非均匀，将对激光束的传播起到具有类似透镜的作用。对于具有负热透镜效应的材料，材料的折射率与激光的强度成反比，这样对于通常的高斯光束，材料对光束的传播将起到类似负透镜的作用，透射光场的光斑直径将变大。通常情况下，光斑的直径与入射激光的功率成正比(Pu，et al.，Laser self-induced thermo-optical effects ina magnetic fluid，Journal of Applied Physics，Volume 96，Page5930，2004)。若在这种材料后面放置一个孔径合适的光阑，则通过光阑的光强(或功率)并不总是与入射光强(或功率)成线性正比，其最大透过光强(或功率)将被限制住，即形成了光学限幅的效果，这个最大透过值即为限幅阈值。另外，通过改变光阑的孔径尺寸和光阑的空间相对位置，可改变最大透过光强(或功率)，进而达到改变限幅阈值的目的。但经过对现有技术文献进行检索发现，还不曾有利用材料的热透镜效应和可变光阑的组合来制作阈值可调的光学限幅器的技术。有鉴于此，开发出一种阈值可在线调节的光学限幅器具有十分重要的意义。
发明内容
本发明是要解决现有光学限幅器的阈值固定不变的技术问题，而提供一种阈值可调的光学限幅器，该光学限幅器利用较强非线性折射材料的热透镜效应以及一个孔径可变、可前后移动的光阑来实现限制透射光强(或功率)的功能，达到光学限幅的效果。
本发明的技术解决方案为：一种阈值可调的光学限幅器，包括一种非线性折射材料，一个光阑以及一个支撑封装装置；非线性折射材料和光阑置于支撑封装装置中，其中，非线性折射材料在光阑之前，入射激光束依次通过非线性折射材料和光阑，所述的光阑上具有大小可变的通光孔径；所述的光阑相对非线性折射材料的位置通过调整装置变动。
入射光为高斯光束或准高斯光束。非线性折射材料为固体、液体或气体非线性折射材料。所述的非线性折射材料的非线性折射系数为负值。支撑封装装置为中空的圆筒形、椭圆形或长方体形。支撑封装装置的底部有一导轨，光阑固定在导轨上，并在导轨上前后滑动，用以改变光阑和非线性折射材料之间的距离。
本发明的有益效果在于：与现有的技术相比，本发明利用了非线性折射材料的热透镜效应和可变光阑的组合，实现了一种阈值可调的光学限幅器，其结构简单、制作容易、成本低廉。这种光学限幅器的限幅阈值调节方便、在线、实时，可被应用在多种不同的场合，为精密光学器件(包括人眼)的安全使用提供了保障，促进了激光防护技术的提高。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的工作原理示意图；
图3是本发明光学限幅器的限幅阈值可由光阑孔径调节的示意图；
图4是本发明光学限幅器的限幅阈值可由光阑位置调节的示意图；
图5是本发明实施例的透过非线性折射材料的激光光斑照片；
图6是本发明实施例的光学限幅特性实验曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，为阈值可调的光学限幅器的整体结构示意图，其包括：一种非线性折射材料1，一个光阑2以及一个支撑封装装置3。非线性折射材料1和光阑2置于支撑封装装置3中，其位置关系是：非线性折射材料1在光阑2之前，入射激光束7依次通过非线性折射材料1和光阑2。
光阑2的通光孔径9可通过调节旋钮5调节大小。所述的光阑2相对非线性折射材料1的位置可通过调整装置6进行改变。入射激光束7为高斯光束或准高斯光束。
非线性折射材料1的非线性折射系数相对较大，且为负值。非线性折射材料1为固体、液体或气体非线性折射材料1。
支撑封装装置3为中空的圆筒形、椭圆形或长方体形，用于将非线性折射材料1和光阑2固定和封装在其中。所述的支撑封装装置3内的底部有一导轨4，光阑2固定在导轨4上，并可在导轨4上前后滑动，用以改变光阑2和非线性折射材料1的相对间距。
下面将具体描述本发明阈值可调的光学限幅器的工作原理：
如图2所示，当入射激光束7的功率较低时，透过非线性折射材料1的光斑尺寸小于光阑的孔径9，这样通过光阑2的出射光8的功率等于入射激光束7的功率(非线性折射材料1为无吸收的材料)(图2a)。在保持入射激光束7的光束宽度不变的情况下，当入射激光束7的功率较高时，透过非线性折射材料1的光斑尺寸大于光阑2的孔径9，这样只有一部分入射激光能通过光阑2，光阑2的出射光8的功率要比入射激光束7的功率小(图2b)。当入射激光束7功率继续增大时，通过非线性折射材料1的光斑同时在增大，在光阑2的孔径9不变的情况下，通过光阑2的光功率将不再增加(图2c)，达到光学限幅的效果。
如图3所示，光阑2的孔径9较小时(图3a)，通过光阑2的光功率相对较弱(透过非线性折射材料1的光斑始终大于光阑2的孔径9)，而在入射激光束7的功率确定的情况下，增大光阑2的孔径9(图3b)，则通过光阑2的出射光8的功率将变大，从而可通过改变光阑2的孔径9来调节光学限幅器的限幅阈值。
如图4所示，在入射激光束7的功率和光阑2的孔径9均不变的情况下，当光阑2和非线性折射材料1的距离较小时(图4a)，通过光阑2的出射光8的功率较大，而当光阑2和非线性折射材料1的距离较大时(图4b)，则通过光阑2的出射光8的功率较小。所以，改变光阑2和非线性折射材料1的相对间距时，通过光阑2的出射光8的功率也将随之改变，从而可通过改变光阑2的位置10来调节光学限幅器的限幅阈值。
下面将用实施例作进一步的说明：
利用波长为632.8nm的入射激光束7，照射到具有较强非线性折射的铁磁溶胶1，由于非线性折射铁磁溶胶1的热透镜效应，其透射光束的光斑直径变大，图5为该实施例所拍摄的透过非线性折射铁磁溶胶的激光光斑照片。再在非线性折射铁磁溶胶1之后放置一个光阑2，固定光阑2的孔径9和位置10，逐步改变入射激光束7的功率，利用激光功率计测量出光阑的出射光8的功率，即可得出出射光8的功率随入射激光束7的功率的变化关系，即为光学限幅曲线，由限幅曲线可确定其限幅阈值。采用图3，改变光阑2的孔径9，而其位置固定不变，重复上述实验过程，可得出不同(光阑2)孔径9下的限幅曲线及其对应的限幅阈值。采用图4，光阑2的孔径9不变，而仅改变光阑2的位置10，可得出光阑2的位置10对限幅阈值的影响。该实施例得到了两种不同(光阑2)孔径9下的限幅特性曲线(图6a)和两种不同(光阑2)位置10下的限幅特性曲线(图6b)。
实验表明：在固定光阑2的位置不变的情况下(离非线性折射铁磁溶胶1的距离为1.6m)，当光阑2的直径9为5mm时，光学限幅器的限幅阈值为1.66mW，当光阑2的直径9增大到8mm时，其限幅阈值提高到3.48mW。在光阑2的直径9固定不变(为6.5mm)的情况下，当光阑2离非线性折射铁磁溶胶1的距离为1.2m时，光学限幅器的限幅阈值为5.07mW，当光阑2离非线性折射铁磁溶胶1的距离缩短到0.6m时，其限幅阈值提高到9.00mW。
上述的实施例只是被用来提供举例说明本发明，但并不局限这项发明所涵括的范围。其它有关本发明的变化，对于一个具有平常技巧的专业人员而言，是容易且明显的。这些依据本发明精神的等效物和变型，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。