一种实现矢量光束热透镜效应及测量的实验装置及方法

本发明涉及热透镜效应，尤其涉及一种实现矢量光束热透镜效应及测量的实验装置及方法。

背景技术：

1、当激光束照射到样品上并被吸收时，由于光强的特定分布，样品介质不同位置处吸收的光能量也不同，伴随而来的是样品温度的升高并存在温度梯度。因热光系数的存在，温度的不均匀分布会造成透光介质折射率的不均匀分布，进而对透射光强分布进行调制。早在1965年，gordon等人第一次实验上发现了高斯光束的热透镜效应(tle)，通过理论计算证实其在一定条件下可以等效为一透镜[j.p.gordon,r.c.c.leite,r.s.moore,et al,journal of applied physics,36(1),3-8(1965).]。自此揭开了热透镜效应在光学各个领域研究和应用的序幕。

2、热透镜光谱法[r.c.c.leite,r.s.moore,j.r.whinnery，applied physicsletters,5(7),141-143(1965).]因其高灵敏度而成为精确测量介质吸收光谱的重要方法之一[m.e.long,r.l.swofford,a.c.albrecht,191(4223),183-185(1976).]。此外，热透镜技术已在化学分析、环境监测、生物医学等多个领域均有重要应用。但随着大功率激光器的问世，激光热透镜效应可能会损坏光学元件，降低光束质量和稳定性[j.foster,l.j.j.o.a.p.osterink,41(9),3656-3663(1970)；d.metcalf,p.de giovanni,j.zachorowski,et al,26(21),4508-4517(1987)；m.innocenzi,h.yura,c.fincher,etal,56(19),1831-1833(1990)；y.-f.chen,t.huang,c.kao,et al,33(8),1424-1429(1997)；f.hoos,s.li,t.meyrath,et al,16(9),6041-6049(2008).]。为了解决这一问题，近年来，我国发表多项专利聚焦减轻激光热透镜效应：减轻激光晶体热透镜效应的方法[发明专利cn111884022a]，高功率激光热透镜效应的补偿方法[发明专利cn108988114a],一种激光棒热透镜效应的补偿方法[发明专利cn212626497u]。

3、近年来，结构光场受到人们广泛关注，带有轨道角动量(oam)的lg光束会产生不同于高斯光束的独特的热透镜效应[y.li,w.zhang,l.j.o.e.chen,30(17),30210-30218(2022).]。而基于矢量光束的热透镜效应还未有人研究。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提出一种实现矢量光束热透镜效应及测量的实验装置及方法，能够提供可以实现矢量光束热透镜效应的产生、调控与测量，为矢量光束在热透镜效应方面的应用研究提供方便的实验装置。

2、根据本发明的一个方面，提供一种实现矢量光束热透镜效应及测量的实验装置，包括：

3、第一激光器，用于辐射探测激光至一第三方向，

4、第二激光器，用于辐射加热激光至一第三方向，该加热激光为矢量激光；

5、且探测激光和加热激光满足在同一个各向异性的样品材料中探测激光功率与其在材料中吸收率的乘积小于加热激光功率与其在材料中吸收率的乘积5个数量级；

6、以及，

7、沿第三方向上依序设置的：各向异性材料样品、滤波片、探测器

8、滤波片，用于过滤从待测样品中射出的加热激光；

9、探测器，用于接收探测激光的光信号。

10、在上述技术方案中，利用矢量光束加热各向异性材料，实现热透镜效应。利用各向异性材料的热透镜效应来实现对探测光束的整形。进一步的，该装置可以实现矢量光束热透镜效应的产生，调控与测量的实验装置设计。进一步的，该装置为实现光场单向调控器件的微型化、集成化提供了思路，且其在各向异性物质物理特性的测量方面也具有潜在应用。进一步的，加热激光和探测激光之间满足在同一个各向异性的样品材料中探测激光功率与其在材料中吸收率的乘积小于加热激光功率与其在材料中吸收率的乘积5个数量级；其目的在于基于各向异性材料样品特征，同时考虑到各向异性材料样品对不同波长的吸收率和热吸收率，设定上述限定关系能观测到新颖的类似柱透镜效果的热透镜效应。

11、在一些实施例中，所述第一激光器沿一第一方向辐射探测激光，沿第一方向上依序设置有第一滤波系统、衰减片，该探测激光经过第一滤波系统、衰减片后，通过反射辐射至一第三方向；

12、所述第二激光器沿一第二方向辐射加热激光，沿第二方向上依序设置有第二滤波系统、第二偏振片、矢量光束调整装置，收束系统，该加热激光经过第二滤波系统、第二偏振片、矢量光束调整装置，收束系统后，通过反射辐射至一第三方向。

13、在上述技术方案中，探测激光和辐射激光分别经过一滤波系统进行整形，将激光改为标准高斯光束，如此设置有利于实现类柱透镜效果。进一步的，探测激光通过第一偏振片进行偏振，使探测光保持统一均匀的偏振态，以此减小不必要光束的影响，方便精确计算热透镜焦距。如此设置的目的在于：激光器出射光都为线偏振，因此，转动偏振片也可以方便调节入射光的能量，起到与衰减片互补的精确连续调节光强。进一步的，衰减片用于衰减探测激光能量，避免探测器过曝。进一步的，加热激光先经过第二偏振片、再经过矢量光束调整装置，可以将加热激光调整为不同类型的矢量光束。矢量光束调整装置可以是涡旋波片，还可以利用空间光调制器，超表面结构，衍射光学元件等其它相位调制方式产生，此处不做限制。

14、在一些实施例中，所述装置还包括分束器；所述探测激光和所述加热激光经由该分束器合束后，沿一第三方向辐射激光。

15、在上述技术方案中，分束器作为合束器，可以通过简单地调节反射方式，使得检测激光与加热激光束通过分束器后光轴重合。

16、在一些实施例中，所述第一滤波系统包括沿第一方向依序设置的第一凸透镜、第二凸透镜；

17、该第一凸透镜、第二凸透镜与所述各向异性材料样品之间的位置满足如下关系条件：

18、使得到各向异性材料样品上的探测激光光斑半径小于加热激光的光斑半径，且样品位于探测激光光束腰斑后的瑞利距离外。

19、在上述技术方案中，考虑各向异性材料热吸收后温度场的分布从内到外不均匀，而中心区域会有很好的柱透镜效应产生，所以探测光束大小小于加热光束，有利于提高检测的精度。进一步的，样品位于探测激光光束腰斑后的瑞利距离外，是为了便于使用几何方法计算热透镜的等效焦距。

20、在一些实施例中，所述矢量光束为径向偏振矢量光束或角向偏振矢量光束。

21、在上述技术方案中，该装置可通过改变加热光功率，实现了等效焦距连续可调的类柱透镜效应。该装置基于第二偏振片、矢量光束调整装置可调节出径向偏振矢量光束或角向偏振矢量光束，其中，径向偏振矢量光束诱导的热透镜可以实现标量光场的单向发散或汇聚，而角向偏振矢量光束在与前者垂直的方向实现标量光场的单向调控。

22、在一些实施例中，所述矢量光束调整装置采用一涡旋波片。

23、在上述技术方案中，采用涡旋波片对整体的光学系统的侵入性较小，且方法简单。

24、在一些实施例中，所述样品与所述探测器之间距离约为50～60cm。

25、在上述技术方案中，考虑各向异性材料热吸收后温度场的分布从内到外不均匀，设定样品与探测器之间距离，有助于提高检测的精度。

26、在一些实施例中，所述加热激光光斑直径与探测激光光斑的比值为2:1～4:1。

27、在上述技术方案中，考虑到为了实现较好热透镜效应，如果加热激光与探测激光的半径一致观测的效果不佳。作为优选值，设定为2:1。

28、根据本发明的另一个方面，提供一种实现矢量光束热透镜效应及测量的实验方法，基于上述的一种实现矢量光束热透镜效应及测量的实验装置；所述方法包括如下步骤：

29、基于所述实验装置辐射同轴的探测激光和加热激光至样品，并利用探测器记录出射后的探测激光光斑；

30、基于探测器记录结果，通过下式计算热透镜等效焦距f：

31、

32、式中，w为样品处探测激光的光斑半径，w1为未在装置中放置样品时的探测激光的光斑半径，w2为在装置中放置样品时的探测激光的光斑半径，z为样品与所述探测器之间距离。

33、在上述技术方案中，通过改变光场分布以及偏振态，利用矢量光束加热各向异性材料，实现与高斯光束不同的热透镜效应。进一步的，该装置可以实现矢量光束热透镜效应的产生，调控与测量的实验装置设计。进一步的，该装置为实现光场单向调控器件的微型化、集成化提供了思路，且其在各向异性物质物理特性的测量方面也具有潜在应用。计算热透镜等效焦距f的具体原理将在下文展开说明，此处不再赘述。

34、在一些实施例中，基于所述实验装置辐射同轴的探测激光和加热激光至样品，并利用探测器记录出射后的探测激光光斑，具体的：

35、调整所述第二激光器的功率参数，并将加热激光调制为径向偏振矢量光束或角向偏振矢量光束；

36、开启所述第一激光器，将样品位置调整至探测激光光束焦点后的瑞利距离之外，同时设置使得到各向异性材料样品上的探测激光光斑半径小于加热激光的光斑半径；

37、开启所述第二激光器，并利用探测器记录探测激光光斑。

38、在上述技术方案中，该装置基于偏振相位调制，径向偏振矢量光束诱导的热透镜可以实现标量光场的单向发散或汇聚。角向偏振矢量光束在与前者垂直的方向实现标量光场的单向调控。