惰性气体非线性折射率系数的测量装置和测量方法

摘要

一种惰性气体的非线性折射率系数的测量装置和测量方法，其原理是通过测量特定中心频率处的飞秒激光脉冲在一个充有待测惰性气体的空心波导中传播时积累的非线性光谱展宽随惰性气体气压的变化，并经过数据分析得到此气体在这个特定中心频率处的非线性折射率系数。装置构成是在位于飞秒激光脉冲行进的光路上分别为聚焦透镜、内置空心光纤的充惰性气体管、散射屏和光谱仪，以及与惰性气体管相连的气压计，惰性气体瓶和真空泵。

主权项

1.一种测量惰性气体非线性折射率系数的测量装置，特征在于其构成是：在飞秒激光脉冲行进的方向上依次是耦合透镜(1)、内置空心光纤的惰性气体管(2)和散射屏(3)，在散射屏(3)的散射光方向设置光谱仪(4)，所述的惰性气体管(2)的一端与待测的惰性气体瓶(6)相连，另一端分别与真空泵(5)和气压计(7)相连接，所述的耦合透镜(1)将具有一定中心频率ω₀的飞秒激光脉冲耦合进入惰性气体管(2)中的空心光纤中，利用所述的测量惰性气体非线性折射率系数的测量装置进行惰性气体非线性折射率系数的测量方法，该方法的测量步骤如下：①开启真空泵(5)和惰性气体管(2)连通的阀门，使用真空泵(5)将惰性气体管(2)中的气体抽干净，气压由气压计(7)检测，直到示数显示0值，断开真空泵(5)和惰性气体管(2)之间的阀门，关闭真空泵(5)；②将中心频率为ω₀的入射飞秒激光脉冲通过耦合透镜(1)耦合到惰性气体管(2)中的空心光纤中，由光谱仪(4)测量经过散射屏(3)散射的出射脉冲光的光谱，并记录此数据；③打开惰性气体瓶(6)与惰性气体管(2)之间的阀门，充入一定气压的惰性气体A，气压值由气压计(7)检测，当气压达到一个初始值，关闭惰性气体瓶(6)与惰性气体管(2)之间的阀门；④将中心频率为ω₀入射飞秒激光脉冲通过耦合透镜(1)耦合到惰性气体管(2)中的空心光纤中，由光谱仪(4)测量经过散射屏(3)散射的出射脉冲光的光谱，并记录此数据；⑤重复步骤③，使惰性气体管(2)的气压增加一定气压值，关闭惰性气体瓶(6)与惰性气体管(2)之间的阀门；⑥重复步骤④，获得新的光谱数据；⑦重复步骤⑤和⑥，直至完成光谱测量，获得不同气压下的光谱展宽数据I(ω)，即光谱强度随角频率ω的分布；⑧用公式计算每个气压下光谱展宽数据 I(ω)的光谱宽度Δω_rms，其中角括号的定义为：由此进而计算得到光谱展宽因子随气压的变化，其中Δω_i是入射光谱宽度，经过线性拟合，得到光谱展宽因子随气压的变化的斜率值S_A(ω₀)；⑨改变惰性气体瓶(6)，换成另一种待测的惰性气体B，重复步骤①～⑧，得到在中心频率同为ω₀的入射脉冲下，惰性气体B的光谱展宽因子随气压的变化的斜率值S_B(ω₀)；⑩根据公式和事先知道的惰性气体A的数据κ_A(ω₀)，以及步骤⑧得到的惰性气体A的斜率值S_A和步骤⑨得到的惰性气体气体B的斜率值S_B，可以计算得到惰性气体B的数据κ_B(ω₀)，将此数据与一定气压值相乘，就得到了相应气压下的非线性折射率系数n₂；在步骤⑨中，如果不改变惰性气体种类，而将入射脉冲的中心频率改变为ω₁，那么重复步骤①～⑧，得到在中心频率为ω₁的入射脉冲下，相同惰性气体的光谱展宽因子随气压的变化的斜率值S_A(ω₁)，将步骤⑩中的计算公式改为其中P₁和P₀分别为入射脉冲的中心频率为ω₁、ω₀的峰值功率，计算得到κ_A(ω₁)，将此数据与一定气压值相乘，就得到了相应气压下的非线性折射率系数n₂；在步骤⑨中，如果不仅改变了惰性气体种类，也改变了入射脉冲的中心频率，同时也改变了空心光纤的长度和内径，那么重复步骤①～⑧，得到在新的中心频率ω₁的入射脉冲下，不同惰性气体B的光谱展宽因子随气压的变化的斜率值S_B(ω₁)，将步骤⑩中的计算公式改 为其中脚标A和0对应的量是步骤①～⑧中测量计算得到的量，脚标B和1对应新的测量量，L_eff是空心光纤的有效长度，近似等于光纤的实际长度，A_eff是光纤的有效模面积，等于光纤空心面积的0.48倍，P为入射脉冲的峰值功率；按照步骤⑩的计算方法代入相应值计算后可以得到不同惰性气体B在ω₁处的κ_B(ω₁)，将此数据与一定气压值相乘，就得到了相应气压下的非线性折射率系数n₂。