基于LabView控制的激光Z扫描综合实验设计

2020-09-26邱学军姚文俊曹振洲

实验技术与管理 2020年4期

邱学军，姚文俊，曹振洲，沈健

（中南民族大学电子信息工程学院，湖北武汉 430074）

光电综合实验设计是许多理工科高校光电信息专业本科乃至硕士人才培养环节中极为重要的一环，通过该环节，不仅可以帮助学生理解专业理论知识，培养学生的创新思维和动手能力，而且从长远看，该环节将构成学生专业素养的重要部分，是学生成为合格科技工作者和工程技术人员的必备因素。

尽管如此，为了适应新工科建设的要求，开发光电一体化的创新综合型实验，提高人才培养质量，是当前光电类新工科建设面临的一个重要问题。为此，许多高校光电专业开始着手建设光电创新性综合实验平台[1-3]，本文以近年来的科学研究热点光学非线性材料为导向[4-7]，在民族院校中首次自主研制出基于LabView控制的激光Z扫描光电一体化装置，以期对光电类创新综合实验的设计产生些许推动作用。

该装置是对1989年Sheik-Bahae等[8]提出的Z扫描技术的进一步改进和发展。它以图形化编程软件LabView为基础，以个人计算机为硬件平台，通过对步进电机的控制、能量的读取，以及数据的自动采集和存储等操作获取实验数据。获取的数据最后通过Mathematica软件进行非线性拟合获取非线性折射和吸收信息。相比传统的非线性测量方法如自衍射法、非线性干涉法、四波混频等，该装置具有灵敏度高、数据处理量大、实验光路简单以及可以同时测量非线性折射系数的正负等优点。

1 激光Z扫描原理

在强激光作用下的非线性光学介质的折射率与入射光强有关，此时介质内部的折射率与光强的关系表示式为：

其中，0n为线性折射率；I为激光的光强；γ为非线性折射系数。当激光束入射到非线性光学材料上时，由于光强的分布不均，不同截面位置的折射率将会不同。根据折射与光速的关系v c n= （c为光在真空中传播速度；n为介质的折射率；v为光在介质中传播速度），不同截面位置光的传播速度也会不同，导致激光通过非线性材料后波面向后弯曲（0γ＞）或向前弯曲（0γ＜），产生所谓的自聚焦现象和自散焦现象[9-11]，如图1所示。当非线性样品在沿激光束方向（Z方向）上移动时，由于非线性材料的自聚焦和自散焦效应，远场光阑处探测到的光强也将随样品位置变化而变化，即出现先谷后峰（0γ＞）或先峰后谷（0γ＜）的现象，光强变化信息中包含了光束在非线性材料中的空间相位变化，利用空间相位变化进一步可以获得材料的非线性折射和吸收特性。

图1 光强变化

利用高斯分解法，考虑到双光子吸收条件下闭孔的归一化透过率的二级近似可表示为：[12]

其中， x = z z0； Δ φ0= 2 πγ I0Leffλ和 Δ Ψ0=βI0Leff分别表示非线性折射和非线性吸收在透镜焦点处引起的相位变化；z为样品离开焦点的实际距离， z0=为高斯光束的瑞利长度；ω0为激光束腰半径；λ为激光波长；γ和β分别表示非线性折射系数和吸收系数；I0为焦点处的光强；Δx为焦点位置的相对偏差。 L= ( 1 - e-αL)α为样品的有效长度，其中，L为样品长度，α为线性吸收系数。

2 实验装置与系统组成

图2为自主设计的激光Z扫描装置图。在实验测量中, 高斯型光束由波长为808 nm，最大功率为1W的半导体激光器产生，经过焦距f=20 cm透镜聚焦后通过薄样品池，透射光束经过光阑后入射到能量计。实验过程中，样品池选用石英比色皿容器并固定在滑动位移平台上，通过LabView程序可以精确控制位移平台在Z方向上移动，位移平台精度为10 μm。在每一个位置, 探测器接收多个脉冲的能量，并取平均值作为该位置的归一化透过率，然后开始下一个位置的扫描，扫描完毕后测量数据将自动保存为文本文件。搭建的激光Z扫描装置实物如图3所示。

图2 激光Z扫描装置示意图

图3 激光Z扫描装置实物

3 LabView控制的Z扫描程序

3.1 计算机与步进电机之间的通信

通过LabView提供的调用库函数节点读取步进电机的 dll文件，打开步进电机并获取设备名称，完成与步进电机端口之间的通信。对步进电机自动控制的程序流程如图4所示。

3.2 计算机与能量计之间的通信

通过LabView提供的串口通信VISA函数，配置VISA串口参数和 VISA资源名称，实现了与能量计USB之间的通信并读取数据。程序流程如图5所示。串口资源名称为COM4，读取接收缓冲区中的字节数为7，输出结果为2.5 mW。

3.3 计算机从能量计读取数据并求平均

通过Labview调用与能量计通信的子程序，将从能量计读取的字符串转换为数值输出，利用For循环读取32个瞬时光强并进行平均后作为结果输出，图6为计算机与能量计读取数据并取平均的流程图，平均次数在程序中可以根据需要设置。

图4 计算机与步进电机通信的程序流程图

图5 计算机与能量计通信的程序流程图

图6 计算机与能量计读取数据流程图

3.4 实验数据的采集与存储

通过LabView调用能量计与步进电机通信的子程序，编写了数据采集与存储主程序。计算机每从能量计读取一个平均后的光强数据，则控制步进电机向前移动一步，然后进行下一个数据的采集。采集数据以数组方式输出到波形图实时显示波形，采集完毕之后，将闭孔Z扫描数据以二维数组形式自动写入带分隔符的电子表格，存储为 txt格式。图 7为实验数据采集和存储的程序流程图。

图7 实验数据采集和存储的程序流程图

4 实验数据分析与处理

利用激光Z扫描装置研究了甲醇的非线性特性。甲醇（纯度＞99.9%）由阿拉丁试剂购买获得，图8为实验测得的不同光阑孔径下甲醇溶液闭孔Z扫描实验数据，可以看出，归一化透过率曲线形状均表现出先峰后谷，这主要是因为甲醛的非线性折射系数为负值，材料本身相当于一个负透镜，呈现自散焦效应。由于甲醇溶液的吸收峰在560 nm左右，在808 nm激光作用下，双光子能量恰好位于双光子吸收带上，因此，利用公式（2）对实验数据进行了非线性拟合，考虑到实验过程中，所设置的焦点位置相对于实际位置有偏差，在公式（2）中引入了焦点位置的相对偏差因子xΔ。实验拟合参数为：

由拟合结果可以看出，随着光阑孔径的增大，非线性折射相移逐渐从0.892减小到0.25，而非线性吸收相移动则逐渐从0.002增加到0.066，表明随着光阑孔径的增大，非线性折射效应逐渐减弱，而非线性吸收效应逐渐加强。在峰谷灵敏度较高的情况下，如图8(a)所示，进一步计算获得的甲醇的非线性折射系数约为，这与文献[13]中的数据是基本吻合的。表明所搭建的激光Z扫描实验系统装置已经可以正常运行且性能良好。