《光学和光学仪器 激光器和激光相关设备 激光光学元件吸收率测试方法》

1本文件规定了激光光学元件吸收率测试方法的术语和定义、符号和度量单位、下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文GB/T25915.1-2021洁净室及相关受控环境第1部分：按粒子浓度划分空气洁净度等级（ISO测试样品、样品夹持器等的热容pCp测试样品的比热容测试样品上的光束宽度测试样品、样品夹持器等的质量2P连续波激光功率W脉冲模式下的平均激光功率W脉冲模式下的典型峰值功率WssKKα1βγλkηQW/m³EJf测试场所的环境应适配应用场景和测试波长的要求。测试场所的环境应保持空气过滤、无尘的洁净度要求，且相对湿度小于50%，残留的颗粒物应满足度要求。某些特定光谱范围可能需要氮气吹扫环境（深紫外波段）或零湿度环境（部分红外波长）。为了保证尽可能减少热扰动和对流造成的热损失，测试装置外应加装围挡，以避免环境中气流扰动。深紫外波段使用的氮气纯度应不低于99.999%。若无法满足上述条件，周围大气的吸收效应将被计入测试结果。为尽量减小热扰动与对流散热，无气流的环境至关重要。常压大气环境与真空环境下的测测试中应使用激光作为辐照光源。为尽可能降低误差，测试用的激光功率应在不造成元件损坏的用于测试的激光波长、入射角和偏振态应与测试样品规定的使用条件一致。若上述三项参数均允许在一定范围内取值，则可从各参数的允许范围内任选组合进行测量。光学元件的吸收还可能受其他参数影响，如功率密度或辐照剂量。在此类情况下，应根据实际情况单独设计测量流程。更多详细信3测试样品应安装在合适的样品夹持器上。安装测试样品时应尽量避免样品与样品夹持器之间的热接触。在此安装方式下，温度传感器应直接贴附于样品表面。温度传感器与样品表面之间的热接触必须具备可重复性，同时还需注意保持样品与样品夹持器之间的热阻抗恒定。温度传感器的位置、样品对于尺寸较小或形状不规则的测试样品，可能难以直接贴附温度传感器。此类样品应采用最大化样品与样品夹持器之间热接触的方式安装，同时将温度传感器贴附或集成在样品夹持器上。温度传感器与样品夹持器之间的热接触必须具备可重复性，同时还需注意保持样品与样品夹持器之间的热导恒为了提高测试精度，测试样品应安装在具有热屏蔽设计的并带有激光光束透光孔隙的测试舱室应在测试样品前后的光路中设置合适的光阑，确保测量光束仅辐照测试样品，反射光或杂散光不会照射到样品架或腔壁上。为减少多次反射或散射辐射可能造成的畸变，应尽量减少用于导光的光学典型的激光光学元件吸收率测试装置主要包括激光器、样品夹持器、测试舱室、温度测试单元、控制单元及数据处理单元等。图1为吸收率测试装置示意图，激光器（图中代号1）发出的射镜M1（图中代号2，为避免衍射辐射影响测量，建议M1使用凹面反射镜）和分光镜M2（图中代号4）辐照到测试样品（图中代号7）上。测试样品、样品夹机（图中代号8）控制及测试，激光功率由激光功率计（图中代号12）在照射样品前后测试。测试样45率计来校准功率信号，开启激光器并比较这两个探测到的功率信号，通过这两个信号比值可得到吸收将贴有经校准过的温度传感器的测试样品固定在样品夹持器上，对温度信号进行校准。在典型测试温度下，在温度传感器的线性范围内缓慢改变环境温度，同时对比该校准过的温度传感器与吸收率对于某些特定类型的材质和结构的样品，吸收热量所产生的温升，会与理想无限导热材料的理论样品的受热特性保持一致。表面吸收型样品，应采用基于表面加热方式得到的修正系数；体吸收型样校准时，选用吸收率已知的参比样品开展测试。该参比样品的基底外形、热扩散系数需与待测样品完全一致，具体测试流程如下。校准所用的辐照时长与数据解析方法，必须和待测样可通过在样品受辐照表面制备一层高吸收薄膜，获得已知吸收率。样品的高吸收率值可通过测量透射、反射及散射辐射的占比来确定，该方法具有足够高的精度。对高吸收率样品进行吸收率测试时，需对激光功率进行适当衰减，以避免样品损伤，并确保温升量级与典型测试条件下的温升一致。作为用激光辐照已知吸收率校准样品的替代方案，可通过在被测表面贴装电阻，以电加热方式向测试样品输入热能。吸收功率由公式RI2计算，其中R为电阻值，I为“辐照”过程中的电流。需确保电阻与样品间热接触良好；此外，对于低热导率样品，电阻的加热面积应与常规测试条件下的激光辐照面积相匹配。该方法原则上适用于表面吸收型和体吸收型样品。需确保校准样品的加热方式与待为获得最佳测试精度和抑制可能的信号失真，应优化激光光束的成像和对准。可用一个空的样品夹持器或无吸收的测试样品来验证测试装置不受反射光或杂散光辐射的影响。测试间隔期间的温度波6光学元件的吸收率采用量热法测定，测试装置如态，此时环境温度漂移近似呈线性变化，且温度噪声（标准偏差）至少比激光辐照引起的最大温度上如吸收率与激光辐照功率、能量密度或辐照剂量相关，应在测试报告中注明。测试条件应与元件对于热损耗较高的样品，应在吸收功率与热损耗达到平衡、温升趋于饱和前结束辐照。测试过程在辐照过程中被加热部件（测试样品、样品夹持器等）的质量mi通过称重来确定。比热容C可用两种方法计算吸收率：指数法或脉冲法。一般情况下，脉冲法适用于激光辐照时间不超过身特性及测试条件确定。多数情况下，同时采用两种方法计算并对比结果，有助于获取结果不确定度在计算吸收率之前，应根据可能出现的温度漂移现象对量热数据进行分析。若存在温度漂移，应对辐照前采集的温度数据进行线性拟合。通过从测试中记录的原始温度数据中减去该线性拟合函数的227推温度Text。推荐通过对辐照后记录的负斜率温度数据进行拟合，通光公式（3）计算最优参数Ac，8）：）；在某些情况下，依据本文件给出的方法测试得到的吸收率，与测试参数（功率、功率密度、辐照时间、辐照计量等）有关。此外，吸收率还有可能受测试样品老化和非线性影响。尤其是紫外辐照光辐照可以形成色心，尤其是紫外波段范围内。这种情况下，吸收率会随着时间而增加，而且达对于镀膜元件，高功率辐照会造成膜层结构性变化（如后氧化作用），进而造成吸收率的提高或因此，单次测试只能反映出测试样品在测试时吸收率的情况。如果要详细分析数据，需要知许多样品中，吸收率会因多光子吸收效应随功率密度可逆升高。这种变化与辐照波长相关，在紫外波段尤为显著；对于超短脉冲，该效应也会影响可见光和近红外波段的吸收特性。在实际应用的功率密度范围内，多光子吸收效应十分关键，会导致吸收率随功率密度呈线性变化，部分材料中甚至会若非线性吸收被认为对样品吸收率有显著影响，应在多种功率密度条件下测量吸收率。多数情况下，可将测得数据按功率密度进行线性拟合：线性吸收率由拟合直线与纵轴的截距给出，而非线性吸——高功率辐照可能导致光学元件和膜层的退化或损伤；这种情况下，吸收率会随时间和功率密由测试元件本身或膜层发出的散射辐射会照射到温度传感器上，与光束整本文件给出的吸收率测试方法是基于一个基础物理模型：假设测试样品和样品夹持器在任何时候样品表面的边界条件由热对流、辐照损耗以及连接到样品夹持器和温度传感器的热电偶共同决定传感器径向位置的温度信号进行了模拟，假设光束直径远小于样品直径。图B.1展示了某从图B.1可以看出，随着温度传感器和激光束（样品中心显然，存在一个最优的温度传感器位置，在此位置测得的温度曲线与热导率为无限大的理论模型针对其他热导率与比热容比值的情况开展了理论计算，根据模拟数据得到的吸收比结果已绘制于于远红外应用中许多典型光学材料（如铜、铝、锗、硒化锌），这种影响通过为温度传感器选择合适的安装位置（例如，厚度3mm、直径25mm的光学元件约为7），对于表面积与厚度比值较低的测试样品，需给予