基于LabView控制的激光Z掃描綜合實驗設計

邱學軍，姚文俊，曹振洲，沈 健

（中南民族大學 電子信息工程學院，湖北 武漢 430074）

光電綜合實驗設計是許多理工科高校光電信息專業本科乃至碩士人才培養環節中極為重要的一環，通過該環節，不僅可以幫助學生理解專業理論知識，培養學生的創新思維和動手能力，而且從長遠看，該環節將構成學生專業素養的重要部分，是學生成為合格科技工作者和工程技術人員的必備因素。

盡管如此，為了適應新工科建設的要求，開發光電一體化的創新綜合型實驗，提高人才培養質量，是當前光電類新工科建設面臨的一個重要問題。為此，許多高校光電專業開始著手建設光電創新性綜合實驗平臺[1-3]，本文以近年來的科學研究熱點光學非線性材料為導向[4-7]，在民族院校中首次自主研制出基于LabView控制的激光Z掃描光電一體化裝置，以期對光電類創新綜合實驗的設計產生些許推動作用。

該裝置是對1989年Sheik-Bahae等[8]提出的Z掃描技術的進一步改進和發展。它以圖形化編程軟件LabView為基礎，以個人計算機為硬件平臺，通過對步進電機的控制、能量的讀取，以及數據的自動采集和存儲等操作獲取實驗數據。獲取的數據最后通過Mathematica軟件進行非線性擬合獲取非線性折射和吸收信息。相比傳統的非線性測量方法如自衍射法、非線性干涉法、四波混頻等，該裝置具有靈敏度高、數據處理量大、實驗光路簡單以及可以同時測量非線性折射系數的正負等優點。

1 激光Z掃描原理

在強激光作用下的非線性光學介質的折射率與入射光強有關，此時介質內部的折射率與光強的關系表示式為：

其中，0n為線性折射率；I為激光的光強；γ為非線性折射系數。當激光束入射到非線性光學材料上時，由于光強的分布不均，不同截面位置的折射率將會不同。根據折射與光速的關系v c n= （c為光在真空中傳播速度；n為介質的折射率；v為光在介質中傳播速度），不同截面位置光的傳播速度也會不同，導致激光通過非線性材料后波面向后彎曲（0γ＞）或向前彎曲（0γ＜），產生所謂的自聚焦現象和自散焦現象[9-11]，如圖1所示。當非線性樣品在沿激光束方向（Z方向）上移動時，由于非線性材料的自聚焦和自散焦效應，遠場光闌處探測到的光強也將隨樣品位置變化而變化，即出現先谷后峰（0γ＞）或先峰后谷（0γ＜）的現象，光強變化信息中包含了光束在非線性材料中的空間相位變化，利用空間相位變化進一步可以獲得材料的非線性折射和吸收特性。

圖1 光強變化

利用高斯分解法，考慮到雙光子吸收條件下閉孔的歸一化透過率的二級近似可表示為：[12]

其中， x = z z0； Δ φ0= 2 πγ I0Leffλ和 Δ Ψ0=βI0Leff分別表示非線性折射和非線性吸收在透鏡焦點處引起的相位變化；z為樣品離開焦點的實際距離， z0=為高斯光束的瑞利長度；ω0為激光束腰半徑；λ為激光波長；γ和β分別表示非線性折射系數和吸收系數；I0為焦點處的光強；Δx為焦點位置的相對偏差。 L= ( 1 - e-αL)α為樣品的有效長度，其中，L為樣品長度，α為線性吸收系數。

2 實驗裝置與系統組成

圖2為自主設計的激光Z掃描裝置圖。在實驗測量中, 高斯型光束由波長為808 nm，最大功率為1W的半導體激光器產生，經過焦距f=20 cm透鏡聚焦后通過薄樣品池，透射光束經過光闌后入射到能量計。實驗過程中，樣品池選用石英比色皿容器并固定在滑動位移平臺上，通過LabView程序可以精確控制位移平臺在Z方向上移動，位移平臺精度為10 μm。在每一個位置, 探測器接收多個脈沖的能量，并取平均值作為該位置的歸一化透過率，然后開始下一個位置的掃描，掃描完畢后測量數據將自動保存為文本文件。搭建的激光Z掃描裝置實物如圖3所示。

圖2 激光Z掃描裝置示意圖

圖3 激光Z掃描裝置實物

3 LabView控制的Z掃描程序

3.1 計算機與步進電機之間的通信

通過LabView提供的調用庫函數節點讀取步進電機的 dll文件，打開步進電機并獲取設備名稱，完成與步進電機端口之間的通信。對步進電機自動控制的程序流程如圖4所示。

3.2 計算機與能量計之間的通信

通過LabView提供的串口通信VISA函數，配置VISA串口參數和 VISA資源名稱，實現了與能量計USB之間的通信并讀取數據。程序流程如圖5所示。串口資源名稱為COM4，讀取接收緩沖區中的字節數為7，輸出結果為2.5 mW。

3.3 計算機從能量計讀取數據并求平均

通過Labview調用與能量計通信的子程序，將從能量計讀取的字符串轉換為數值輸出，利用For循環讀取32個瞬時光強并進行平均后作為結果輸出，圖6為計算機與能量計讀取數據并取平均的流程圖，平均次數在程序中可以根據需要設置。

圖4 計算機與步進電機通信的程序流程圖

圖5 計算機與能量計通信的程序流程圖

圖6 計算機與能量計讀取數據流程圖

3.4 實驗數據的采集與存儲

通過LabView調用能量計與步進電機通信的子程序，編寫了數據采集與存儲主程序。計算機每從能量計讀取一個平均后的光強數據，則控制步進電機向前移動一步，然后進行下一個數據的采集。采集數據以數組方式輸出到波形圖實時顯示波形，采集完畢之后，將閉孔Z掃描數據以二維數組形式自動寫入帶分隔符的電子表格，存儲為 txt格式。圖 7為實驗數據采集和存儲的程序流程圖。

圖7 實驗數據采集和存儲的程序流程圖

4 實驗數據分析與處理

利用激光Z掃描裝置研究了甲醇的非線性特性。甲醇（純度＞99.9%）由阿拉丁試劑購買獲得，圖8為實驗測得的不同光闌孔徑下甲醇溶液閉孔Z掃描實驗數據，可以看出，歸一化透過率曲線形狀均表現出先峰后谷，這主要是因為甲醛的非線性折射系數為負值，材料本身相當于一個負透鏡，呈現自散焦效應。由于甲醇溶液的吸收峰在560 nm左右，在808 nm激光作用下，雙光子能量恰好位于雙光子吸收帶上，因此，利用公式（2）對實驗數據進行了非線性擬合，考慮到實驗過程中，所設置的焦點位置相對于實際位置有偏差，在公式（2）中引入了焦點位置的相對偏差因子xΔ。實驗擬合參數為：

由擬合結果可以看出，隨著光闌孔徑的增大，非線性折射相移逐漸從0.892減小到0.25，而非線性吸收相移動則逐漸從0.002增加到0.066，表明隨著光闌孔徑的增大，非線性折射效應逐漸減弱，而非線性吸收效應逐漸加強。在峰谷靈敏度較高的情況下，如圖8(a)所示，進一步計算獲得的甲醇的非線性折射系數約為，這與文獻[13]中的數據是基本吻合的。表明所搭建的激光Z掃描實驗系統裝置已經可以正常運行且性能良好。

圖8 甲醇分子在不同光闌孔徑下閉孔Z掃描曲線（ 1I為樣品位于焦點處時探測到的光強）

5 結語

為加快我校新工科建設步伐，推動創新實驗平臺建設，設計并研制了基于LabView控制的激光Z掃描綜合實驗平臺，并實現了平臺的正常運行。通過實驗，測試了平臺的穩定性和可靠性。該平臺的搭建，不僅可以幫助學生理解專業知識，掌握實驗技能，學以致用，而且可以開闊視野，培養學生的創新思維和綜合能力。