吸收反义泀

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【一】:反饱和吸收的光限幅的研究

反饱和吸收的光限幅的研究

金 纬 安徽大学物理学院

摘要：本文综述了对人眼进行激光防护的标准及对光学器件的防护，介绍了激光防护器材的种类，重点阐

述了非线性光限幅器的研究概况和各种非线性防护材料的种类。推导了反饱和吸收的理论模型，同时测量并分析了一种非线性光学材料在不同线性透过率下的光限幅效应。 关键词: 非线性；反饱和吸收；光限幅器；线性透过率。

Abstract: The paper introduces the international standard of defend eyes and optical apparatus to laser light . The

kinds of material defend-laser are introduced . It states general situation and varieties material of nonlinear light limitr. The theoretical model in reverse saturation absorption of light are proved. At the same time we measured a lots of sample’s transmission rate and analyzed in reverse saturation absorption domino effect. Key words: nonlinear ; in reverse saturation absorption ; light limitr ; linear transmission .

一、 综述

在各种高科技迅速发展的今天，激光的研究和应用得到了广泛重视。例如激光测距

仪、激光切割机、激光打标机、激光治疗仪等产品，各种激光技术已广泛应用于测量、

焊接、医疗、通信和军事等领域。而激光又容易对人眼和各种灵敏的光学器件造成损伤和破坏，所以激光防护的研究也迅速发展起来了。 1、 人眼的激光防护标准

激光照射到物体上可产生热效应、光效应、压力效应和电磁效应等。光防护的重

要方面是对人眼的防护，各国对人眼的激光防护研究都非常全面。由于人眼的各部分对不同波长光辐射的透射与吸收不同对眼的损伤部位与损伤程度也不同。一般来说，紫外线与远红外线在一定剂量范围内主要损伤角膜，可见光与近红外线波段的激光主要损伤视网膜，超过一定剂量范围各波段激光可同时损伤角膜，晶体与视网膜，并可造成其他屈光介质的损伤。小于0.3微米和大于2.5微米的光辐射均不能透过角膜，而被其吸收。晶体的透过率因年龄而异，从0.4～1.4微米波段，晶体透过率较高，约80%以上，其两侧的波段很少能透过晶体。玻璃体也可透过0.4～1.4微米的光辐射。0.4~1.4nm波段的激光可穿过人眼的晶状体和常规光学器件，常称为“危险带”，尤其0.532nm的蓝绿激光器对人眼的伤害最大。1998年国防技术委员会发布的中华人民共和国军用标准规定防护镜性能参数（GJB470-88），参照表（1）和表（2）：

表<1> 美国国防部公布的伤害人眼的激光能量阀值（EL）

[2][3][4]

表<2> 适合不同激光参数使用的防护镜衰减值

注：E为辐照度，H为辐照量，EL指受激光照射一定时间内不受损伤的照射值。

2、 防护材料的分类

对激光防护器材的基本要求是在对有害的强入射激光实施有效的防护的同时，保持较高的视场透明度，从而不影响人眼观察功能及光电传感器的感应灵敏度。 2.1、传统的激光防护器材

传统的激光防护器材通常只对波长或光强敏感。分为以下几种： 2.1.1、波长敏感型

1、 吸收式：一般由掺有无机染料的玻璃或掺有有机染料的塑料制成。

2、 反射式：是在玻璃基质上交替镀制高低折射率介质的多层薄膜系统。该镜子能承受

高功率的激光辐射，带其视场角小，只在±30°以内，难以防护斜入射的激光，而且工艺要求很高。

3、 复合式：是上述两种防护方式的组合，可以防护两个或两个以上特定波长的激光。 4、 衍射（全息）式：根据光的全息原理，在玻璃上或塑料基片上用全息摄影方法制作

的三维光栅。该镜片防护带宽，透明度高，但是视角受限制，工艺要求很高。 5、 光化学反应式：由两层镜片及灌注于其间的特定的化学物质溶液构成。其透明度高，但其反应时间长，只能用于连续波或长脉冲激光的防护。

6、 准直透镜式：由凸透镜、凹透镜以及夹在此中间的平面干涉滤光片组成。该新型光

学系统可防护一个或多个波长的激光，对微光和日光透过率都很高。

2.1.2、光强敏感型

1、 微爆式：镜子表面涂有特殊化学物质薄膜，当光强达到阀值时，物质爆炸变黑，使

镜片完全不透明，但只能作一次性防护，而且反应时间较长。 2、 光电式：由两片偏振方向互相垂直的偏振片及夹在其间的带电极的陶瓷片和光电二

极管构成。该防护镜透光率可调，但响应时间太长（约10-5s），而且结构过于复杂。

3、 变色微晶玻璃：其优点是透明度高，但反应时间较长。

4、 像差器：由玻璃纸、湿绵纸等材料构成，或在两层玻璃片中间充入水和酒精而成。光学像差器置于光路中变换透镜之前，入射激光经过其傅立叶变换平面时强度可以被显著衰减。防护波长可覆盖整个光谱范围。 2.2、非线性防护材料

尽管以上传统的防护镜对激光具备一定的防护作用，但是其防护波段窄，可见光

透过率低，防护角度范围受到限制，尤其是对高强度短脉冲波段长的可调谐激光器防

护效果很不理想。因而目前的研究已转向采用非线性光限幅效应来实现激光防护功能。 2.2.1、非线性光限幅器的研究概况

非线性光限幅器的原理是非线性光限幅效应。当激光激发介质时，在低光强下，

输出光强随着入射光强的增加而线性增加。而当入射光强达到一定的阀值后，由于介质的非线性光学效应，输出光强增加缓慢或不在增加的一种非线性光学现象，这种光

学现象就是所谓的非线性光限幅效应。从非线性光学原理上，非线性光限幅效应可分为自聚焦光限幅、自散焦光限幅、反饱和吸收光限幅、非线性散射光限幅、双光子吸收光限幅、非线性折射光限幅、光学双稳光限幅及非线性光子带隙结构等。

1964年T.P.Gordon等人首次报道了光限幅现象。后来，随着激光武器的大量研究

和装备，激光防护的研究开始受到重视。八十年代的研究仍然以半导体材料为主要研究对象，如Si材料的非线性吸收ZnSe

[15]

[13]

，GaAs的双光子吸收和自聚焦限幅

[10][12][14]

，以及

与CaTe

[16]

等都得到了充分的研究。但半导体的损伤阀值低，限制了器件的限幅

范围。

八十年代后期以来，新结构、新原理和新材料的光限幅效应引起了人们的极大兴

趣。如掺半导体波导结构[17]，周期结构[18]等的光限幅效应的研究。新型限幅材料以有机材料为主要特征，由于有机材料的非线性系数比半导体材料高达两到三个数量级，而其响应速度也达到皮秒量级，因而逐渐取代了半导体材料而成为研究的重点。大致可分为三类，第一类为酞氰类化合物；第二类为铁钴类金属有机化合物；第三类为现在研究最多最全面的足球烯分子C60和C70及其衍生物[5][6][19][20]。在各种材料被发现和研究的同时，各种理论也逐步趋于完善。R.Goedert和R.Becker等对各种材料的研究成果和技术成果进行总结概括[7]。薛冬锋、张思远等对非线性光学材料的几种理论研究方法进行了比较，对量子化学方法、晶体化学键的唯象理论和阴离子集团模型理论的优缺点进行了阐述。韩萍分析了理想自聚焦和自散焦的光限幅[8]。邓晓旭、张学如等从理论上分析了几种非线性吸收的条件[10][11]。

2.2.2、非线性防护材料的种类

1、 非线性界面：线性材料和非线性材料见的光学界面称为非线性界面。弱光由非线性

介质入射到这种界面上，若满足全反射条件，则全部被反射回去；当光强增加到一

定程度时，非线性材料折射率的显著改变将破坏全反射条件，使入射光部分或全部反射。从而呈现弱光高反射、强光低反射的特性。通过选用合适的材料和入射方式，也可以实现弱光高透射、强光低透射。

2、 非线性光子带隙结构：这是一种精巧的材料结构，可以在很宽的光谱范围内探测和

抵制强入射激光。这是一种具有高低非线性的介质膜交替叠加的多层膜系，其防护效果目前还不理想。

3、 非线性散射：这种材料一般为液态或固态悬浮液。弱光入射时，悬浮液光学性质均

匀，无散射效应，表现为高透射；强光入射时，悬浮液的光学性质非均匀化，散射效应急剧增强，表现为低透射。用于光限幅的非线性散射有喇曼散射、受激布里渊散射和光致等离子散射等。

4、 非线性折射：又称强光自聚焦或自散焦效应。它们是由于光致折射率变化所引起的

光束自作用。在高斯光束作用下，由于介质的非线性使介质内产生折射率的梯度变

化。若介质折射率变大，则折射率梯度使介质相当于一个凸透镜，通过它的光束被聚焦，使入射光在介质中产生自聚焦。其优点是响应时间快，限幅值低，动态范围大（可达到四个量级），适用波长范围宽（可见光和红外区均可），特别适用于皮秒级激光限幅；缺点是仪器的结构复杂，不适用于对人眼的防护。 5、 非线性吸收：它是介质的吸收系数依赖于入射光强的现象。分为单光子吸收和多光

[9]

子吸收过程。吸收系数随着入射光强的增加而减小，称为饱和吸收（SA）；吸收系

数随入射光强增加而增加，称为反饱和吸收（RSA）。其优点是仪器轻便，限幅阀值低，响应时间可达到ps量级；缺点是只适用于可见光区，而不适用于红外波段，限幅能量范围小，另外，仪器的损伤阀值低。

二、 反饱和吸收光限幅的理论模型

反饱和吸收光限幅的模型多为半经典理论模型，以下为四能级的反饱和吸收产生

的条件及阀值光强的理论模型推导 。因入射激光脉宽小于系间跃迁时间，忽略三重态的作用，分子能级结构如下图所示：

s3

s2

s1

s0

图1：分子能级结构图

N3

N2

N1

N0

单重态四能级模型的速率方程：

dNdtdN

20

10N010N0

N121

II



N1

01

N121

I

N1

dtdNdt

2www.shanpow.com_吸收反义泀。

I



01



N2

12

N2

12

N0N1N2N3N

式中各能级的粒子数布居为N0 ，N1 ，N2 ，N3 ；吸收截面为10，s1态和s2态的能级寿命分别为01和02 ；N是总粒子数；I是入射光强。

21

，

32

；

当入射激光脉宽远大于能级寿命时，可作稳态处理。在稳态近似下，Ni=0 ，得到各能级粒子数布居如下：

N0N1

N

II

IS1R1201IIS

222

I

IS10N

IS1R

1201IIS

N2

IIS21201RNIIS1R1201I

IS

N30

式中R

21

10 ，IS1001 。粒子在高阶激发态寿命很短，粒子数

布居可认为是零。各种介质的吸收系数表达式为：

n110N021N132N2R3210www.shanpow.com_吸收反义泀。

IISR1IIS21201RIIS1R1201IIS2

非线性吸收系数n1随光强变化的单调性决定了样品吸收类型的变化。 dn1dI

FI



I

IS1R1201IIS

2

22

R12121

FIRR

I301IS3

S01212R1

I2RR12201IS201IS2R1I

IS

若n1单调上升，介质只发生反饱和吸收；若n1单调下降，介质只发生饱和吸收。若n1由单调上升变为单调减少，介质发生反饱和吸收向饱和吸收转化，

dn1dI0时，发生转变，对应的光强定义为RSA-SA阀值光强；若n1由单调减

少变为单调上升，介质发生饱和吸收向反饱和吸收的转化，dn1dI0时，发生转变，对应的光强定义为SA-RSA阀值光强。分析研究得到：

⑴、 当吸收截面满足32

21

10 ，且光强达到阀值光强ISC时，发生饱和

吸收向反饱和吸收的转化。 ISC

1RR1RRR10112RRR

IS

⑵、 当吸收截面满足当吸收截面满足32⑶、 当吸收截面满足32

21

21

10 ，只发生饱和吸收。

10 ，且光强达到阀值光强IRC时，发生反饱

和吸收向饱和吸收的转化。 IRC

1RR1RRR10112RRR

21www.shanpow.com_吸收反义泀。

IS

⑷、 当吸收截面满足当吸收截面满足3210 ，只发生反饱和吸收。

饱和吸收和反饱和吸收的产生只与吸收截面有关。产生两种吸收相互转化的综合非线性吸收，除了其吸收截面满足一定的条件外，入射光强还需达到一定阀值。由两

【二】:2012年南安市小学一年级上学期语文学习目标

2012年南安市小学一年级上学期语文学习目标检测质量分析

本学期，我市小学一年级上学期语文学习目标检测由进修学校小学教研室命题，由各中心小学、市直小学组织考试及评卷工作。下面汇总各单位送交的质量分析材料，对检测情况作简要分析。

一、试卷简析

1、命题依据。本次试卷依据《义务教育语文课程标准》（2011年版）理念精神及第一学段教学目标，紧扣教材具体要求，立足我市学生学习的实际情况。

2、试卷特点。试卷中的题目对应或参照教材内容、课后练习及语文百花园出现过的内容形式，或将教材基础知识题进行适度综合或拓展延伸，难易梯度控制在8:1:1，力求做到难易适度，既面向全体学生，又兼顾个体差异，比较客观地反映学生学习语文的真实水平。同时，命题在题型及内容设计上渗透了本学期教材里出现的几种主要识字的方法，如除了借助拼音识字外，还有看图识字、按书写顺序归类识字、加笔画归类识字、形近字辨析识字等，突出了本学期“识字写字”的教学重点。此外，命题还渗透了提示学生平时注意对课文中优美词句、典型句式的积累运用的意图。如第十大题中“小小的、闪闪的、蓝蓝的”等叠词，“高兴、喜欢”两个意思相近的词在具体语言环境中的运用等。

3、试卷呈现方式。整张试卷共有十二大题，大致可分为“拼音识字”、“词语句子”、“阅读写话”三个版块。试卷呈现的方式力求图文结合、形象清晰，符合一年级学生的认知特点，重在激发学生学习语文的兴趣和学习语文的信心，使每一位学生都能体验到成功的喜悦，能通过此次考试都有所收获。

二、答卷分析

（一）总体得分情况分析

现以报送的质量分析材料中统计27个单位共12631名学生的成绩（报送材料中数据填写完整的都进行统计），平均分91.28，及格率98.36%，优秀率73.89%。从统计数据看，我市2012年小学一年级上学期语文教学质量总体上较好。

（二）各题得分情况分析

下表中三个样本分别是由3个乡镇中心小学提供的抽样统计数据（各抽样100份），各题得分情况如下：

从以上各题的统计数据看，得分率较高的是：第一题“把音节和相应的图连起来，并把音节抄写在四线格里”（ 97.8%），第五题“看图写汉字”（ 97.3%），第七题“比一比，再组词”（ 98.4%），第九题“照样子写句子”（ 97.1%）和第十题“根据课文内容选择序号填空”（ 96.8%）；得分率最低的是第十一题“读儿歌做练习”（ 68.7%）；其他试题的得分率大都在93%左右。三个样本除了第十一题得分率存在较大差距外，其他各题的得分率都非常接近。

可以看出，学生的基

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