基於4f相位相干成像系統測量材料的光學非線性的方法
2023-08-02 16:13:31 1
專利名稱：基於4f相位相干成像系統測量材料的光學非線性的方法
技術領域：
本發明涉及一種光子學非線性材料的測量方法，具體涉及一種基於4f 相位相干成像系統能在雷射光斑分布以及能量不穩定的情況下測量光學材 料非線性的方法，屬於非線性光子學材料和非線性光學信息處理領域。
背景技術：
隨著光通信和光信息處理等領域的飛速發展，非線性光學材料研究曰益重要。光學邏輯、光學記憶、光三極體、光開關和相位復共軛等功能的實現主要依賴於非線性光學材料的研究進展。光學非線性測量技術是研究非線性 光子學材料的關鍵技術之一。4f 相位相干成像系統 (G. Boudebs and S. Cherukulappurath, "Nonlinear optical measurements using a 4f coherent imaging system with phase object" ， Phys. Rev. A， 69， 053813 (2004))是近年來提出的一種測量 材料非線性折射的新方法。它是受到澤爾尼克空間濾波實驗中可以將相位變 化轉化為圖象中強度的變化啟發而提出的。如附圖1所示，傳統的4f相位相干成像系統通過分束鏡將入射雷射分成 兩路，分別進入測量光路和參考光路，參考光路具有監視測量光路雷射脈衝 能量的作用，測量光路通過先後獲得非線性光斑和線性光斑，然後擬合得到 待測材料的非線性折射率。4f相位相干成像系統測量材料的非線性主要有兩個步驟1) 能量定標，將校準的能量計放置在主光路中樣品的位置，然後發射 一個雷射脈衝，這時能量計的示數即是實驗中打到樣品上的能量，它與CCD 探測到的參考光斑的強度是成正線性關係的；參考光路監視每個雷射脈衝能 量的變化，然後通過CCD測得的光強的空間分布可以計算得到不同位置上 的光強大小。2) 測量和擬合，先在樣品前放置衰減片衰減入射光強，使得樣品的非線性效應可以忽略不計，入射一個雷射脈衝，通過測量系統打過待測樣品後 CCD拍到的圖像稱為線性光斑再將先前放置在非線性樣品之前的衰減片放 置到樣品之後，這樣測得的圖像稱為非線性光斑。以線性光斑作為輸入，根 據測得的圖象進行數值擬合得到材料的非線性折射率。以往非線性的研究主要在集中在532nm， 1064nm， 800nm等波段，這 些波段的雷射是雷射器直接出射或倍頻後得到的， 一般可以達到比較理想的 空間分布和穩定性。隨著研究的深入，為了研究非線性材料在其它波段的非 線性性質，就必須藉助於光學參量產生器(OPG)、光學參量放大器(OPA) 或光學參量振蕩器(OPO)等儀器。通過這些儀器可以將波長調節到從可見 到近紅外的任意波段，但是這些儀器出射的雷射通常空間分布以及能量都很 不穩定。利用4f相位相干成像系統測量材料的非線性需要擬合4f系統入射面的 像和出射面的非線性的像，傳統的方法中利用二次測量法先後得到線性光斑 和非線性光斑，然後以線性光斑來代替4f系統入射面的像進行擬合，這兩個 光斑是從兩個不同的雷射脈衝分別得到的，在雷射空間分布穩定的情況下， 儘管線性光斑與非線性光斑是由不同的脈沖得到的，但是它們在入射面上具 有相同的空間分布，因此可以用線性光斑來代替非線性光斑在入射面上的空 間分布進行數值模擬。但是當雷射脈衝空間分布不穩定的情況下，由於脈衝之間的空間分布的 不穩定性，由不同脈衝得到的非線性光斑與線性光斑在入射面上的空間分布就可能會有明顯的差異，此時如果繼續用線性光斑作為輸入就會造成數值模 擬結果與實驗測量結果的不同。因此，現有的4f相位相干成像系統無法在光斑分布不穩定情況下對材料的光學非線性折射進行有效的測量。發明內容本發明目的是克服現有技術的不足，提供一種能夠在雷射光斑空間分布 不穩定的情況下測量介質的光學非線性折射率的方法。為達到上述目的，本發明採用的技術方案是 一種基於4f相位相干成像 系統測量材料的光學非線性的方法，4f相位相干成像系統通過分束鏡將入射雷射分成兩束， 一束為探測光進入測量光路，通過4f系統後用CCD採集； 另一路為參考光，進入參考光路後用同一個CCD採集樣品位於測量光路 4f系統的傅立葉平面，其特徵在於該4f相位相干成像系統的參考光路是4f 系統，且參考光路的出射方向與測量光路的出射方向平行其測量步驟為1) 能量定標，將校準的能量計放置在樣品的位置，然後發射一個雷射 脈衝，這時能量計的示數即是測量中打到樣品上的能量，同時，CCD採集到 參考光路得到的參考光斑，能量計的示數與CCD探測到的參考光斑的強度 是成正線性關係的；利用這個比例係數，在測量中通過參考光斑的強度直接 可以推測出照射到樣品上的脈衝能量的大小及能量的分布；2) 測量擬合，取走能量計，把待測樣品放在主光路傅立葉平面處，再 入射一個脈衝光，在CCD上將同時得到兩個光斑入射光經過主光路打過 樣品後在CCD上獲得非線性光斑和經過參考光路後得到的參考光斑，根據 獲得的非線性光斑和參考光斑的圖像進行數值擬合，擬合中利用參考光斑上 的光強分布作為入射光光強分布，在數值擬合中僅有非線性折射率《2為變量，通過改變 的取值使模擬非線性光斑與實驗所得非線性光斑吻合從而得到 的值。上述技術方案中，分束鏡的透過率和反射率各為50%，可以提髙光斑能 量利用率。上述技術方案的具體實現方式可以是，首先把光參量產生器OPG產生 的脈衝雷射經過一個透鏡組進行擴束，擴束光斑中心區域為近平面光分布。 選取擴束光斑中心區域一小部分光為入射光進行測量。測量之前先進行能量 定標，將校準的能量計放置在樣品的位置，然後發射一個雷射脈衝，這時能 量計的示數即是測量中打到樣品上的能量，它與CCD探測到的參考光斑的 強度是成正線性關係的。利用這個比例係數，在測量中通過參考光斑的強度 直接可以推測出照射到樣品上的脈衝能量的大小及能量的分布。完成定標後 進行測量。取走能量計把待測樣品放在主光路焦點處，再入射一個脈衝光， 在CCD上將得到兩個光斑入射光經過主光路打過樣品後在CCD上獲得"非 線性光斑"和經過參考光路後得到的"參考光斑"。根據拍到的圖象進行數值擬合，擬合中將利用參考光斑上的光強分布作為入射光光強分布，在數值擬合中僅有非線性折射率"2為變量。通過改變"2的取值使模擬非線性光斑與實驗非線性光斑吻合從而得到"2的值。上述技術方案中，為了在不同波段研究材料的光學非線性，需利用光學參量產生器(OPG)、光學參量放大器(OPA)或光學參量振蕩器(OPO) 等儀器產生脈衝雷射並經擴束系統擴束。本發明通過改進傳統4f系統的參考光路，將它變成另外一個焦距較長的 4f系統，並且保證參考光路的4f系統和主光路中的4f系統的入射面和出射 面各自重合，使得原來用以監測脈衝能量浮動的參考光斑同時具有監測入射 脈衝空間分布的功能。本發明所述的測量方法，可以廣泛的應用於非線性測量，非線性光子學 材料，非線性光學信息處理和光子學器件等研究領域，尤其是非線性光功能 材料的測試和改性等關鍵環節。由於上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點-1. 由於對參考光路進行了改進，在獲得樣品上脈衝雷射能量的同時可 以獲得代表入射面上入射脈衝空間分布情況，可以在光斑空間分布不穩定的 情況下測量介質的非線性折射率，測試結果準確2. 由於不需要先後利用傳統的4f相干成像系統獲得一個線性光斑和非 線性光斑，光路簡單，測試速度快捷，數據處理方便。
附圖1是基於4f相位相干成像系統測量材料光學非線性的裝置圖； 附圖2是本發明實施例一中帶圓形相位物體的相位光闌示意圖； 附圖3為本發明實施例一中的非線性光斑圖； 附圖4為本發明實施例一中的參考光斑圖； 附圖5是本發明實施例一中的數值擬合曲線圖；其中1、凸透鏡；2、凸透鏡；3、反射鏡；4、相位光闌；5、分束鏡； 6、凸透鏡；7、待測樣品；8、凸透鏡；9、中性衰減片；10、 CCD相機；11、反射鏡；12、凸透鏡；13、凸透鏡；14、中性衰減片；15、反射鏡；16、反 射鏡；17、光闌18、圓形相位物體。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述實施例一參見附圖l至附圖5所示， 一種基於4f相位相干成像系統測 量材料的光學非線性的方法。如附圖l所示，應用於光斑分布不穩定情況下的4f相位相干成像系統的 實驗裝置可以分為擴束系統、測量系統和參考系統三部分。擴束系統是由凸 透鏡1和凸透鏡2組成；測量系統由相位光闌4、凸透鏡6、待測樣品7、凸 透鏡8、中性衰減片9和CCD相機10組成；參考系統由分束鏡5、反射鏡 11、凸透鏡12、凸透鏡13、中性衰減片14、反射鏡15和反射鏡16和CCD 相機10組成。其中中性衰減片9和中性袞減片14是用來保證CCD相機10在其線性 響應以內，凸透鏡6和凸透鏡8構成4f系統，相位光闌4放置在4f系統的 物面上，待測樣品7在傅立葉平面上，CCD相機10在4f系統的像平面上接 收脈衝圖像；凸透鏡12和凸透鏡13構成參考系統的4f系統。從光參量產生器出射的脈衝雷射首先經過擴束系統擴束，擴束後的雷射 脈衝經過相位光闌形成近top-hat光，被分束鏡5分為兩束， 一束經凸透鏡6 的傅立葉變換會聚到放置在傅立葉面上的待測樣品上，由於待測樣品的非線 性折射性質使得入射的脈衝的相位發生變化，從樣品後表面出射的脈衝經過 凸透鏡8的傅立葉逆變換由CCD相機10進行接收，稱為非線性光斑。另一 束經反射鏡ll、凸透鏡12、凸透鏡13、中性衰減片14、反射鏡15、反射鏡 16和CCD相機7接收，稱為參考光斑。附圖2所示的就是相位光闌4的通常形式，相位物體18為圓形，通過 相位物體18的光束比其它部分的光束位相延遲本A,實施例一中相位延遲 0.4兀。利用應用於光斑分布不穩定情況下的4f相位相干成像系統進行非線性 折射率的測量分兩部分進行，即能量校準和非線性測量。能量校準是將非線性樣品7取走，將校準的能量計放置在凸透鏡6和凸 透鏡8之間的某一位置使得雷射光斑能夠全部打到能量計探頭上。發射一個 雷射脈衝，用能量計測量脈衝的能量，同時用CCD相機IO採集參考光路的 參考光斑。由於此時光路中所有器件都是線性器件，所以根據參考光斑的強 弱就可以知道入射脈衝能量的大小。這樣在非線性測量過程中的入射到待測 樣品7上的脈衝的能量就可以通過同一個雷射脈衝產生的參考光斑來計算得 到。非線性測量的具體步驟為將待測樣品7放置在傅立葉平面上，再入射 一個脈衝雷射，我們在CCD上可以得到兩個光斑即入射光經過測量系統打 過樣品後在CCD上獲得非線性光斑(圖3)和從參考光路中得到的參考光斑 (圖4)。根據拍得的非線性光斑(圖3)和參考光斑(圖4)進行數值擬合。圖5 為數值擬合曲線，虛線為測量的非線性光斑(圖3)的中心切線，實線是以 參考光斑(圖4)為輸入數值模擬得到的中心切線。通過改變"2的取值使模擬非線性光斑與實驗非線性光斑吻合從而數值擬合得到甲苯的三階非線性 折射率 的值為1.3x10-18 m2/W ，這與已報導的甲苯的非線性折射率值l.Oxl(T18 m2/W相近。
權利要求
1.一種基於4f相位相干成像系統測量材料的光學非線性的方法，4f相位相干成像系統通過分束鏡將入射雷射分成兩束，一束為探測光進入測量光路，通過4f系統後用CCD相機採集；另一路為參考光；樣品位於測量光路4f系統的傅立葉平面，其特徵在於所述參考光的光路是4f系統，且參考光路的出射方向和測量光路的出射方向平行，並採用同一個CCD相機採集；其測量步驟為1)能量定標，取走樣品，將校準的能量計放置在樣品的位置，並使雷射光斑能夠全部打到能量計探測頭上，然後發射一個雷射脈衝，用能量計測量脈衝的能量，同時用CCD相機採集到參考光路得到的參考光斑；2)測量擬合，取走能量計，把待測樣品放在測量系統的傅立葉平面上，再入射一個脈衝光，在CCD上將得到兩個光斑入射光經過主光路打過樣品後在CCD上獲得非線性光斑和經過參考光路後得到的參考光斑，根據獲得的非線性光斑和參考光斑進行數值擬合得到待測樣品的非線性折射率，擬合中通過對參考光斑的計算得到測量過程中入射到待測樣品上的雷射脈衝的能量，利用參考光斑上的光強分布作為入射光光強分布。
2. 根據權利要求1所述的基於4f相位相干成像系統測量材料的光學非 線性的方法，其特徵在於所述分束鏡的透過率和反射率各為50%。
全文摘要
本發明公開了一種基於4f相位相干成像系統測量材料的光學非線性的方法，4f相位相干成像系統通過分束鏡將入射雷射分成兩束，一束為探測光進入測量光路，通過4f系統後用CCD相機採集；另一路為參考光，進入參考光路後用同一個CCD相機採集；樣品位於測量光路4f系統的傅立葉平面，其特徵在於參考光路是4f系統，且參考光路的出射方向和測量光路的出射方向平行。對參考光路進行了改進使得該發明可以在獲得樣品上脈衝雷射能量的同時可以獲得代表入射面上入射脈衝空間分布情況，可以在光斑空間分布不穩定的情況下測量介質的非線性折射率，光路簡單，測試速度快，結果準確，數據處理方便。
文檔編號G01N21/41GK101261224SQ200810023628
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月9日 優先權日2008年4月9日
發明者宋瑛林, 李雲波, 楊俊義, 煜 王, 王玉曉 申請人:蘇州大學