單脈衝平頂光測量材料光學非線性的裝置及其測量方法
2023-07-31 15:02:26 1
專利名稱：單脈衝平頂光測量材料光學非線性的裝置及其測量方法
技術領域：
本發明涉及一種高靈敏度單脈衝平頂光測量材料光學非線性的裝置，屬於非線性光子學材料和非線性光學信息處理領域。本發明還涉及上述裝置的的測量方法。
背景技術：
隨著光通信和光信息處理等領域技術的飛速發展，非線性光學材料的研究日益重要。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學材料的關鍵技術之一。常用的測量方法有Z掃描、4f系統相干成像技術、馬赫-曾德幹涉法、四波混頻、三次諧波非線性幹涉法、橢圓偏振法、相位物體Z-scan等。其中Z掃描方法(Mansoor Sheik-Bahae, AliA. Said, Tai-Hui Wei, David J. Hagan, E. ff. Van Stryland. 「Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam，，，IEEE J. Quantum Elect, 26, 760-769(1990))光路簡單、靈敏度高，是目前最常用的平頂光測量材料光學非線性的方法。 但是這種測量方法需要樣品在雷射傳播方向的移動，需要雷射多次激發，對薄膜和易損傷的材料不適用。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裝置。利用 4f相位相干成像技術測量非線性折射具有光路簡單、靈敏度高、單脈衝測量，無需樣品移動、對光源能量穩定性要求不高等優點。但這種裝置需要對採集的圖像進行比較複雜的處理，而且對(XD的要求比較高,增加了測量裝置的成本。PO Z-scan技術(Junyi Yang and Yinglin Song,「Direct observation of the transient thermal-lensing effect using the phase-ob ject Z-scan technique」，Optics Letters, 34 :157-159 (2009))就是在傳統Z-scan的基礎上，在透鏡的前焦面的位置加一個相位物體。與傳統Z-scan相比，所測量材料非線性折射的結果由傳統Z-scan的峰谷特徵曲線變成了單峰或單谷特徵曲線。和傳統Z-scan —樣，這種測量裝置也需要樣品在雷射傳播方向的移動，需要雷射多次激發， 容易損傷材料。T-PO測量材料非線性技術(Junyi Yang, Xueru Zhang, Yuxiao Wang, Min Shui, Changwei Li, Xiao Jin, and Yinglin Song, 「Method with a phase object for measurement of optical nonlinearities，，, Optics Letters, 34 :2513-2515 (2009))在PO Z-scan技術的基礎上，將樣品放置在系統的焦平面，無需移動，通過測量透過小孔的歸一化非線性透過率就可以測量樣品的光學非線性。這種方法的測量靈敏度和一般的測量方法一樣，在一定的條件下，不能達到測量的要求。
發明內容
本發明的目的是提供一種單脈衝平頂光測量材料光學非線性的裝置，在不需要移動樣品的前提下，簡單而準確地測量材料的非線性折射和非線性吸收。為達到上述技術目的，本發明採用的技術方案是一種單脈衝平頂光測量材料光學非線性的裝置，其包括-擴束系統，所述擴束系統由第一凸透鏡和第二凸透鏡組成，所述第一凸透鏡、第二凸透鏡在水平方向上左右放置；-測量系統，所述測量系統由小孔、第三凸透鏡、第二分束器、第四凸透鏡、第二探測器、圓形小孔、圓形擋板、第五凸透鏡和第三探測器組成，在水平方向上，在所述第二凸透鏡右側，所述小孔、第三凸透鏡、待測樣品、圓形小孔、圓形擋板、第五凸透鏡和第三探測器從左向右依次放置，在待測樣品與圓形小孔之間設置有第二分束器，所述第二分束器的下方依次設置有第四凸透鏡和第二探測器；-參考系統，所述參考系統由第一分束器和第一探測器組成，所述第一分束器設置在小孔和第三凸透鏡之間，所述第一探測器設置在第一分束器下方；待測樣品放置在第三凸透鏡的焦平面上，從雷射器出射的脈衝雷射經過擴束系統擴束，擴束後的雷射經過小孔後形成平頂光，光束經第一分束器分為兩束，一束由第一探測器探測，另一束經第三凸透鏡會聚到放置在其焦點的待測樣品上，從待測樣品透射的脈衝雷射經過第二分束器分為兩束，一束雷射經過第四凸透鏡後由第二探測器探測，另一束雷射經過圓形小孔和圓形擋板後，經第五凸透鏡後由第三探測器探測。所述圓形小孔和圓形擋板設置在待測樣品的遠場位置。所述產生平頂光的小孔和圓形擋板之間的位置符合透鏡成像公式。所述圓形小孔和圓形擋板的大小根據通過待測樣品後的遠場光束的半徑大小進行調節，圓形小孔和圓形擋板組合後的透過率大於0且小於0. I。上述的一種高靈敏度單脈衝平頂光測量材料光學非線性的裝置測量材料非線性的方法，其思路是將一平頂雷射束分為兩束，一束為監測光，由第一探測器D1記錄，另一束光為探測光，經凸透鏡聚焦到待測樣品上，使待測樣品產生光學非線性；所述待測樣品位於光路中透鏡的焦平面上，從雷射器出射的脈衝雷射被第二分束器分為兩束，一束經凸透鏡會聚後被第二探測器D2接收(開孔)，另外一束先通過一個中心和光軸重合的圓孔，再經過一個中心和光軸重合的不透光的擋板後經凸透鏡會聚後進入第三探測器D3 (閉孔)。具體包括以下步驟I)在遠離第三凸透鏡焦點，靠近第三凸透鏡的位置放上待測樣品，用第一探測器、 第二探測器和第三探測器測量脈衝光能量，分別計算出第二探測器與第一探測器所測能量的開孔能量比值、第三探測器所測能量與第一探測器所測能量的閉孔能量比值；2)在探測光路的第三凸透鏡的焦平面位置放上待測樣品，用第一探測器、第二探測器和第三探測器測量脈衝光能量，分別計算出第二探測器與第一探測器所測能量的開孔能量比值、第三探測器所測能量與第一探測器所測能量的閉孔能量比值；3)將步驟2)中的開孔能量比值除以步驟I)中的開孔能量比值，得到樣品的開孔歸一化非線性透過率；將步驟2)中的閉孔能量比值除以步驟I)中的閉孔能量比值，得到樣品透過小孔歸一化的非線性透過率；4)根據步驟3)中得到的非線性透過率進行理論擬合，得出樣品的非線性吸收和非線性折射係數。本發明的技術方案中，非線性樣品受到脈衝光的作用後，材料的吸收和折射性質發生變化，產生光學非線性。在薄樣品近似的條件下，能量只與非線性吸收有關，非線性折射對能量的影響可以忽略不計，因為開孔測量的是整個能量的變化，與非線性折射無關，所以開孔的透過率與材料的非線性吸收相關。另一方面，樣品產生的非線性相移隨雷射的光強的變化而變化。這樣，在焦平面處樣品就相當於一個變化的非線性相移。變化的非線性相移就會引起遠場衍射光斑的光強分布變化，從而就會引起擋板的透過率的變化。遠場衍射光斑邊緣能量的變化要比主光斑透過小孔能量的變化要大，因此在遠場用擋板來代替小孔，所得歸一化非線性透過率的靈敏度要比透過小孔歸一化非線性透過率要高。由於實驗中存在背景噪聲，會對測量結果產生比較大的影響，另外由於遠場衍射光斑邊緣包含了高頻和一定低頻光。在遠場的位置加一大小合適的小孔可以很好的消除背景噪聲，並優化了遠場擋板處衍射光斑邊緣的能量分布，從而使測量靈敏度達到最優化。樣品在系統焦平面時產生的非線性相移達到最大，歸一化的非線性透過率也就最大。所以，在焦平面位置，無需移動樣品，在一個單脈衝的作用下，通過測量整個能量的變化就可以得到樣品的非線性吸收係數。通過測量透過擋板歸一化的非線性透過率，就可以得到樣品的非線性折射係數。本發明裝置用一種全新的思路實現了對光學非線性的測量，同其他非線性光學測量技術相比，具有以下優點I.本發明實現了單脈衝測量，測量過程中樣品無需移動，解決了待測樣品易損傷的問題；2.本發明的測量裝置非常方便，理論模型簡單，測量靈敏度非常高；3.採用本發明的裝置，可以同時測量樣品非線性吸收和非線性折射的大小；4.系統的靈敏度比Z-scan技術及4f相位相干成像技術要高2個數量級；5.本發明所述的測量裝置，可以廣泛地應用於非線性光學測量、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，利用本發明裝置，可以極大地減少測量成本(無需移動平臺和CCD)，並能夠保證測試參數全面，測試結果準確。
圖I為本發明裝置的工作原理圖。圖2為本發明裝置中圓形小孔示意圖。圖3為本發明裝置中的圓形擋板示意圖。
具體實施例方式本發明裝置的光路由分束器，凸透鏡，小孔，擋板，探測器組成；脈衝雷射聚焦於待測樣品上。如圖I所示，本裝置包括擴束系統，所述擴束系統由第一凸透鏡2和第二凸透鏡3組成，所述第一凸透鏡2、 第二凸透鏡3在水平方向上左右放置。測量系統，所述測量系統由小孔4、第三凸透鏡7、第二分束器9、第四凸透鏡10、第二探測器11、圓形小孔12、圓形擋板13、第五凸透鏡14和第三探測器15組成，在水平方向上，在所述第二凸透鏡3右側，所述小孔4、第三凸透鏡7、待測樣品8、圓形小孔12、圓形擋板13、第五凸透鏡14和第三探測器15從左向右依次放置，在待測樣品8與圓形小孔12之間設置有第二分束器9，所述第二分束器9的下方依次設置有第四凸透鏡10和第二探測器 11。參考系統，所述參考系統由第一分束器5和第一探測器6組成，所述第一分束器5 設置在小孔4和第三凸透鏡7之間，所述第一探測器6設置在第一分束器5下方。待測樣品8放置在第三凸透鏡7的焦平面上，從雷射器出射的脈衝雷射I經過擴束系統擴束，擴束後的雷射經過小孔4後形成平頂光,光束經第一分束器5分為兩束,一束由第一探測器6探測，另一束經第三凸透鏡7會聚到放置在其焦點的待測樣品8上，從待測樣品8透射的脈衝雷射經過第二分束器9分為兩束，一束雷射經過第四凸透鏡10後由第二探測器11探測，另一束雷射經過圓形小孔12和圓形擋板13後，經第五凸透鏡14後由第三探測器15探測。圖2為圓形小孔12的示意圖。圖3為圓形擋板13的示意圖，圓形擋板13不透光。在本實施例中，雷射光束為Nd = YAG雷射器(EKSPLA，PL2143B)倍頻以後的532nm 雷射，脈寬21ps。型號為(Rjp-765 energy probe)的兩探測器連接在能量計(Rj-7620 ENERGY RATIOMETER, Laserprobe)。待測樣品為二硫化碳(CS2)。具體的檢測步驟為(I)將待測樣品8放在靠近第三凸透鏡7的位置，利用第二探測器11測量通過第四凸透鏡10會聚後的光束能量，利用第三探測器15測量通過圓形小孔12和圓形擋板13 由第五凸透鏡14匯聚後的能量，同時利用第一探測器6測量監測光的能量。將第二探測器11所測得的能量除以第一探測器6測得的能量，得到一個開孔的能量比值。將第三探測器15所測得的能量除以第一探測器6測得的能量，得到一個通過圓形擋板13的閉孔能量比值。(2)將待測樣品8放在第三凸透鏡7的焦平面的位置，利用第二探測器11測量通過第四凸透鏡10會聚後的光束能量，利用第三探測器15測量通過圓形小孔12和圓形擋板 13的能量，同時利用第一探測器6測量監測光的能量。將第二探測器11所測得的能量除以第一探測器6測得的能量，得到一個開孔的能量比值。將第三探測器15所測得的能量除以第一探測器6測得的能量，得到一個通過擋板能量的閉孔能量比值。(3)將步驟⑵中的開孔比值除以步驟(I)中的開孔比值，得到樣品的開孔歸一化非線性透過率。將步驟⑵中的閉孔比值除以步驟⑴中的閉孔比值，得到樣品透過小孔歸一化的非線性透過率。(4)根據步驟(3)中得到的非線性透過率，得出樣品的非線性吸收和非線性折射係數。對於CS2非線性測量的實驗和理論計算具體過程如下假設入射光束為基模高斯光，其場強表達式為式中，E0為脈衝雷射的最大場強值，r為光束的半徑，為入射光束的束腰半徑， T為脈衝光1/e半寬的時間。小孔的透過率為
權利要求
1.一種單脈衝平頂光測量材料光學非線性的裝置，其特徵在於包括-擴束系統，所述擴束系統由第一凸透鏡和第二凸透鏡組成，所述第一凸透鏡、第二凸透鏡在水平方向上左右放置；-測量系統，所述測量系統由小孔、第三凸透鏡、第二分束器、第四凸透鏡、第二探測器、 圓形小孔、圓形擋板、第五凸透鏡和第三探測器組成，在水平方向上，在所述第二凸透鏡右側，所述小孔、第三凸透鏡、待測樣品、圓形小孔、圓形擋板、第五凸透鏡和第三探測器從左向右依次放置，在待測樣品與圓形小孔之間設置有第二分束器，所述第二分束器的下方依次設置有第四凸透鏡和第二探測器；-參考系統，所述參考系統由第一分束器和第一探測器組成，所述第一分束器設置在小孔和第三凸透鏡之間，所述第一探測器設置在第一分束器下方；待測樣品放置在第三凸透鏡的焦平面上，從雷射器出射的脈衝雷射經過擴束系統擴束，擴束後的雷射經過小孔後形成平頂光，光束經第一分束器分為兩束，一束由第一探測器探測，另一束經第三凸透鏡會聚到放置在其焦點的待測樣品上，從待測樣品透射的脈衝雷射經過第二分束器分為兩束，一束雷射經過第四凸透鏡後由第二探測器探測，另一束雷射經過圓形小孔和圓形擋板後，經第五凸透鏡後由第三探測器探測。
2.根據權利要求I所述的單脈衝平頂光測量材料光學非線性的裝置，其特徵在於所述圓形小孔和圓形擋板設置在待測樣品的遠場位置。
3.根據權利要求I所述的單脈衝平頂光測量材料光學非線性的裝置，其特徵在於所述產生平頂光的小孔和圓形擋板之間的位置符合透鏡成像公式。
4.根據權利要求I所述的單脈衝平頂光測量材料光學非線性的裝置，其特徵在於所述圓形小孔和圓形擋板的大小根據通過待測樣品後的遠場光束的半徑大小進行調節，圓形小孔和圓形擋板組合後的透過率大於0且小於0. I。
5.根據權利要求1-4任一項所述的單脈衝平頂光測量材料光學非線性的裝置測量材料非線性的方法，其特徵在於包括以下步驟.1)在遠離第三凸透鏡焦點，靠近第三凸透鏡的位置放上待測樣品，用第一探測器、第二探測器和第三探測器測量脈衝光能量，分別計算出第二探測器與第一探測器所測能量的開孔能量比值、第三探測器所測能量與第一探測器所測能量的閉孔能量比值；.2)在探測光路的第三凸透鏡的焦平面位置放上待測樣品，用第一探測器、第二探測器和第三探測器測量脈衝光能量，分別計算出第二探測器與第一探測器所測能量的開孔能量比值、第三探測器所測能量與第一探測器所測能量的閉孔能量比值；.3)將步驟2)中的開孔能量比值除以步驟I)中的開孔能量比值，得到樣品的開孔歸一化非線性透過率；將步驟2)中的閉孔能量比值除以步驟I)中的閉孔能量比值，得到樣品透過小孔歸一化的非線性透過率；.4)根據步驟3)中得到的非線性透過率進行理論擬合，得出樣品的非線性吸收和非線性折射係數。
全文摘要
本發明公開了一種單脈衝平頂光測量材料光學非線性的裝置，在探測光通過樣品後的光路中設置一圓形小孔和一圓形擋板，在一個單脈衝作用下，通過本發明的測量方法測量開孔和遠場圓形小孔和圓形擋板組合的非線性透過率，確定材料的非線性吸收和非線性折射係數。本發明裝置工作的測量系統光路簡單、測量靈敏度非常高，數據處理簡單，單脈衝測量、樣品無需移動，可以同時測量非線性吸收和非線性折射的大小，極大地減少測量成本。
文檔編號G01N21/41GK102539391SQ20121001515
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月18日 優先權日2012年1月18日
發明者劉南春, 吳幸智, 宋瑛林, 楊俊義, 楊勇 申請人:常熟微納雷射光子技術有限公司