CN101261224A

CN101261224A - 基于4f相位相干成像系统测量材料的光学非线性的方法

Info

Publication number: CN101261224A
Application number: CNA2008100236288A
Authority: CN
Inventors: 宋瑛林; 李云波; 王煜; 杨俊义; 王玉晓
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou Micro-Nano Laser & Photon Technology Co., Ltd.
Priority date: 2008-04-09
Filing date: 2008-04-09
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2028-04-09
Also published as: CN101261224B

Abstract

本发明公开了一种基于4f相位相干成像系统测量材料的光学非线性的方法，4f相位相干成像系统通过分束镜将入射激光分成两束，一束为探测光进入测量光路，通过4f系统后用CCD相机采集；另一路为参考光，进入参考光路后用同一个CCD相机采集；样品位于测量光路4f系统的傅立叶平面，其特征在于参考光路是4f系统，且参考光路的出射方向和测量光路的出射方向平行。对参考光路进行了改进使得该发明可以在获得样品上脉冲激光能量的同时可以获得代表入射面上入射脉冲空间分布情况，可以在光斑空间分布不稳定的情况下测量介质的非线性折射率，光路简单，测试速度快，结果准确，数据处理方便。

Description

基于4f相位相干成像系统测量材料的光学非线性的方法

技术领域

本发明涉及一种光子学非线性材料的测量方法，具体涉及一种基于4f相位相干成像系统能在激光光斑分布以及能量不稳定的情况下测量光学材料非线性的方法，属于非线性光子学材料和非线性光学信息处理领域。

背景技术

随着光通信和光信息处理等领域的飞速发展，非线性光学材料研究日益重要。光学逻辑、光学记忆、光三极管、光开关和相位复共轭等功能的实现主要依赖于非线性光学材料的研究进展。光学非线性测量技术是研究非线性光子学材料的关键技术之一。

4f相位相干成像系统(G.Boudebs and S.Cherukulappurath，“Nonlinear optical measurements using a 4f coherent imaging system withphase object”，Phys.Rev.A，69，053813(2004))是近年来提出的一种测量材料非线性折射的新方法。它是受到泽尔尼克空间滤波实验中可以将相位变化转化为图象中强度的变化启发而提出的。

如附图1所示，传统的4f相位相干成像系统通过分束镜将入射激光分成两路，分别进入测量光路和参考光路，参考光路具有监视测量光路激光脉冲能量的作用，测量光路通过先后获得非线性光斑和线性光斑，然后拟合得到待测材料的非线性折射率。

4f相位相干成像系统测量材料的非线性主要有两个步骤：

1)能量定标，将校准的能量计放置在主光路中样品的位置，然后发射一个激光脉冲，这时能量计的示数即是实验中打到样品上的能量，它与CCD探测到的参考光斑的强度是成正线性关系的；参考光路监视每个激光脉冲能量的变化，然后通过CCD测得的光强的空间分布可以计算得到不同位置上的光强大小。

2)测量和拟合，先在样品前放置衰减片衰减入射光强，使得样品的非线性效应可以忽略不计，入射一个激光脉冲，通过测量系统打过待测样品后CCD拍到的图像称为线性光斑；再将先前放置在非线性样品之前的衰减片放置到样品之后，这样测得的图像称为非线性光斑。以线性光斑作为输入，根据测得的图象进行数值拟合得到材料的非线性折射率。

以往非线性的研究主要在集中在532nm，1064nm，800nm等波段，这些波段的激光是激光器直接出射或倍频后得到的，一般可以达到比较理想的空间分布和稳定性。随着研究的深入，为了研究非线性材料在其它波段的非线性性质，就必须借助于光学参量产生器(OPG)、光学参量放大器(OPA)或光学参量振荡器(OPO)等仪器。通过这些仪器可以将波长调节到从可见到近红外的任意波段，但是这些仪器出射的激光通常空间分布以及能量都很不稳定。

利用4f相位相干成像系统测量材料的非线性需要拟合4f系统入射面的像和出射面的非线性的像，传统的方法中利用二次测量法先后得到线性光斑和非线性光斑，然后以线性光斑来代替4f系统入射面的像进行拟合，这两个光斑是从两个不同的激光脉冲分别得到的，在激光空间分布稳定的情况下，尽管线性光斑与非线性光斑是由不同的脉冲得到的，但是它们在入射面上具有相同的空间分布，因此可以用线性光斑来代替非线性光斑在入射面上的空间分布进行数值模拟。

但是当激光脉冲空间分布不稳定的情况下，由于脉冲之间的空间分布的不稳定性，由不同脉冲得到的非线性光斑与线性光斑在入射面上的空间分布就可能会有明显的差异，此时如果继续用线性光斑作为输入就会造成数值模拟结果与实验测量结果的不同。因此，现有的4f相位相干成像系统无法在光斑分布不稳定情况下对材料的光学非线性折射进行有效的测量。

发明内容

本发明目的是克服现有技术的不足，提供一种能够在激光光斑空间分布不稳定的情况下测量介质的光学非线性折射率的方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于4f相位相干成像系统测量材料的光学非线性的方法，4f相位相干成像系统通过分束镜将入射激光分成两束，一束为探测光进入测量光路，通过4f系统后用CCD采集；另一路为参考光，进入参考光路后用同一个CCD采集；样品位于测量光路4f系统的傅里叶平面，其特征在于该4f相位相干成像系统的参考光路是4f系统，且参考光路的出射方向与测量光路的出射方向平行；其测量步骤为：

1)能量定标，将校准的能量计放置在样品的位置，然后发射一个激光脉冲，这时能量计的示数即是测量中打到样品上的能量，同时，CCD采集到参考光路得到的参考光斑，能量计的示数与CCD探测到的参考光斑的强度是成正线性关系的；利用这个比例系数，在测量中通过参考光斑的强度直接可以推测出照射到样品上的脉冲能量的大小及能量的分布；

2)测量拟合，取走能量计，把待测样品放在主光路傅里叶平面处，再入射一个脉冲光，在CCD上将同时得到两个光斑：入射光经过主光路打过样品后在CCD上获得非线性光斑和经过参考光路后得到的参考光斑，根据获得的非线性光斑和参考光斑的图像进行数值拟合，拟合中利用参考光斑上的光强分布作为入射光光强分布，在数值拟合中仅有非线性折射率n₂为变量，通过改变n₂的取值使模拟非线性光斑与实验所得非线性光斑吻合从而得到n₂的值。

上述技术方案中，分束镜的透过率和反射率各为50％，可以提高光斑能量利用率。

上述技术方案的具体实现方式可以是，首先把光参量产生器OPG产生的脉冲激光经过一个透镜组进行扩束，扩束光斑中心区域为近平面光分布。选取扩束光斑中心区域一小部分光为入射光进行测量。测量之前先进行能量定标，将校准的能量计放置在样品的位置，然后发射一个激光脉冲，这时能量计的示数即是测量中打到样品上的能量，它与CCD探测到的参考光斑的强度是成正线性关系的。利用这个比例系数，在测量中通过参考光斑的强度直接可以推测出照射到样品上的脉冲能量的大小及能量的分布。完成定标后进行测量。取走能量计把待测样品放在主光路焦点处，再入射一个脉冲光，在CCD上将得到两个光斑：入射光经过主光路打过样品后在CCD上获得“非线性光斑”和经过参考光路后得到的“参考光斑”。根据拍到的图象进行数值拟合，拟合中将利用参考光斑上的光强分布作为入射光光强分布，在数值拟合中仅有非线性折射率n₂为变量。通过改变n₂的取值使模拟非线性光斑与实验非线性光斑吻合从而得到n₂值。

上述技术方案中，为了在不同波段研究材料的光学非线性，需利用光学参量产生器(OPG)、光学参量放大器(OPA)或光学参量振荡器(OPO)等仪器产生脉冲激光并经扩束系统扩束。

本发明通过改进传统4f系统的参考光路，将它变成另外一个焦距较长的4f系统，并且保证参考光路的4f系统和主光路中的4f系统的入射面和出射面各自重合，使得原来用以监测脉冲能量浮动的参考光斑同时具有监测入射脉冲空间分布的功能。

本发明所述的测量方法，可以广泛的应用于非线性测量，非线性光子学材料，非线性光学信息处理和光子学器件等研究领域，尤其是非线性光功能材料的测试和改性等关键环节。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.由于对参考光路进行了改进，在获得样品上脉冲激光能量的同时可以获得代表入射面上入射脉冲空间分布情况，可以在光斑空间分布不稳定的情况下测量介质的非线性折射率，测试结果准确；

2.由于不需要先后利用传统的4f相干成像系统获得一个线性光斑和非线性光斑，光路简单，测试速度快捷，数据处理方便。

附图说明

附图1是基于4f相位相干成像系统测量材料光学非线性的装置图；

附图2是本发明实施例一中带圆形相位物体的相位光阑示意图；

附图3为本发明实施例一中的非线性光斑图；

附图4为本发明实施例一中的参考光斑图；

附图5是本发明实施例一中的数值拟合曲线图；

其中：1、凸透镜；2、凸透镜3、反射镜；4、相位光阑；5、分束镜；6、凸透镜；7、待测样品；8、凸透镜；9、中性衰减片；10、CCD相机；11、反射镜；12、凸透镜13、凸透镜14、中性衰减片；15、反射镜16、反射镜17、光阑；18、圆形相位物体。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图1至附图5所示，一种基于4f相位相干成像系统测量材料的光学非线性的方法。

如附图1所示，应用于光斑分布不稳定情况下的4f相位相干成像系统的实验装置可以分为扩束系统、测量系统和参考系统三部分。扩束系统是由凸透镜1和凸透镜2组成；测量系统由相位光阑4、凸透镜6、待测样品7、凸透镜8、中性衰减片9和CCD相机10组成；参考系统由分束镜5、反射镜11、凸透镜12、凸透镜13、中性衰减片14、反射镜15和反射镜16和CCD相机10组成。

其中中性衰减片9和中性衰减片14是用来保CCD相机10在其线性响应以内，凸透镜6和凸透镜8构成4f系统，相位光阑4放置在4f系统的物面上，待测样品7在傅里叶平面上，CCD相机10在4f系统的像平面上接收脉冲图像；凸透镜12和凸透镜13构成参考系统的4f系统。

从光参量产生器出射的脉冲激光首先经过扩束系统扩束，扩束后的激光脉冲经过相位光阑形成近top-hat光，被分束镜5分为两束，一束经凸透镜6的傅里叶变换会聚到放置在傅里叶面上的待测样品上，由于待测样品的非线性折射性质使得入射的脉冲的相位发生变化，从样品后表面出射的脉冲经过凸透镜8的傅里叶逆变换由CCD相机10进行接收，称为非线性光斑。另一束经反射镜11、凸透镜12、凸透镜13、中性衰减片14、反射镜15、反射镜16和CCD相机7接收，称为参考光斑。

附图2所示的就是相位光阑4的通常形式，相位物体18为圆形，通过相位物体18的光束比其它部分的光束位相延迟本

实施例一中相位延迟0.4π。

利用应用于光斑分布不稳定情况下的4f相位相干成像系统进行非线性折射率的测量分两部分进行，即能量校准和非线性测量。

能量校准是将非线性样品7取走，将校准的能量计放置在凸透镜6和凸透镜8之间的某一位置使得激光光斑能够全部打到能量计探头上。发射一个激光脉冲，用能量计测量脉冲的能量，同时用CCD相机10采集参考光路的参考光斑。由于此时光路中所有器件都是线性器件，所以根据参考光斑的强弱就可以知道入射脉冲能量的大小。这样在非线性测量过程中的入射到待测样品7上的脉冲的能量就可以通过同一个激光脉冲产生的参考光斑来计算得到。

非线性测量的具体步骤为：将待测样品7放置在傅里叶平面上，再入射一个脉冲激光，我们在CCD上可以得到两个光斑即入射光经过测量系统打过样品后在CCD上获得非线性光斑(图3)和从参考光路中得到的参考光斑(图4)。

根据拍得的非线性光斑(图3)和参考光斑(图4)进行数值拟合。图5为数值拟合曲线，虚线为测量的非线性光斑(图3)的中心切线，实线是以参考光斑(图4)为输入数值模拟得到的中心切线。通过改变n₂的取值使模拟非线性光斑与实验非线性光斑吻合从而数值拟合得到甲苯的三阶非线性折射率n₂的值为1.3×10^-18m²/W ，这与已报道的甲苯的非线性折射率值1.0×10^-18m²/W相近。

Claims

1.一种基于4f相位相干成像系统测量材料的光学非线性的方法，4f相位相干成像系统通过分束镜将入射激光分成两束，一束为探测光进入测量光路，通过4f系统后用CCD相机采集；另一路为参考光；样品位于测量光路4f系统的傅立叶平面，其特征在于：所述参考光的光路是4f系统，且参考光路的出射方向和测量光路的出射方向平行，并采用同一个CCD相机采集；其测量步骤为：

1)能量定标，取走样品，将校准的能量计放置在样品的位置，并使激光光斑能够全部打到能量计探测头上，然后发射一个激光脉冲，用能量计测量脉冲的能量，同时用CCD相机采集到参考光路得到的参考光斑；

2)测量拟合，取走能量计，把待测样品放在测量系统的傅里叶平面上，再入射一个脉冲光，在CCD上将得到两个光斑：入射光经过主光路打过样品后在CCD上获得非线性光斑和经过参考光路后得到的参考光斑，根据获得的非线性光斑和参考光斑进行数值拟合得到待测样品的非线性折射率，拟合中通过对参考光斑的计算得到测量过程中入射到待测样品上的激光脉冲的能量，利用参考光斑上的光强分布作为入射光光强分布。

2.根据权利要求1所述的基于4f相位相干成像系统测量材料的光学非线性的方法，其特征在于：所述分束镜的透过率和反射率各为50％。