CN101295117B - 一种二阶非线性光学测试系统 - Google Patents
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Abstract
一种二阶非线性光学测试系统，涉及光学测试系统的研制。该测试系统的最大特点是该系统在激光激发样品产生的倍频光及其它光效应产生的非倍频光后入射至谱仪，通过谱仪把倍频光和非倍频光分开，在谱仪后采用阵列探测器进行探测，从而实现对倍频光和非倍频光的识别，进而实现对材料的倍频效应进行定性和定量测试，具有对材料的倍频光高分辨率、高灵敏度的优点，有利于弱信号二阶非线性光学效应的测试，同时它适合于可见近红外以及中远红外二阶非线性光学效应的测试。
Description
技术领域：
本发明涉及光学测试系统的研制。
背景技术：
非线性光学(nonlinear optics，NLO)是现代光学的一个新领域，是研究在强光作用下物质的响应与场强呈现的非线性关系的科学，这些光学效应称为非线性光学效应。在众多的非线性光学效应中，倍频效应(又称二阶非线性光学效应)是最引人注目也是研究得最多的非线性效应。1961年，P.A.Franken等人发现石英晶体具有倍频效应，次年，用红宝石激光器首先在方解石(CaCO3)中观察到光学二次谐波，从而宣告了非线性光学的诞生，几十年来，该学科取得了巨大的成就，已经发展成为以量子电动力学、经典电动力学为基础，结合光谱学、固体物理学、化学等多门学科的综合性学科，它几乎渗透到科学技术领域的各个方面，如在光通讯、光信息处理、存储及全息术、光计算机、激光武器、激光精密加工、激光化学、激光医学等领域都有广泛的应用。
目前，二阶非线性光学效应测试系统仍未见有成熟的商业整机产品，国内外的研究者根据光学的基本原理(主要是Maker条纹法)进行设备搭建，较为常见的是用1.06um调Q激光激发样品，直接通过探测器对样品产生的各种光信号进行检测，分析是否产生532nm的绿光并对此绿光特性进行识别，从而判断样品是否具有二阶非线性光学倍频效应。然而，具有无心结构的材料在强激光的激发下可能会产生二阶非线性倍频光，同时也可能有其它光学效应如荧光、光解、光化学反应等非倍频光。而非倍频光对材料倍频光的判断有较大影响。目前采用的二阶非线性光学效应测试系统是将所有的光，包括倍频光和非倍频光一起进行探测观察，因此在测试过程中很难对倍频光和非倍频光特别是荧光进行严格的区分和识别，这是目前非线性光学检测系统面临的一个难题。因此，建立一套易区分和识别倍频光和非倍频光的二阶非线性光学效应的测试系统是非常有意义的。
发明内容：
本发明的目的是研制一套对倍频光高分辨率、高灵敏度，且易区分和识别倍频光和非倍频光的新型二阶非线性光学效应测试系统。
本发明包括如下技术方案：
1.一种二阶非线性光学测试系统，本系统包括激光光源1，样品室2，探测器4，其特征在于：该系统在样品室2与探测器4之间放置谱仪3，将激光激发样品产生的倍频光及其它光效应产生的非倍频光分开，在谱仪3后采用探测器4探测倍频光。
2.如项1所述的二阶非线性光学测试系统，其特征在于：该系统设置多通道数字延迟脉冲发生器5，用于协调控制OPO光源、探测器和谱仪。
3.如项1所述的二阶非线性光学测试系统，其特征在于：该系统设置仪器控制及数据采集与分析平台6。
4.一种项1的二阶非线性光学测试系统的用途，其特征在于：该系统用于材料的紫外、可见、红外二阶非线性光学测试。
5.一种项4所述的二阶非线性光学测试系统的用途，其特征在于：所述的材料的形态包括粉末和单晶体。
该系统中谱仪的作用是将不同频率的光进行筛分，而探测器则可对不同光谱信号进行探测。
具有二阶非线性光学效应的材料，无论是粉末或单晶样品，在强激光的激发下会产生倍频光信号(如二阶非线性光学效应很低会导致很弱的光信号而无法检测)和其它光学效应产生的非倍频光信号，因而须对这两种不同性质的光信号进行检测和识别才能对材料的二阶非线性光学效应进行判别。如是倍频光信号，则倍频光的波长正好是激发激光波长的一半且半峰宽很窄，如是非倍频光信号，则其光信号的波长和峰形与激发激光无内在联系且半峰宽很宽。根据这两种光信号的显著差异并结合目前非线性光学测试系统的原理，我们创新性地提出把激光激发样品产生的倍频光及其它光效应产生的非倍频光经过谱仪分光，同时在谱仪后采用探测器进行探测的新设计方案。当激光激发产生的光信号全部经过谱仪分光后，选定激发激光波长λ的一半位置作为探测器的探测中心，就可获得(0.5×λ±x)(x可根据光谱分辨率的高低而设定，x值越小则分辨率越高)的谱带。由二阶非线性光学基本原理可知，除波长外倍频光的属性与激发光相同，倍频光将具有与激发激光一样好的单色性，即半峰宽非常窄且光强度高，而非倍频光具有比激光宽得多的谱带，因此很容易从探测器拍摄到的光谱带中识别出这两种不同性质的光，从而实现二阶非线性光学效应的定性分析。如果用石英或KDP等已知倍频材料为标准物，通过测试未知样品的倍频光的强度，与标准物在相同测试条件下的倍频光强度进行比较，即可获得未知样品的倍频系数的大小。
该测试系统能适用粉末样品和单晶样品的测试。如是单晶样品，在测试过程中要考虑相位匹配的因素，因此需在样品台安装一个高精度的步进电机以控制样品台的精细转动，从而实现相位匹配，同时，由于单晶样品产生的倍频激光较强，需防止强的倍频光对光谱仪光栅和探测器的损害，因此需加入衰减片。
该测试系统的优点是对材料的倍频光有很高的分辨率和灵敏度，而且易于识别，有利于弱信号二阶非线性光学效应的测试，同时它适合于可见近红外以及中远红外二阶非线性光学效应的测试。
附图说明：
附图为二阶非线性光学测试系统示意图。
具体实施方式：
下面结合附图说明该发明的具体实施方案。图中：
1是激光光源：采用电光调Q的固体激光器，二或三倍频产生一定波长的激光作为OPO的输入光，经OPO调谐后输出一定范围内波长可调、宽度约10ns的脉冲激光。
2是多功能样品室：有四个窗口，样品台可以精确平移和转动，可放滤色片、衰减片、反射片等。
3是高精度谱仪：波长范围200-2200nm，光谱分辨率0.1nm，波长精度0.2nm，波长重复精度0.1nm。
4是探测器：采用阵列探测器，主要用于紫外可见及中远红外非线性光学材料的测试。
5是多通道数字延迟脉冲发生器：采用四通道数字延迟脉冲发生器，用于协调控制OPO光源、探测器和谱仪等动作的精确时间点。
6是仪器控制和数据采集和分析：计算机及软件，计算机与各模块间的接口和通信，集成控制台，数据采集和分析。
Claims (4)
1.一种二阶非线性光学测试系统，本系统包括OPO光源(1)，样品室(2)，阵列探测器(4)，其特征在于：样品台可以精确平移和转动，该系统在样品室(2)与阵列探测器(4)之间放置谱仪(3)，将激光激发样品产生的倍频光及其它光效应产生的非倍频光分开，在谱仪(3)后采用阵列探测器(4)探测倍频光，当激光激发样品产生的光信号全部经过谱仪分光后，选定激发激光波长的一半位置作为阵列探测器（4）的探测中心，该系统设置多通道数字延迟脉冲发生器(5)，用于协调控制OPO光源、阵列探测器和谱仪。
2.如权利要求1所述的二阶非线性光学测试系统，其特征在于：该系统设置仪器控制及数据采集与分析平台(6)。
3.一种权利要求1的二阶非线性光学测试系统的用途，其特征在于：该系统用于材料的紫外、可见、红外二阶非线性光学测试。
4.一种权利要求3所述的二阶非线性光学测试系统的用途，其特征在于：所述的材料的形态包括粉末和单晶体。
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