CN101308091B - 测量光学非线性的4f相位相干成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能测量介质界面光学非线性以及应用反射光测量薄膜光学非线性的方法，属于非线性光子学材料和非线性光学信息处理领域。入射激光通过分束镜分成两路，一路为探测光进入测量光路，通过4f相位相干成像系统后由CCD相机采集；另一路为参考光；其特征在于：所述样品以反射方式放置于测量光路的第一凸透镜的焦平面处，沿反射光传播方向在一倍焦距处放置与第一凸透镜相同焦距的第二凸透镜，由此构成反射4f相位相干成像系统；其测量分能量校准和光学非线性测量两部分进行。本发明具有测量方便、光路简单、没有样品的移动、单脉冲测量、不易损伤介质的表面、对光源能量稳定性以及空间的稳定性要求不高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用光学手段测量材料的非线性性质的方法，具体涉及一种基于反射4f相位相干成像技术测量介质界面反射光学非线性以及应用反射光测量薄膜光学非线性性质的方法，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技术的飞速发展，非线性光学材料的研究日益重要。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学材料的关键技术之一。
对于透过率较高的介质，常用的测量方法有Z扫描、4f系统相干成像技术、马赫-曾德干涉法、四波混频、三次谐波非线性干涉法、椭圆偏振法等。其中Z扫描方法光路简单、灵敏度高，是目前最常用的单光束测量材料光学非线性的方法。但是这种测量方法需要样品在激光传播方向的移动，需要激光多次激发，对薄膜和易损伤的材料不适用。4f相位相干成像系统(G.Boudebsand S.Cherukulappurath，“Nonlinear optical measurements using a 4fcoherent imaging system with phase 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。利用4f相位相干成像技术测量非线性折射具有光路简单、灵敏度高、单脉冲测量，无需样品移动、对光源能量稳定性要求不高等优点。然而，上述几种测量方法都是通过测量透射光的变化来测量介质的光学非线性，对于透过率很低的介质以及研究介质表面光学非线性是不适用的。
1994年，D.V.Petrov等人提出了可测量介质表面光学非线性的反射Z扫描法(D.V.Petrov，A.S.L.Gomes，and Cid B.de Arabjo，“Reflection Z-scantechnique for measurements of optical properties of surfaces”，Appl.Phy.Lett.，65，1067(1994))，这种方法和传统的透射Z扫描法一样，需要样品在激光传播方向的移动，需要激光多次激发，容易损伤介质的表面，由于是对反射光的测量，而反射面在测量的过程中要移动，这就增大了测量的难度并影响了测量的准确性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种单脉冲测量、光路简单、可准确测量介质表面光学非线性的方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种测量界面反射光学非线性以及应用反射光测量薄膜光学非线性的4f相位相干成像方法，入射激光通过分束镜分成两路，一路为探测光进入测量光路，通过4f相位相干成像系统后由CCD相机采集；另一路为参考光；所述样品以反射方式放置于测量光路的第一凸透镜的焦平面处，沿反射光传播方向在一倍焦距处放置与第一凸透镜相同焦距的第二凸透镜，由此构成反射4f相位相干成像系统；其测量分能量校准和光学非线性测量两部分进行；
其中，所述能量校准为，将能量计放置在反射4f系统的第一凸透镜后方，接收整个激光光斑，发射一个激光脉冲，用能量计测量脉冲的能量，同时用CCD相机采集参考光路的参考光斑，CCD探测到的参考光斑的强度成正线性关系，据此确定测量过程中入射到待测样品上的脉冲的能量；
所述非线性测量的步骤包括：
(1)在样品位置放置一全反镜，以与待测样品相同的反射角将入射光反射到CCD中，用CCD相机采集一个脉冲图像和一个参考光斑，称为无样品图像；
(2)放置待测样品，将中性衰减片放置在待测非线性样品之前，使得照射到样品上的光强降低到样品的光学线性区域，用CCD相机采集一个脉冲图像和一个参考光斑，称为线性图像；
(3)放置待测样品，将步骤(2)的中性衰减片放置在样品之后，用CCD相机采集一个脉冲图像和一个参考光斑，称为非线性图像；
(4)对上述获得的无样品图像、线性图像和非线性图像进行处理，通过拟合获得所需检测的非线性参数。
上述技术方案中，以线性光斑作为输入通过数值拟合非线性光斑来得到介质表面的光学非线性吸收和非线性折射的值。所述步骤(4)中的处理包括，对线性图像和无样品图像分别进行积分，得到经样品反射后的线性脉冲激光的能量和入射脉冲的总能量，两者的比值就是待测样品的线性反射率；对在步骤(3)中采集的每个的图像作两个处理：一，对图像进行积分得到反射脉冲激光的能量，将其线性反射的脉冲的能量相除，两者的比值为非线性反射率；二，求出每个图像中心相位物体内的平均强度和其外的平均强度之差，将这个差值与线性图像平均强度的比值定义为ΔT；通过对非线性反射率的拟合，得到界面或薄膜光学非线性吸收系数；通过对ΔT的拟合，结合得到的非线性吸收系数，得到界面或薄膜的非线性折射系数。
进一步的技术方案，所述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。
本发明在传统4f的焦平面处放置待测样品，利用样品的表面将入射光以某一角度反射，沿反射光传播方向，在离焦平面一倍焦距处放置一相同焦距的凸透镜，再将CCD放在此透镜后的一倍焦距处，反射光经透镜准直和衰减后被CCD接收；通过对反射光斑的分析，仅由一个脉冲激光就可得到介质界面的反射光学非线性。
本发明方法用一种全新的思路实现了对介质界面光学非线性以及薄膜光学非线性的测量，同其他测量技术相比，具有以下优点：
1.测量非常方便，光路简单，没有样品的移动，灵敏度高。
2.单脉冲测量，不易损伤介质的表面，保证测量的准确性。
3.对光源能量稳定性以及空间的稳定性要求不高。
4.本发明所述的测量方法，可以广泛地应用于介质界面非线性光学测量的研究领域，利用本发明方法，能够保证测试结果准确，极大地减小了测量的误差；本方法对光路要求简单，测试速度快捷；对光源的要求也很低。
附图说明
附图1是本发明实施例一中的反射4f相干成像技术的工作原理图；
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线性光斑图。
附图4为本发明实施例一中的非线性光斑图；
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相位光阑；4、分束器；5、第一凸透镜；6、待测样品；7、第二凸透镜；8、中性衰减片；9、凸透镜；10、反射镜；11、反射镜；12、中性衰减片；13、CCD相机。
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：附图1是测量介质光学非线性的反射4f相位相干成像系统的实验装置图。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3、第一凸透镜5、待测样品6、第二凸透镜7、中性衰减片8和CCD相机13组成。其中中性衰减片8是用来保证CCD相机13在其线性响应以内，第一凸透镜5和第二凸透镜7构成反射4f系统，相位光阑3放置在反射4f系统的物面上，待测样品6在傅里叶平面上，CCD相机13在4f系统的像平面上接收光斑图像。从激光器出射的脉冲激光首先经过扩束系统扩束，扩束后的激光经过相位光阑后形成近top-hat光，光束经第一凸透镜5会聚到放置在傅里叶面上的待测样品上，由于待测样品的表面非线性使得入射的脉冲激光的光强和相位发生变化。从样品表面反射的脉冲激光经过第二凸透镜7的傅里叶逆变换由CCD相机13进行接收，获得非线性光斑。
参考系统由分束镜4、凸透镜9、反射镜10、反射镜11、中性衰减片12、和CCD相机13组成。从相位光阑3出来的激光被分束镜4分为两束，其中一束经凸透镜9、反射镜10、反射镜11、中性衰减片12，被CCD相机13接收，即为参考光斑。
附图2为相位光阑3的示意图，相位物体14为圆形，通过相位物体14的光束比其它部分的光束位相延迟
，本实施例中相位延迟0.4π。
利用反射4f相位相干成像系统进行介质光学非线性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6取走，将校准的能量计放置在第一凸透镜5之后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13采集参考光路的参考光斑。由于光路中所有器件都是线性器件，所以根据参考光斑的强度就可以得到入射脉冲激光的能量。这样在非线性测量过程中的入射到待测样品6上的脉冲激光的能量就可以通过同一个脉冲激光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6放置在傅里叶平面上，先将中性衰减片8放在分束器4与第一凸透镜5之间，入射一个脉冲激光，在CCD上可以得到两个光斑即入射光经过测量系统打在样品表面后在CCD上获得的线性光斑(参见附图3)和从参考光路中得到的参考光斑，然后将中性衰减片8放回图1所示的原位置，再入射一个脉冲激光，在CCD上可以得到两个光斑即入射光经过测量系统打在样品后表面反射后在CCD上获得的非线性光斑(参见附图4)和从参考光路中得到的参考光斑。
根据得到的线性光斑(图3)和非线性光斑(图4)以及参考光斑进行数值拟合。图5为数值拟合曲线，其中虚线为测量的非线性光斑(图3)的中心切线，实线是以线性光斑(图3)为输入光斑数值模拟得到的中心切线。通过改变β和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样品的三阶非线性吸收系数β的值为8.56×10-7m/W，薄膜三阶非线性折射率n2的值为6.25×10-15m2/W。
在本实施例中，激光光束为Nd:YAG激光器(Ekspla，PL2143B)倍频以后的532nm激光，脉宽21ps。待测样品为以单晶硅片为基片在其表面以静电自组装技术制备的30-双层CuPc(COONa)4/PDDA薄膜。
Claims (2)
1.一种测量界面反射光学非线性以及应用反射光测量薄膜光学非线性的4f相位相干成像方法，入射激光通过分束镜分成两路，一路为探测光进入测量光路，通过4f相位相干成像系统后由CCD相机采集；另一路为参考光；其特征在于：样品以反射方式放置于测量光路的第一凸透镜的焦平面处，沿反射光传播方向在一倍焦距处放置与第一凸透镜相同焦距的第二凸透镜，由此构成反射4f相位相干成像系统；其测量分能量校准和光学非线性测量两部分进行；
其中，所述能量校准为，将能量计放置在反射4f系统的第一凸透镜后方，接收整个激光光斑，发射一个激光脉冲，用能量计测量脉冲的能量，同时用CCD相机采集参考光路的参考光斑，CCD探测到的参考光斑的强度与入射脉冲激光的能量成正线性关系，据此确定测量过程中入射到待测样品上的脉冲的能量；
所述非线性测量的步骤包括：
(1)在样品位置放置一全反镜，以与待测样品相同的反射角将入射光反射到CCD中，用CCD相机采集一个脉冲图像和一个参考光斑，称为无样品图像；
(2)放置待测样品，将中性衰减片放置在待测非线性样品之前，使得照射到样品上的光强降低到样品的光学线性区域，用CCD相机采集一个脉冲图像和一个参考光斑，称为线性图像；
(3)放置待测样品，将步骤(2)的中性衰减片放置在样品之后，用CCD相机采集一个脉冲图像和一个参考光斑，称为非线性图像；
(4)对上述获得的无样品图像、线性图像和非线性图像进行处理，通过拟合获得所需检测的非线性参数。
2.根据权利要求1所述的测量界面反射光学非线性以及应用反射光测量薄膜光学非线性的4f相位相干成像方法，其特征在于：所述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。
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