CN101532956B - 单脉冲测量材料非线性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单脉冲测量材料非线性的方法，其特征在于：利用近似Tophat型激光脉冲，经相位物体后由分束镜分为两束，一束为监测光，另一束为探测光，测量步骤为：(1)将样品置于远离聚焦透镜焦平面的位置，分别记录监测光能量和脉冲光能量并计算比值；(2)将样品移至聚焦透镜的焦平面位置，分别记录监测光能量和脉冲光能量并计算比值；(3)用步骤(2)中得出的比值除以步骤(1)中得出的比值，得到归一化的非线性透过率，再经过处理得到材料的非线性折射系数。本发明的方法具有实现简单，不需要移动，实验数据处理简单等优点；采用了Tophat脉冲光作为探测光，相比于高斯脉冲光，能将探测精度提高4倍。

Description

单脉冲测量材料非线性的方法

技术领域

本发明涉及一种利用光学手段在来测试或分析材料的方法，具体涉及一种研究材料非线性光学物理参数的方法，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

非线性光学材料的研究已经成为当今非线性光学的研究热点，而非线性光学测量技术是研究非线性光学材料的关键技术之一。常用的测量方法有Z扫描(Mansoor Sheik-Bahae，Ali A.Said，Tai-Hui Wei，David J.Hagan，E.W.Van Stryland.“Sensitive measurement of optical nonlinearities usinga single beam”，IEEE J.Quantum Elect，26，760-769(1990))、4f系统相干成像技术(G.Boudebs and S.Cherukul appurath，“Nonlinear opticalmeasurements using a 4f coherent imaging system with phase object”，Phys.Rev.A，69，053813(2004))、四波混频、三次谐波非线性干涉法、椭圆偏振法、相位物体Z-scan(Junyi Yang and Yinglin Song，“Directobservation of the transient thermal lensing effect using the POZ-scan”Vol.34，No.2，Doc.ID 100701)，以及基于相位物体的单脉冲测量方法等。其中Z扫描方法，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，需要多个激光脉冲，容易对样品造成损伤。4f相位相干成像系统是最近出现的测量材料非线性的新方法。利用4f相位相干成像技术测量非线性折射具有光路简单、样品不需要移动、灵敏度高、对激光光斑分布稳定性要求不高等优点。但这种方法需要对采集的图像进行比较复杂的处理，而且对CCD的要求比较高，测量成本比较高。相位物体Z-scan和传统Z-scan一样，这种测量方法也需要样品在激光传播方向的移动，需要激光对样品的多次激发，容易造成样品的损伤。

基于相位物体的单脉冲测量非线性的方法具有处理简单，精度高，成本低等优点，本发明在此方法上作进一步改进，以提高测量精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种单脉冲测量材料非线性的方法，以提高非线性测量精度，用于光学非线性材料的检测。

本发明采用的技术方案是：一种单脉冲测量材料非线性的方法，利用透镜扩束系统和光阑将高斯激光脉冲变为近似Tophat型激光脉冲，经相位物体后由分束镜分为两束，一束为监测光，由第一探测器记录，另一束为探测光，经聚焦透镜和待测样品后，通过小孔光阑由第二探测器记录，测量步骤如下：

(1)将样品置于远离聚焦透镜焦平面的位置，分别记录监测光能量和经过小孔光阑后的脉冲光能量，计算脉冲光能量与监测光能量的比值；

(2)将样品移至聚焦透镜的焦平面位置，分别记录监测光能量和经过小孔光阑后的脉冲光能量，计算脉冲光能量与监测光能量的比值；

(3)用步骤(2)中得出的比值除以步骤(1)中得出的比值，得到归一化的非线性透过率，再经过处理得到材料的非线性折射系数。

上述技术方案中，扩束系统采取2个焦距不等的透镜对激光光束进行扩束，并用光阑取出中心的光斑，可获得近似Tophat型光束；当样品置于聚焦透镜的焦平面上时，样品产生非线性同时改变了探测光的强度以及相位的分布；利用获取的归一化非线性透过率得出材料的非线性折射系数是本领域技术人员公知的方法。

上述技术方案中，所述相位物体的相位延迟为0.25π～0.75π，大小为入射的Tophat光斑束腰半径的0.05～0.5倍。

优选的技术方案是，所述相位物体的相位延迟为0.5π，大小为入射的Tophat光斑束腰半径的0.1倍。此时，系统的测量精度最高。相位物体的大小及相位的延迟可以根据实际情况进行优化调节，相位物体的位置可以放在聚焦透镜前的任意位置。

上述技术方案中，所述第二探测器前的小孔光阑的半径的大小可以根据情况调节，优选的技术方案是，小孔光阑的半径的大小等于相位物体的远场衍射光斑的半径大小。

本发明的技术方案中，样品经脉冲激光脉冲的照射，产生非线性同时改变了脉冲激光的振幅及相位的分布。而在透镜前加入相位片就相当于在聚焦透镜的焦平面处加入了一个相位的调制，类似于相衬原理，样品对脉冲激光产生的非线性相移表现为相位物体衍射光斑内光场振幅的变化。样品的非线性折射为正时，经小孔后归一化的非线性透过率就为正。反之，则为负。

由于上述技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有下列有益效果：

1.本发明采用了Tophat脉冲激光，在相同的能量下，相比于单脉冲高斯光探测非线性精度提高了4倍；

2.本发明可以实现非线性特性的单脉冲测量，对样品的损伤小；

3.采用本发明的方法，样品不需要象Z扫描那样移动，测量方法简便，处理简单。

附图说明

附图1是本发明实施例一中的相位物体；

附图2是本发明实施例一中的单脉冲Tophat光测量材料非线性工作原理图；

其中：1、入射激光束；2、扩束透镜；3、扩束透镜；4、光阑；5、相位片；6、分束镜；7、第一探测器；8、聚焦透镜；9、样品；10、小孔光阑；11、第二探测器。

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2所示，一种单脉冲Tophat光测量光学非线性的方法，光路由扩束透镜、光阑、分束镜、相位物体、聚焦透镜、小孔及探测器组成；脉冲激光聚焦于待测样品上。

入射激光束1经过由两个扩束透镜2和3构成的扩束系统以及光阑4形成近似Tophat型激光脉冲，利用分束镜6把激光脉冲分成两束光，监测光的能量由第一探测器7接收，另外一束光由聚焦透镜8聚焦到待测样品9上，透射后的光束经小孔光阑10后由第二探测器11接收。

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。型号为(Rjp-765 energy probe)的两探测器连接在能量计(Rj-7620ENERGY RATIOMETER，Laserprobe)。待测样品为二硫化碳(CS₂)。

具体的检测步骤为：(1)将样品9放在靠近透镜8的位置，利用第二探测器11测量透过小孔光阑10的能量，同时利用第一探测器7测量监测光的能量，将第二探测器11所测得的能量除以第一探测器7的能量，得到一个能量比值。(2)将样品9放在透镜8的焦平面的位置，利用第二探测器11测量透过小孔光阑10的能量，同时利用第一探测器7测量监测光的能量，将第二探测器11所测得的能量除以第一探测器7的能量，得到一个能量比值。(3)将步骤(2)中的比值除以步骤(1)中的比值，得到样品透过小孔归一化的非线性透过率。(4)根据步骤(3)中得到的非线性透过率，得出样品的非线性折射系数。

对于CS₂非线性测量的实验和理论计算具体过程如下：

假设经过扩束系统后，入射光场强表达式为：

$E(r,t){=E}_0\exp [-\frac{t^2}{{2\mathrm{\τ}}^2}]\mathrm{circ}\left(\frac{r}{\mathrm{Ra}}\right)---\left(1\right)$

式中，E₀脉冲激光的振幅，Ra为光斑的半径，τ为脉冲光1/e半宽的时间。

相位物体的透过率为：

或t(r)＝1(r＞Lp)(2)

式中，为相位物体的相位延迟。

脉冲光经过相位物体后的场强分布为：

E₀₁(r，t)＝E(r，t)t(r)(3)

通过菲涅尔衍射公式可以得到，脉冲光传播到透镜的前表面时的场强分布为：

$E_{02}(r_1,t)=\frac{e^{\mathrm{ik}{d}_1}{e}^{\frac{{{\mathrm{ikr}}_1}^2}{2d_1}}}{\mathrm{i\λ}{d}_1}{\∫}_0^{\∞}2\mathrm{\πr}{E}_{01}(r,t)e^{\frac{\mathrm{ik}{r}^2}{2d_1}}{J}_0\left({\mathrm{rr}}_1\right)\mathrm{dr}---\left(4\right)$

式中，d₁为相位片到聚焦透镜的距离，J₀为零阶贝塞尔函数。

透镜的透过率函数为：

$t_1\left(r_1\right)=e^{(-\frac{\mathrm{ik}{r_1}^2}{2f})}---\left(5\right)$

其中f为透镜的焦距。

透镜后表面的广场分布为：

E₀₃＝E₀₂(r₁，t)t₁(r₁)   (6)

通过菲涅尔衍射公式可以得到，样品前表面的光场分布为：

$E_{04}(r_2,t)=\frac{e^{\mathrm{ik}{d}_2}{e}^{\frac{\mathrm{ik}{r_2}^2}{2d_2}}}{\mathrm{i\λ}{d}_2}{\∫}_0^{\∞}2\mathrm{\π}{r}_1{E}_{01}(r_1,t)e^{\frac{\mathrm{ik}{r_1}^2}{{2d}_2}}{J}_0\left(r_1{r}_2\right){\mathrm{dr}}_1---\left(7\right)$

其中，d₂表示样品到聚焦透镜的距离。

对于实验样品CS₂，不考虑吸收，在薄样品近似的情况，脉冲激光的相位变化在样品中传播满足

$\frac{\mathrm{d\Δ\φ}}{{\mathrm{dz}}^{\′}}=\mathrm{k\Δn}---\left(8\right)$

Δn为折射率变化，z′激光在样品中传播的距离。

Δn＝n₂I   (9)

式中，n₂为样品的非线性折射系数；I＝|E₀₄|²为作用在样品上的光强。则样品后表面的光场为

E₀₅＝E₀₄exp(iΔφ)  (10a)

不考虑样品非线性时，则样品后表面的光场为

E′₀₅＝E₀₄(10b)

小孔处的光场为：

$E_{06}(r_3,t)=\frac{e^{\mathrm{ik}{d}_3}{e}^{\frac{\mathrm{ik}{r_3}^2}{2d_3}}}{\mathrm{i\λ}{d}_3}{\∫}_0^{\∞}2\mathrm{\π}{r}_2{E}_{05}(r_2,t)e^{\frac{\mathrm{ik}{r_2}^2}{{2d}_3}}{J}_0\left(r_2{r}_3\right){\mathrm{dr}}_2---\left(11a\right)$

其中，d₃是样品到小孔的距离。

不考虑样品非线性时，小孔处的光场为：

${E_{06}}^{\′}(r_3,t)=\frac{e^{\mathrm{ik}{d}_3}{e}^{\frac{\mathrm{ik}{r_3}^2}{2d_3}}}{\mathrm{i\λ}{d}_3}{\∫}_0^{\∞}2\mathrm{\π}{r}_2{E_{05}}^{\′}(r_2,t)e^{\frac{\mathrm{ik}{r_2}^2}{{2d}_3}}{J}_0\left(r_2{r}_3\right){\mathrm{dr}}_2---\left(11b\right)$

对小孔处的光强进行空间和时间的积分，可得到透过小孔的能量。将此能量与在不考虑样品非线性的情况下得到的透过小孔的能量相比，就得到透过小孔的归一化非线性透过率：

$T=\frac{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_0^{r_a}2\mathrm{\π}{r}_3|E_{06}{|}^{2}d{r}_3\mathrm{dt}}{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_0^{r_a}2\mathrm{\π}{r}_3|E_{06}^{\′}{|}^{2}d{r}_3\mathrm{dt}}---\left(12\right)$

用上面的公式，改变CS₂的非线性折射系数对非线性透过率进行拟合，就可以得到非线性折射系数。

在实施例一中，经扩束系统以及光阑后形成的Tophat光，光斑半径Ra＝5.6mm，单脉冲的能量为0.22μJ，相位片的相位延迟为0.5π，相位延迟部分的半径Lp＝0.5mm，相位片到聚焦透镜的距离为0.4m，聚焦透镜的焦距为0.4m，聚焦透镜到小孔的距离为1.2m，小孔的半径为1mm。测得非线性透过率为2.80，经过理论拟合的计算得到采用非线性折射n₂＝3.3×10^-18m²/W与实验结果吻合，这与文献报道的结果一致。本实施中的非线性透过率差ΔT＝2.80-1＝1.80。相同的单脉冲能量0.22μJ，单脉冲高斯光测量CS2非线性透过率差为ΔT＝1.45-1＝0.45。本方法使测量精度提高了4倍。

Claims (4)

1.一种单脉冲测量材料非线性的方法，其特征在于：利用透镜扩束系统和光阑将高斯激光脉冲变为近似Tophat型激光脉冲，经相位物体后由分束镜分为两束，一束为监测光，由第一探测器记录，另一束为探测光，经聚焦透镜和待测样品后，通过小孔光阑由第二探测器记录，测量步骤如下：

(1)将样品置于远离聚焦透镜焦平面的位置，分别记录监测光能量和经过小孔光阑后的脉冲光能量，计算脉冲光能量与监测光能量的比值；

(2)将样品移至聚焦透镜的焦平面位置，分别记录监测光能量和经过小孔光阑后的脉冲光能量，计算脉冲光能量与监测光能量的比值；

(3)用步骤(2)中得出的比值除以步骤(1)中得出的比值，得到归一化的非线性透过率，再经过处理得到材料的非线性折射系数。

2.根据权利要求1所述的单脉冲测量材料非线性的方法，其特征在于：所述相位物体的相位延迟为0.25π～0.75π，大小为入射的Tophat光斑束腰半径的0.05～0.5倍。

3.根据权利要求2所述的单脉冲测量材料非线性的方法，其特征在于：所述相位物体的相位延迟为0.5π，大小为入射的Tophat光斑束腰半径的0.1倍。

4.根据权利要求1所述的单脉冲测量材料非线性的方法，其特征在于：所述第二探测器前的小孔光阑的半径的大小等于相位物体的远场衍射光斑的半径大小。

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