CN101608999A - 实时观察的单束双模参数可调z扫描装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

一种实时观察的单束双模参数可调型Z扫描装置和测量方法，主要由参数调制部分，数据采集部分以及观察部分组成。在参数调制部分中，激光通过可调节衰减片以及声光调节器之后变为功率脉冲可调型的激光束，由透镜聚焦到样品表面；在数据采集部分，样品后表面的出射光通过分光棱镜分为两束，其中一束光直接进入探测器，得到材料的非线性吸收；另一束通过一个中心与光轴同轴的小孔光阑进入另一个探测器，得到材料的非线性折射；在观察部分中，在装置的光路上增加冷光源的照明装置，以便在实验中实时观察作用点的变换情况。本发明实现简单，可获得不同条件材料的非线性吸收率和非线性折射率。

Description

实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置和测量方法

技术领域

本发明涉及非线性光学，是一种测量材料非线性折射率和非线性吸收的实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置和测量方法，该装置具有多种模式，参数设置方便，数据处理简单，可进行实时观察。

背景技术

信息光学的发展和样品制备工艺的进步使得纳米技术和光学更好地结合起来，其中很多效应更多的是呈现材料的非线性性质。非线性效应在光开关、自相位调制和自聚(散)焦等方面有着重要的作用，它是材料的一个重要性质，所以弄清材料的非线性是很有必要的。一般说来，测量材料的非线性有三次谐波产生、光学克尔开关、非简谐的四波混频以及Z扫描技术。前三者测量设备复杂，成本高，精度及效率都较低。20世纪发展起来的Z扫描技术(参见M.Sheik-Bahae，A.A.Said，T.Wei，D.J.Hagan，and E.W.Van Stryland，IEEE J.Quantum Electron.26，760(1990))以其简便的装置设计和较高的精度，成为目前最常用的测量材料非线性的手段。该技术一般是基于单束光在样品表面上引起的相位畸变，结合菲涅尔—惠更斯原理，利用标量衍射理论，最后探测器得到光强的变化。

此方法光路简单，处理方便，精度较高；但此方法一般不能同时测量材料的非线性折射率和非线性吸收系数，不能确定材料的非线性是来源于激光导致的本征效应还是激光导致的材料本身的结构变化，很难得出导致非线性效应的内部机理。苏州大学杨俊义等人(ZL 200820041810.1)利用泵浦光和探测光进行Z扫描的测量，实现的难度是很难控制泵浦光和探测光之间的角度差异，很难达到较好的效果，光路调节较难，并没有单光束的光路来得简单和有效。

发明内容

本发明的目的是为了寻找和改进上述现有技术的不足，提供一种测量材料的非线性折射率和非线性吸收系数的实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置和测量方法，能更为准确地测量、判定非线性折射率和非线性吸收系数，以研究材料非线性的内部机理。该装置具有参数设置方便，数据处理简单和实时观察的特点。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种实时观察的单束双模参数可调型Z扫描装置，由参数调制、数据采集、观察系统三个主要部分组成。其中，参数调制部分采用0～1可调的衰减片使得入射激光的功率可调；采用声光调制器使得出射激光的脉冲宽度可调；激光入射到样品表面后，由于样品的非线性效应使得出射光发生变化，用分光棱镜将出射的光分成两束，其中沿着光轴方向放置一中心在光轴上的小孔光阑，其后用探测器探测光强，求得材料的非线性折射率；另一束光用透镜直接汇聚到探测器中，求得材料的非线性吸收系数。

一种实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置，特点在于其构成包括激光器，沿该激光器输出激光前进的主光路方向依次是第一可调衰减片、声光调制器、第一孔径光阑、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一聚焦透镜、待测样品、第二聚焦透镜、第三分光棱镜、第二小孔光阑和第三探测器，该第三探测器的输出端与计算机的输入端相连；所述的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜共焦，所述的待测样品位于样品控制台上且该待测样品表面垂直于所述的主光路，置于所述的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜共焦点附近；

所述的声光调制器与信号发生器相连，由第一可调衰减片、声光调制器和信号发生器组成参数调制部分；

在所述的第一分光棱镜的一侧垂直于所述的主光路方向设置冷光源，该冷光源发出的光经第一分光棱镜反射后沿所述的主光路经第二分光棱镜进入所述的第一聚焦透镜，在所述的第一分光棱镜的另一侧垂直于所述的主光路方向设置第一探测器，该第一探测器的输出端与所述的计算机的输入端相连；

在所述的第二分光棱镜的一侧垂直于所述的主光路方向设置滤光片和CCD；

在所述的第三分光棱镜的一侧垂直于所述的主光路方向依次设置第二可调衰减片、凸透镜和第二探测器，该第二探测器的输出端与所述的计算机(20)的输入端相连；

所述的计算机的输出端与所述的样品控制台的控制端相连。

所述的第一可调衰减片的输出激光功率对入射激光功率的比值0～1任意可调。

所述的声光调制器对激光脉冲宽度从5ns到连续光连续可调。

利用上述实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置进行测量的方法，其特征在于包括下列步骤：

①将待测样品放在样品控制台上，调节样品控制台的位置，使待测样品的表面和激光束垂直；调节所述的CCD的位置，使待测样品在CCD上清晰地成像，设置样品控制台的参数：样品控制台总运行步长数为7500步，运行速度为5步/秒；定义主光轴为Z轴，激光入射的方向为正方向，待测样品随样品控制台沿Z轴运动；定义待测样品的外表面在焦点处的位置为Z轴坐标的零点，待测样品的外表面在Z₁＝-10Z₀的位置为起始运动位置，待测样品的外表面A在Z₂＝10Z₀的位置为终了运动位置，Z₀为所述的第一聚焦透镜的焦深；

②调节第一衰减片及信号发生器，设置所述的声光调制器输出的激光功率和激光脉冲宽度，通过计算机驱动样品控制台沿Z轴从Z₁＝-10Z₀位置向Z₂＝10Z₀位置运动，同时第二探测器和第三探测器分别收集透过所述的待测样品的激光能量，由数据采集器转变为电压信号通过软件在计算机上显示，采集的数据电压值作纵坐标，相应的Z轴的位置作横坐标，通过软件处理保存为.txt格式文档，留作后续处理；

③计算机对第二探测器采集到得开孔数据作归一化处理，将第二探测器对应的曲线的所有纵坐标数值除以Z＝-10Z₀处的纵坐标数值，得到待测样品的开孔的相对透过率，曲线的大致形状是在焦点Z＝0出呈现一个峰或者谷，而远离焦点处归一化透过率为1，取z＝0处的纵坐标值，代入以下公式计算得到待测样品的非线性吸收系数β：

$T\left(0\right)=e^{\frac{\mathrm{\β}{I}_0}{2}L}\ln [1+\mathrm{\β}{I}_0{L}_{\mathrm{eff}}]/\mathrm{\β}{I}_0{L}_{\mathrm{eff}}$

其中：I₀是焦点处的激光强度， $I_0=\frac{P}{\mathrm{\π}{w}_0^2},$ P是第二探测器测得的激光功率，w₀是焦点处的激光斑点大小， $w_0=\frac{1.22\mathrm{\λ}}{2N.A.},$ N.A.是第一聚焦透镜的数值孔径；L_eff是待测样品的有效厚度，L是待测样品的实际厚度，L_eff＝[1-exp(-α₀L)]/α₀；α₀是待测样品的线性吸收系数；

④计算机对第三探测器采集到的闭孔数据作归一化处理，将第三探测器对应的曲线的所有纵坐标数值除以Z＝-10Z₀处的纵坐标数值，再将其除以步骤③中的归一化结果，得到一支类似于sin形状或cos形状的曲线，取曲线的峰和谷的差值并代入以下公式，求出待测样品的非线性折射系数γ：

ΔT_p-v＝0.406(1-S)^0.25|kγI₀L|

其中：S是第二小孔光阑的参数， $S=1-\exp (-2r_a^2/w_a^2),$ r_a是第二小孔光阑的半径，w_a是第二小孔光阑处透射光斑的半径；k是从声光调制器输出的激光的波数， $k=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}},$ λ是激光波长；

⑤在待测样品移动的同时，观察CCD中的待测样品表面形貌的变化，以了解与待测样品的非线性吸收系数β和非线性折射系数γ相关的物理信息，注意每次变换实验条件时均要调节待测样品的位置，选择不同的激光作用点；

⑥调节第一衰减片及信号发生器，改变声光调制器输出的激光功率和激光脉冲宽度，重复以上第②～⑤步，以获得不同激光功率和激光脉冲宽度下待测样品的非线性吸收系数β和非线性折射系数γ。

与现有的技术相比，本发明具有如下优点：

1.理论模型简单，单束光作用，实现容易，测量方便。

2.本发明同时测量非线性折射率与非线性吸收率，而不是传统的Z扫描方法，开孔和闭孔要分别测量，本发明能更为准确地测量、判定非线性折射率和非线性吸收系数，以研究材料非线性的内部机理。该装置具有参数设置方便，数据处理简单和实时观察的特点。。

3.本发明通过衰减片调节功率，通过声光调制器调节脉宽及作用时间，而传统的Z扫描方法作用光是不会变化的。

4.本发明在光路上加入了冷光源照明及CCD观察系统，可实时观察作用点的变化情况。

附图说明

图1是本发明实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置的光路图。

图2是本发明实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置的开孔归一化能量实验值及理论值与Z扫描位置关系图。

图3是本发明实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置的闭孔归一化能量与Z扫描位置关系图。

图4是本发明实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置的闭孔归一化能量除以开孔归一化能量的结果与Z扫描位置关系图。。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置的光路图。由图可见，本发明实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置分为三个部分，参数调制部分，数据采集部分和观察系统。参数调制部分和数据采集系统在主光路中，其在主光轴上的分布为(从左至右)：激光器1，第一可调衰减片2，声光调制器3，第一孔径光阑5，第一分光棱镜8、第二分光棱镜9，聚焦透镜11，样品12，共焦透镜14，第三分光棱镜15，第二小孔光阑18，探测器19。参数调制部分由第一可调衰减片2、声光调制器3、信号发生器4组成；数据采集部分由第二小孔光阑18，第二探测器17、第三探测器19组成，第三探测器19收集到的是闭孔模式下的能量，第二探测器17收集到的是开孔模式下的能量。观察系统主要由第一分光棱镜8、第二分光棱镜9，冷光源6，CCD10以及滤光片21组成，滤光片21的作用主要是滤去激光的影响，使得在CCD上的成像都是来源于冷光源，可以很清晰地观察焦点处的激光作用材料的情况。

利用第一可调衰减片2以及声光调制器3，将入射激光调节成功率可变和脉宽可变，通过显微物镜11聚焦到待测样品12之后，出射的光由第三分光棱镜15分为两束，透射的一束经第二孔径光阑18后达到第三探测器19，反射的一束经凸透镜22汇聚后由第二探测器17收集。待测样品12由于激光的照射，产生的相位的畸变有可能是来源于材料内部的能带结构变化，但同时这个畸变或许也有激光导致的材料结构的影响。采用观察系统恰好可以明确非线性产生的来源。

照明光由冷光源6发出，经第一分光棱镜8反射后进入主光路中，透过第二分光棱镜9后经第一聚焦透镜11聚焦到待测样品12表面，待测样品12表面再将观察光反射返回，经第二分光棱镜9将反射光反射至CCD10，滤光片21滤去激光的影响。当待测样品12运动到第一聚焦透镜11的焦平面上时，在CCD10上可呈现出清晰的像。

本实例中，所述的激光器是He-Ne激光器，波长为632.8nm，待测样品12为多晶硅。测量多晶硅的非线性折射率与非线性吸收率的具体的操作步骤如下：

①将待测样品12放在样品控制台13上，调节样品控制台13的位置，使待测样品12的表面和激光束垂直；调节所述的CCD10的位置，使待测样品12在CCD10上清晰地成像，设置样品控制台13的参数：样品控制台13总运行步长数为7500步，运行速度为5步/秒；定义主光轴为Z轴，激光入射的方向为正方向，待测样品12随样品控制台13沿Z轴运动；定义待测样品12的外表面A在焦点处的位置为Z轴坐标的零点，待测样品12的外表面A在Z₁＝-10Z₀的位置为起始运动位置，待测样品12的外表面A在Z₂＝10Z₀的位置为终了运动位置，Z₀为所述的聚焦透镜11的焦深；

②调节第一衰减片2及信号发生器4，设置所述的声光调制器3输出的激光功率和激光脉冲宽度，通过计算机20驱动样品控制台13沿Z轴从Z₁＝-10Z₀位置向Z₂＝10Z₀位置运动，同时第二探测器17和第三探测器19分别收集透过所述的待测样品12的激光能量，由数据采集器转变为电压信号通过软件在计算机20上显示，采集的数据电压值作纵坐标，相应的Z轴的位置作横坐标，通过软件处理保存为.txt格式文档，留作后续处理；

③计算机20对第二探测器17采集到得开孔数据作归一化处理，将第二探测器17对应的曲线的所有纵坐标数值除以Z＝-10Z₀处的纵坐标数值，得到待测样品12的开孔的相对透过率，曲线的大致形状是在焦点Z＝0出呈现一个峰或者谷，而远离焦点处归一化透过率为1，如图(2)所示。取z＝0处的纵坐标值，代入以下公式计算得到待测样品12的非线性吸收系数β：

$T\left(0\right)=e^{\frac{\mathrm{\β}{I}_0}{2}L}\ln [1+\mathrm{\β}{I}_0{L}_{\mathrm{eff}}]/\mathrm{\β}{I}_0{L}_{\mathrm{eff}}$

其中：I₀是焦点处的激光强度， $I_0=\frac{P}{\mathrm{\π}{w}_0^2},$ P是第二探测器17测得的激光功率，w₀是焦点处的激光斑点大小， $w_0=\frac{1.22\mathrm{\λ}}{2N.A.},$ N.A.是第一聚焦透镜11的数值孔径；L_eff是待测样品12的有效厚度，L是待测样品12的实际厚度，L_eff＝[1-exp(-α₀L)]/α₀；α₀是待测样品12的线性吸收系数；

④对第三探测器19采集到的闭孔数据作归一化处理，将第二探测器19对应的曲线的所有纵坐标数值除以Z＝-10Z₀处的纵坐标数值，再将其除以步骤③中的归一化结果，得到一支类似于sin形状或cos形状的曲线，如图(4)所示，取曲线的峰和谷的差值，即图(4)中A点及B点对应纵坐标的差值，取曲线的峰和谷的差值并代入以下公式，求出待测样品12的非线性折射系数γ：

ΔT_p-v＝0.406(1-S)^0.25|kγI₀L|

其中：S是第二小孔光阑(18)的参数， $S=1-\exp (-2r_a^2/w_a^2),$ r_a是第二小孔光阑18的半径，w_a是第二小孔光阑18处透射光斑的半径；k是作用激光的波数， $k=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}},$ λ是激光波长；

⑤在待测样品12移动的同时，观察CCD10中的待测样品表面形貌的变化，以了解与待测样品12的非线性吸收系数β和非线性折射系数γ相关的物理信息，注意每次变换实验条件时均要调节待测样品12的位置，选择不同的激光作用点；

⑥调节第一衰减片2及信号发生器4，改变激光功率和激光脉冲宽度，重复以上第②～⑤步，以获得不同激光功率和激光脉冲宽度下待测样品12的非线性吸收系数β和非线性折射系数γ。

图2是多晶硅的非线性吸收曲线，即开孔模式下的透过率，图中的虚线是拟合的曲线，结合公式(1)，得出多晶硅的非线性吸收系数，β＝2.98×10^-3m/W。

图3是第三探测器19测得的透过率曲线的归一化结果，即闭孔模式下的透过率，将其除以第二探测器的归一化结果，得到的就是图4的曲线，取图4中的峰和谷的差值ΔT_p-v，带入公式(2)，即可求出多晶硅的非线性折射系数γ＝6.9×10^-10m²/W。

本发明光路简单可行，测量方便，数据拟合简单，可观察性强，具有较好的前景。

Claims (4)

1、一种实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置，特征在于其构成包括激光器(1)，沿该激光器(1)输出激光前进的主光路方向依次是第一可调衰减片(2)、声光调制器(3)、第一孔径光阑(5)、第一分光棱镜(8)、第二分光棱镜(9)、第一聚焦透镜(11)、待测样品(12)、第二聚焦透镜(14)、第三分光棱镜(15)、第二小孔光阑(18)和第三探测器(19)，该第三探测器(19)的输出端与计算机(20)的输入端相连；所述的第一聚焦透镜(11)和第二聚焦透镜(14)共焦，所述的待测样品(12)位于样品控制台(13)上且该待测样品(12)表面垂直于所述的主光路，置于所述的第一聚焦透镜(11)和第二聚焦透镜(14)共焦点附近；

所述的声光调制器(3)与信号发生器(4)相连，由第一可调衰减片(2)、声光调制器(3)和信号发生器(4)组成参数调制部分；

在所述的第一分光棱镜(8)的一侧垂直于所述的主光路方向设置冷光源(6)，该冷光源(6)发出的光经第一分光棱镜(8)反射后沿所述的主光路经第二分光棱镜(9)进入所述的第一聚焦透镜(11)，在所述的第一分光棱镜(8)的另一侧垂直于所述的主光路方向设置第一探测器(7)，该第一探测器(7)的输出端与所述的计算机(20)的输入端相连；

在所述的第二分光棱镜(9)的一侧垂直于所述的主光路方向设置滤光片(21)和CCD(10)；

在所述的第三分光棱镜(15)的一侧垂直于所述的主光路方向依次设置第二可调衰减片(16)、凸透镜(22)和第二探测器(17)，该第二探测器(17)的输出端与所述的计算机(20)的输入端相连；

所述的计算机(20)的输出端与所述的样品控制台(13)的控制端相连。

2、根据权利要求1所述的实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置，其特征在于所述的第一可调衰减片(2)的输出激光功率对入射激光功率的比值0～1任意可调。

3、根据权利要求1所述的实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置，其特征在于所述的声光调制器(3)对激光脉冲宽度从5ns到连续光连续可调。

4、利用权利要求1所述的实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置进行测量的方法，其特征在于包括下列步骤：

①将待测样品(12)放在样品控制台(13)上，调节样品控制台(13)的位置，使待测样品(12)的表面和激光束垂直；调节所述的CCD(10)的位置，使待测样品(12)在CCD(10)上清晰地成像，设置样品控制台(13)的参数：样品控制台(13)总运行步长数为7500步，运行速度为5步/秒；定义主光轴为Z轴，激光入射的方向为正方向，待测样品(12)随样品控制台(13)沿Z轴运动；定义待测样品(12)的外表面A在焦点处的位置为Z轴坐标的零点，待测样品(12)的外表面A在Z₁＝-10Z₀的位置为起始运动位置，待测样品(12)的外表面A在Z₂＝10Z₀的位置为终了运动位置，Z₀为所述的聚焦透镜(11)的焦深；

②调节第一衰减片(2)及信号发生器(4)，设置所述的声光调制器(3)输出的激光功率和激光脉冲宽度，通过计算机(20)驱动样品控制台(13)沿Z轴从Z₁＝-10Z₀位置向Z₂＝10Z₀位置运动，同时第二探测器(17)和第三探测器(19)分别收集透过所述的待测样品(12)的激光能量，由数据采集器转变为电压信号通过软件在计算机(20)上显示，采集的数据电压值作纵坐标，相应的Z轴的位置作横坐标，通过软件处理保存为.txt格式文档，留作后续处理；

③计算机(20)对第二探测器(17)采集到的开孔数据作归一化处理，将第二探测器(17)对应的曲线的所有纵坐标数值除以Z＝-10Z₀处的纵坐标数值，得到待测样品(12)的开孔的相对透过率，曲线的大致形状是在焦点Z＝0出呈现一个峰或者谷，而远离焦点处归一化透过率为1，取Z＝0处的纵坐标值，代入以下公式计算得到待测样品(12)的非线性吸收系数β：

$T\left(0\right)=e^{\frac{\mathrm{\β}{I}_0}{2}L}\ln [1+\mathrm{\β}{I}_0{L}_{\mathrm{eff}}]/\mathrm{\β}{I}_0{L}_{\mathrm{eff}}$

其中：I₀是焦点处的激光强度， $I_0=\frac{P}{\mathrm{\π}{w}_0^2},$ P是第二探测器(17)测得的激光功率，w₀是焦点处的激光斑点大小， $w_0=\frac{1.22\mathrm{\λ}}{2N.A.},$ N.A.是第一聚焦透镜(11)的数值孔径；L_eff是待测样品(12)的有效厚度，L是待测样品(12)的实际厚度，L_eff＝[1-exp(-α₀L)]/α₀；α₀是待测样品(12)的线性吸收系数；

④对第三探测器(19)采集到的闭孔数据作归一化处理，将第二探测器19对应的曲线的所有纵坐标数值除以Z＝-10Z₀处的纵坐标数值，再将其除以步骤③中的归一化结果，得到一支类似于sin形状或cos形状的曲线，取曲线的峰和谷的差值并代入以下公式，求出待测样品(12)的非线性折射系数γ：

ΔT_p-v＝0.406(1-S)^0.25|kγI₀L|

其中：S是第二小孔光阑(18)的参数， $S=1-\exp (-2r_a^2/w_a^2),$ r_a是第二小孔光阑(18)的半径，w_a是第二小孔光阑(18)处透射光斑的半径；k是作用激光的波数， $k=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}},$ λ是激光波长；

⑤在待测样品(12)移动的同时，观察CCD(10)中的待测样品表面形貌的变化，以了解与待测样品(12)的非线性吸收系数β和非线性折射系数γ相关的物理信息，注意每次变换实验条件时均要调节待测样品(12)的位置，选择不同的激光作用点；

⑥调节第一衰减片(2)及信号发生器(4)，改变激光功率和激光脉冲宽度，重复以上第②～⑤步，以获得不同激光功率和激光脉冲宽度下待测样品(12)的非线性吸收系数β和非线性折射系数γ。

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