CN102183493A - 一种高灵敏度单脉冲单光束测量材料光学非线性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度单脉冲单光束测量材料非线性的方法，在探测光通过样品后的光路中设置一圆形挡板，在一个单脉冲作用下，通过测量开孔和远场挡板的非线性透过率，确定材料的非线性吸收和非线性折射系数。按本发明方法工作的测量系统光路简单、测量灵敏度非常高，数据处理简单，单脉冲测量、样品无需移动，可以同时测量非线性吸收和非线性折射的大小，极大地减少测量成本。

Description

一种高灵敏度单脉冲单光束测量材料光学非线性的方法

技术领域

本发明涉及一种测量材料的光学非线性的方法，属于非线性光子学材料和非线性光学信息处理领域。

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。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、相位物体Z-scan等。其中Z扫描方法（Mansoor Sheik-Bahae, Ali A. Said, Tai-Hui Wei, David J. Hagan, E. W. Van Stryland. “Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam”, IEEE J. Quantum Elect, 26, 760-769 (1990) ）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. Boudebs and S. Cherukulappurath, “Nonlinear optical measurements using a 4f coherent 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。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，增加了测量方法的成本。PO Z-scan技术就是在传统Z-scan的基础上，在透镜的前焦面的位置加一个相位物体。与传统Z-scan相比，所测量材料非线性折射的结果由传统Z-scan的峰谷特征曲线变成了单峰或单谷特征曲线。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，需要激光多次激发，容易损伤材料。T-PO测量材料非线性技术在PO Z-scan 技术的基础上，将样品放置在系统的焦平面，无需移动，通过测量透过小孔的归一化非线性透过率就可以测量样品的光学非线性。这种方法的测量灵敏度和一般的测量方法一样，在一定的条件下，不能达到测量的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种高灵敏度单脉冲单光束测量材料非线性的方法，在不需要移动样品的前提下，简单而准确地测量材料的非线性折射和非线性吸收。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种高灵敏度单脉冲单光束测量材料非线性的方法，将脉冲激光束分为两束，一束为监测光，由第一探测器记录，另一束光为探测光，经透镜聚焦到待测样品上，使待测样品产生光学非线性；所述待测样品位于探测光光路中透镜的焦平面上，从待测样品出射的脉冲激光被第二分束器分为两束，一束经透镜会聚后被第二探测器接收，获得开孔信号，另外一束通过一个中心和光轴重合的不透光的挡板后经凸透镜会聚后进入第三探测器，获得闭孔信号；所述不透光的挡板为圆形，位于探测光路的待测样品后的远场位置，测量步骤为：

⑴在远离透镜焦点的位置放上待测样品，用三个探测器测量脉冲光能量，并计算出第二探测器所测能量与第一探测器所测能量的比值，第三探测器所测能量与第一探测器所测能量的比值；

⑵在探测光路的透镜的焦平面位置放上待测样品，用三个探测器测量脉冲光能量，并计算出第二探测器所测能量与第一探测器所测能量的比值，第三探测器所测能量与第一探测器所测能量的比值；

⑶对步骤⑴和⑵中获得的比值进行处理，获得所需的检测材料的光学非线性吸收和非线性折射系数。

上文中，所述脉冲激光束是对激光器发出的光束先进行扩束，经过一圆形小孔后，获得一束平顶光束而得到的。为便于计算，所述小孔位于探测光路的透镜的前焦面上为优选。但从实现本发明的技术方案角度，小孔可以位于透镜前的任一位置。

上述技术方案中，所述步骤⑶中的处理包括，将步骤⑵中得到的比值与步骤⑴中得到的对应的比值相除，分别获得开孔能量的比值和闭孔能量的比值，由此得到样品归一化的非线性透过率，对归一化的非线性透过率进行理论拟合得到非线性吸收和非线性折射系数。

上述技术方案中，所述不透光的挡板的大小要大于光路远场处的衍射主光斑的大小，让边缘的衍射光通过，当所述挡板的透过率越小，系统对非线性折射的测量精度越高，对非线性吸收的影响不大，其大小可以根据实际情况调节。

优选的技术方案，挡板的透过率小于0.1。

本发明的技术方案中，非线性样品受到脉冲光的作用后，材料的吸收和折射性质发生变化，产生光学非线性。在薄样品近似的条件下，能量只与非线性吸收有关，非线性折射对能量的影响可以忽略不计，因为开孔测量的是整个能量的变化，与非线性折射无关，所以开孔的透过率与材料的非线性吸收相关。另一方面，样品产生的非线性相移随激光的光强的变化而变化。这样，在焦平面处样品就相当于一个变化的非线性相移。变化的非线性相移就会引起远场衍射光斑的光强分布变化，从而就会引起挡板的透过率的变化。另外，由于远场衍射光斑边缘能量的变化要比主光斑透过小孔能量的变化要大，因此在远场用挡板来代替小孔，所得归一化非线性透过率的灵敏度要比透过小孔归一化非线性透过率要高。样品在系统焦平面时产生的非线性相移达到最大，归一化的非线性透过率也就最大。所以，在焦平面位置，无需移动样品，在一个单脉冲的作用下，通过测量整个能量的变化就可以得到样品的非线性吸收系数。通过测量透过挡板归一化的非线性透过率，就可以得到样品的非线性折射系数。

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．本发明实现了单脉冲测量，测量过程中样品无需移动，解决了待测样品易损伤的问题；

2. 本发明的测量方法非常方便，理论模型简单，测量灵敏度高；

3. 采用本发明的方法，可以同时测量样品非线性吸收和非线性折射的大小；

4. 系统的灵敏度比Z-scan技术及4f相位相干成像技术要高1个数量级；

5．本发明所述的测量方法，可以广泛地应用于非线性光学测量、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，利用本发明方法，可以极大地减少测量成本（无需移动平台和CCD），并能够保证测试参数全面，测试结果准确。

附图说明

图1是本发明实施例一中的高灵敏度单脉冲测量非线性吸收和非线性折射系数方法的工作原理图。

图2是本发明实施例一中的圆形挡板示意图。

其中：1、入射激光束；2、凸透镜；3、凸透镜；4、小孔；5、第一探测器；6、分束器；7、凸透镜；8、待测样品；9、第二分束器；10、凸透镜；11、第二探测器；12、圆形挡板；13、凸透镜；14、第三探测器。

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1所示，一种高灵敏度单脉冲测量材料的非线性参数的方法，光路分束器，凸透镜，挡板，探测器组成；脉冲激光聚焦于待测样品上。

附图1是一种高灵敏度单脉冲测量材料的非线性方法的实验装置图。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2和凸透镜3组成；测量系统由小孔4、凸透镜7、待测样品8、第二分束器9、凸透镜10、第二探测器11、圆形挡板12、凸透镜13和第三探测器14组成。其中，待测样品8放置在凸透镜7的焦平面上。从激光器出射的脉冲激光首先经过扩束系统扩束，扩束后的激光经过小孔4后形成top-hat光，光束经凸透镜7会聚到放置在焦点的待测样品8上，由于待测样品8的光学非线性使得入射的脉冲激光的光强和相位发生变化。从样品透射的脉冲激光经过第二分束器分为两束，一束激光经过凸透镜10后由第二探测器探测。另一束激光经过挡板12后，由凸透镜13后由第三探测器探测。

参考系统由分束镜5和第一探测器6组成。从小孔4出来的激光被分束镜5分为两束，其中一束直接被第一探测器6接收，即为参考光。

附图2为圆形挡板12的示意图，挡板不透光。

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-7620 ENERGY RATIOMETER, Laserprobe)。待测样品为二硫化碳（CS₂）。

具体的检测步骤为：（1）将样品8放在靠近凸透镜7的位置，利用第二探测器11测量通过凸透镜10会聚后的光束能量，利用第三探测器14测量通过挡板12由凸透镜13汇聚后的能量，同时利用第一探测器6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6测得的能量，得到一个开孔的能量比值。将第三探测器14所测得的能量除以第一探测器6测得的能量，得到一个通过挡板的能量比值。（2）将样品8放在凸透镜7的焦平面的位置，利用第二探测器11测量通过凸透镜10会聚后的光束能量，利用第三探测器14测量通过挡板12的能量，同时利用第一探测器6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6测得的能量，得到一个开孔的能量比值。将第三探测器14所测得的能量除以第一探测器6测得的能量，得到一个通过挡板能量的比值。（3）将步骤（2）中的开孔比值除以步骤（1）中的开孔比值，得到样品的开孔归一化非线性透过率。将步骤（2）中的闭孔比值除以步骤（1）中的闭孔比值，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，得出样品的非线性吸收和非线性折射系数。

对于CS₂非线性测量的实验和理论计算具体过程如下：

假设入射光束为基模高斯光，其场强表达式为：

                 (1)

式中，E₀为脉冲激光的最大场强值，r为光束的半径，

为入射光束的束腰半径，

为脉冲光1/e半宽的时间。

小孔的透过率为：

（r≤R_a） 或  （r> R_a）         (2)

式中，R_a为小孔4的半径。

小孔4后的场强分布为：

                        (3)

传播到样品表面的光场可通过傅立叶-贝塞尔变换得到，

              (4)

式中, f为透镜的焦距，J ₀ 为零阶贝塞尔函数。

在样品中，考虑慢变振幅近似和薄样品近似的情况，脉冲激光的振幅和相位变化在样品中传播满足

                        (5)

式中,

为样品的非线性折射系数，

为样品的线性吸收率，

为样品的非线性吸收系数，

（

处）为作用在样品上的光强。

激光在样品中传播的光程。

则样品后表面的光场为:

                  (6)

不考虑样品非线性时，则样品后表面的光场为:

                  (7)

从样品的后表面传播到挡板的光场可通过菲涅尔衍射公式得到：

       (8a)

不考虑样品非线性时，则光场为

      (8b)

式中，d为远场挡板到焦点的距离。

对挡板处的光强进行空间和时间的积分，可得到通过挡板的能量。将此能量与在不考虑样品非线性的情况下得到的通过挡板的能量相比，就得到通过挡板的归一化非线性透过率：

                 (9)

如果挡板的半径取0(即没有挡板)，则可得到开孔的透过率情况。对开孔和闭孔的归一化非线性透过率进行拟合，就可以得到样品的非线性吸收和非线性折射系数。

在实施例一中，入射能量为，小孔的半径为5mm，小孔前入射光束的束腰半径为2.8 mm，远场挡板到焦点的距离为0.8 m，挡板的半径为1.1 cm。实验测得开孔的归一化非线性透过率为0.99，接近于1，说明这个样品的非线性吸收非常弱，可以忽略不计。挡板归一化的非线性透过率为14。改变样品非线性折射系数

，使得理论计算的挡板非线性透过率和实验测得的相吻合，可得CS₂的非线性折射系数

，和利用Z-scan所得的

非常接近。

Claims (3)

1. 一种高灵敏度单脉冲单光束测量材料非线性的方法，将脉冲激光束分为两束，一束为监测光，由第一探测器5记录，另一束光为探测光，经透镜7聚焦到待测样品上，使待测样品产生光学非线性；所述待测样品位于探测光光路中透镜7的焦平面上，其特征在于：从待测样品出射的脉冲激光被第二分束器分为两束，一束经透镜10会聚后被第二探测器11接收，获得开孔信号，另外一束通过一个中心和光轴重合的不透光的挡板12后经凸透镜13会聚后进入第三探测器14，获得闭孔信号；所述不透光的挡板12为圆形，位于探测光路的待测样品8后的远场位置，测量步骤为：

⑴在远离透镜7焦点的位置放上待测样品，用三个探测器测量脉冲光能量，并计算出第二探测器11所测能量与第一探测器5所测能量的比值，第三探测器14所测能量与第一探测器5所测能量的比值；

⑵在探测光路的透镜7的焦平面位置放上待测样品，用三个探测器测量脉冲光能量，并计算出第二探测器11所测能量与第一探测器5所测能量的比值，第三探测器14所测能量与第一探测器5所测能量的比值；

⑶对步骤⑴和⑵中获得的比值进行处理，获得所需的检测材料的光学非线性吸收和非线性折射系数。

2. 根据权利要求1所述的高灵敏度单脉冲单光束测量材料非线性的方法，其特征在于：所述步骤⑶中的处理包括，将步骤⑵中得到的比值与步骤⑴中得到的对应的比值相除，得到样品归一化的非线性透过率，对归一化的非线性透过率进行理论拟合得到非线性吸收和非线性折射系数。

3. 根据权利要求1所述的高灵敏度单脉冲单光束测量材料非线性的方法，其特征在于：所述不透光的挡板12的透过率小于0.1。

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