CN102192899A - 一种双通道二阶非线性光学测试系统 - Google Patents

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一种双通道二阶非线性光学测试系统，用于测试材料的二阶非线性光学效应。包括激光光源、透光片、样品架、聚焦透镜、分光镜、第一滤光片、第一光电倍增管、第二滤光片、第二光电倍增管、信号接收分析仪、避光盒。根据激光激发样品所产生的光信号中包含倍频光和非倍频光的强弱以及相对强弱关系，采用第一、第二光电倍增管对样品所激发的光信号光分别经过第一滤光片和第二滤光片滤光后进行两路探测，通过对两路探测信号的比较分析，进而实现对包括粉末和单晶样品二阶非线性光学效应的定性和定量测试。该双通道二阶非线性光学测试系统结构简单、轻巧实用、操作方便，具有波段使用范围宽、响应灵敏度高等优点，能够有效实现对样品材料二阶非线性光学效应的定性和定量测试，具有广泛的应用前景和使用价值。

Description

一种双通道二阶非线性光学测试系统
技术领域
本发明涉及一种光学测试系统的研制，属于光谱仪器技术领域。
背景技术
非线性光学(nonlinear optics，简称NLO)，是现代光学的重要分支，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，这些与非线性有关的光学效应称为非线性光学效应。在激光器问世后，非线性光学效应展现出许多新奇的物理现象，在现代高科技领域，如光通讯、光计算机、激光雷达、卫星测距、激光精密加工、激光化学、激光医学等领域有着广泛和深远的应用。
研究及寻找新的高性能的非线性光学材料已成为目前非线性光学领域的研究热点。二阶非线性光学效应(又称倍频效应)，是一种重要的非线性光学效应，通过测试非线性光学材料的倍频性能可以判断其非线性系数的大小。为了探讨非线性光学材料应用的可能性，急需评估它们的二阶非线性光学倍频性能的优劣，以便进一步开展相关应用研究。
目前，二阶非线性光学效应测试装置仍未见有成熟的商业整机产品，国内外的研究人员普遍的做法是利用1.06μm调Q激光激发样品，直接通过单个探测器对样品产生的各种光信号进行检测。在检测过程中，先是利用1.06μm调Q激光激发标准样品，然后用同样强度的激光激发待测样品，将这两种样品产生的光信号进行比较，分析是否产生532nm的倍频绿光并对绿光特性进行识别，进而判定待测样品是否具有倍频效应以及倍频能力的强弱。这种使用单个探测器的检测方法存在以下问题和不足：(1)每次对待测样品检测的同时，都需要对一种或两种以上的标准样品进行检测比较，检测过程繁琐而且难以保证每次检测的复现性；(2)倍频光与非倍频光难以识别。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激光和其它光学效应如荧光、光解、光化学反应等非倍频光。单个探测器接收的是倍频光和非倍频光，因此在检测过程很难对倍频光和其它光效应特别是荧光进行严格的区分和识别，导致检测结果不可靠；(3)对一些二阶非线性光学效应较弱的待测样品，其产生的很弱的倍频光信号与其它非倍频光乃至背景光混在一起而难以分开检测，因而无法标定这种待测样品的非线性光学特性。有的研究人员通过引入光谱仪把激光激发样品产生的倍频光以及其它光效应产生的非倍频光分开，然后采用CCD探测器接收信号来实现对红外变频材料二阶非线性光学效应的分析。然而这种设计方案由于采用光谱仪并结合CCD探测器检测倍频信号，导致体积庞大、结构复杂，难以移动；同时成本造价昂贵，一整套系统搭建下来需耗资100万元左右，难以实现商业化和普及化。
因此，开发出一套结构简单、轻巧实用、操作方便、高灵敏度且能对不同性质的光信号进行有效检测和识别的二阶非线性光学测试系统，对非线性光学材料的研究具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是开发出一套轻巧实用、操作方便、高灵敏度且能对材料的倍频光和非倍频光两种不同性质的光信号进行有效检测和识别的新型的双通道二阶非线性光学测试系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
1.一种双通道二阶非线性光学测试系统，包括激光光源(1)、透光片(2)、样品架(3)、聚焦透镜(4)、分光镜(5)、第一滤光片(6)、第一光电倍增管(7)、第二滤光片(8)、第二光电倍增管(9)、信号接收分析仪(10)、避光盒(13)，其特征在于：该系统的透光片(2)，样品架(3)，聚焦透镜(4)、分光镜(5)依次放置在激光光源(1)的光路上；第一滤光片(6)和第一光电倍增管(7)置于分光镜(5)的透射光路上，而第二滤光片(8)和第二光电倍增管(9)置于分光镜(5)的反射光路上；避光盒(13)为一密闭的暗盒，仅有由透光片(2)透射激光进入的一个窗口。
2.如项1所述的双通道二阶非线性光学测试系统，其特征在于：该系统的分光镜(5)以45°放置，且镀有45°入射时对倍频光半透半反的介质膜，能将倍频光分别半透半反给第一光电倍增管(7)和第二光电倍增管(9)。
3.如项1所述的双通道二阶非线性光学测试系统，其特征在于：该系统的样品架(3)置于聚焦透镜(4)的前焦点处，而第一光电倍增管(7)和第二光电倍增管(9)的光子接收面分别置于聚焦透镜(4)的经分光镜(5)反射和透射后的焦点处。
4.如项1所述的双通道二阶非线性光学测试系统，其特征在于：该系统的透光片(2)为透射激光光源(1)所发射激光的窄带滤光片，第一滤光片(6)镀制能反射激光光源(1)所发射激光的高反介质膜，第二滤光片(8)为透射倍频光的窄带滤光片；透光片(2)、第一滤光片(6)、第二滤光片(8)也可以选用能实现上述功能的其它相关材料。
5.如项1所述的双通道二阶非线性光学测试系统，其特征在于：该系统的信号接收分析仪(10)连接避光盒(13)里的第一光电倍增管(7)和第二光电倍增管(9)，为双通道示波器或者数据采集卡连接计算机的数据接收分析装置，用于接收并显示第一光电倍增管(7)和第二光电倍增管(9)输出的信号。
该双通道二阶非线性光学测试系统的避光盒(13)为一密闭的暗盒，仅有由透光片(2)透射激光进入的一个窗口，能有效避免环境光对样品测试的影响。样品测试室(11)和信号接收室(12)两个暗室隔开，样品测试室(11)里待测样品激发的各种光信号仅能通过聚焦透镜(4)聚焦进入到信号接收室(12)，有效减少了样品测试室(11)里其他背景光对信号接收室(12)里的光电倍增管接收信号的干扰。
在材料的二阶非线性光学检测过程中，需要对激光激发样品所产生的倍频光和其它光效应产生的非倍频光进行严格的区分和识别，才能判断待测样品是否具有倍频效应以及倍频能力的强弱。通常如果非倍频光太强，则所测样品非线性光学性能差，很难具有实际应用价值。如果是只有倍频光或者是倍频光相对非倍频光较强，则所测样品非线性光学性能较好，具有潜在的应用价值。因而根据激光激发样品所产生的光信号中包含倍频光和非倍频光的强弱以及相对强弱关系，我们创新性地提出双通道二阶非线性光学测试系统的新设计方案。
激光激发样品所产生的光信号经45°分光镜(5)半透半反后，由于第一滤光片(6)镀制能反射激光光源(1)所发射激光的高反介质膜，对其他波长则透过，因此透过第一滤光片(6)被第一光电倍增管(7)接收的光信号就包含了所有的倍频光和非倍频光；而由于第二滤光片(8)为透射倍频光的窄带滤光片，则透过第二滤光片(8)被第二光电倍增管(9)接收的光信号就仅仅只有倍频光。第一、第二光电倍增管将接收的光信号进行放大倍增后输出给信号接收分析仪(10)如双通道示波器，通过分析两路信号的强弱差异可判别待测样品是否具有倍频效应以及倍频能力的强弱。如第一路信号明显强于第二路信号，则说明样品所激发的光信号中非倍频光很强，样品材料的非线性光学性能很差；如果第一路信号几乎与第二路信号强弱一样，则说明样品所激发的光信号中非倍频光很弱，样品材料具有一定的非线性光学性能，此时如果第一、第二路信号越强则说明样品材料的倍频能力越强，非线性光学性能越好。从而通过分析两路信号的强弱差异，该双通道二阶非线性光学测试系统实现了样品材料的二阶非线性光学效应的定性分析。通过一次样品测试，该双通道二阶非线性光学测试系统就准确判别了样品是否具有倍频效应以及倍频能力的强弱。如果用石英、磷酸二氢钾(KDP)、磷酸二氢铵(ADP)、磷酸二氘钾(KD*P)、铌酸锂(LiNbO3)等已知材料为标准物，通过测试未知样品倍频光的强度，与标准物在相同条件下的倍频光强度进行比较，即可获得所测未知样品的倍频系数的大小，实现定量测试分析。
该双通道二阶非线性光学测试系统用于材料的二阶非线性光学测试，可以用于粉末和单晶体形态的样品材料测试。在测试过程中，样品放于样品架(3)上。样品架(3)是一个六维精细调整架。对于单晶样品的测试，可以通过调节样品架(3)的高低和角度实现单晶样品的相位匹配。若单晶样品产生的倍频光较强，则可在样品架(3)上放置衰减片，以防止较强的倍频光对光电倍增管的损害。对于粉末样品的测试，如果倍频光信号较弱，由于该系统的样品架(3)置于聚焦透镜(4)的前焦点处，而第一光电倍增管(7)和第二光电倍增管(9)的光子接收面分别置于聚焦透镜(4)的经分光镜(5)反射和透射后的焦点处，因此聚焦透镜(4)能将粉末样品发散的倍频信号光最大限度地聚焦到第一光电倍增管(7)和第二光电倍增管(9)的光子接收面上，而光电倍增管是一种能将微弱的光信号经过9～12个倍增极的放大转换成可测电信号的光电转换器件，因此粉末样品即使是只产生较弱的倍频光信号，但由于聚焦透镜的聚焦和光电倍增管的多级放大作用，较弱的倍频光信号也能经光电倍增管放大转换成可测的电信号输出给信号接收分析仪，从而实现了有效、准确判别粉末样品的倍频性能。
该双通道二阶非线性光学测试系统的激光光源为脉冲激光。该系统还可调节激光光源的能量强弱、结合样品架上是否选择放置衰减片以及调节第一、第二光电倍增管的倍增电压值的大小，从而使待测样品所激发的光信号分两路以较好的脉冲波形输出并显示在信号接收分析仪上。
此外，使用不同波长的激光光源，对透光片、分光镜、第一滤光片、第二滤光片镀制相应功能的介质膜，选用对样品所激发倍频光信号相应灵敏的第一、第二光电倍增管可以实现样品不同波长非线性光学性能的测试。
综上所述，该双通道二阶非线性光学测试系统结构简单、轻巧实用、操作方便，具有波段使用范围宽、响应灵敏度高等优点，能够有效实现对样品材料二阶非线性光学效应的定性和定量测试，具有广泛的应用前景和使用价值。
附图说明
附图1，为双通道二阶非线性光学测试系统示意图：1，激光光源；2，透光片；3，样品架；4，聚焦透镜；5，分光镜；6，第一滤光片；7，第一光电倍增管；8，第二滤光片；9，第二光电倍增管；10，信号接收分析仪；11，样品测试室；12，信号接收室；13，避光盒。
具体实施方式
实施例1：该双通道二阶非线性光学测试系统用作1微米波段的二阶非线性光学测试时，则附图中，激光光源(1)为1微米波段的脉冲激光，如1064nm调Q脉冲激光；透光片(2)为透射1微米波段的窄带滤光片，或者选用红外滤光片替代；样品架(3)放置于聚焦透镜(4)的前焦点处，而第一光电倍增管(7)和第二光电倍增管(9)的光子接收面分别置于聚焦透镜(4)的经分光镜(5)反射和透射后的焦点处；第一滤光片(6)镀制能反射1微米波段的高反介质膜(反射率R＞99.9％)，对其他波长则透过，或者选用隔热玻璃替代；第二滤光片(8)为倍频光532nm的窄带滤光片(反射率R＜50％)；分光镜(5)镀有500nm波段45°半透半反的介质膜；第一光电倍增管(7)和第二光电倍增管(9)均选用对500nm波段光信号较为灵敏的光电倍增管；避光盒(13)为一密闭的暗盒，由样品测试室(11)和信号接收室(12)两个暗室组成；样品架(3)置于样品测试室(11)中，分光镜(5)、第一滤光片(6)、第一光电倍增管(7)、第二滤光片(8)、第二光电倍增管(9)均置于信号接收室(12)中；信号接收分析仪(10)通过数据线连接避光盒(13)里的第一光电倍增管(7)和第二光电倍增管(9)，为双通道示波器或者数据采集卡连接计算机的数据接收分析装置，用于接收并显示第一光电倍增管(7)和第二光电倍增管(9)输出的信号。
实施例2：该双通道二阶非线性光学测试系统用作2微米波段的二阶非线性光学测试时，则附图中，激光光源(1)为2微米波段的脉冲激光，如1997nm调Q脉冲激光；透光片(2)为透射2微米波段的窄带滤光片；样品架(3)放置于聚焦透镜(4)的前焦点处，而第一光电倍增管(7)和第二光电倍增管(9)的光子接收面分别置于聚焦透镜(4)的经分光镜(5)反射和透射后的焦点处；第一滤光片(6)镀制能反射2微米波段的高反介质膜(反射率R＞99.9％)，对其他波长则透过；第二滤光片(8)为倍频光1000nm的窄带滤光片(反射率R＜50％)；分光镜(5)镀有1000nm波段45°半透半反的介质膜；第一光电倍增管(7)和第二光电倍增管(9)均选用对1000nm波段光信号较为灵敏的光电倍增管；避光盒(13)为一密闭的暗盒，由样品测试室(11)和信号接收室(12)两个暗室组成；样品架(3)置于样品测试室(11)中，分光镜(5)、第一滤光片(6)、第一光电倍增管(7)、第二滤光片(8)、第二光电倍增管(9)均置于信号接收室(12)中；信号接收分析仪(10)通过数据线连接避光盒(13)里的第一光电倍增管(7)和第二光电倍增管(9)，为双通道示波器或者数据采集卡连接计算机的数据接收分析装置，用于接收并显示第一光电倍增管(7)和第二光电倍增管(9)输出的信号。

Claims (5)

1.一种双通道二阶非线性光学测试系统，包括激光光源(1)、透光片(2)、样品架(3)、聚焦透镜(4)、分光镜(5)、第一滤光片(6)、第一光电倍增管(7)、第二滤光片(8)、第二光电倍增管(9)、信号接收分析仪(10)、避光盒(13)，其特征在于：该系统的透光片(2)，样品架(3)，聚焦透镜(4)、分光镜(5)依次放置在激光光源(1)的光路上；第一滤光片(6)和第一光电倍增管(7)置于分光镜(5)的透射光路上，而第二滤光片(8)和第二光电倍增管(9)置于分光镜(5)的反射光路上；避光盒(13)为一密闭的暗盒，仅有由透光片(2)透射激光进入的一个窗口。
2.如权利要求1所述的双通道二阶非线性光学测试系统，其特征在于：该系统的分光镜(5)以45°放置，且镀有45°入射时对倍频光半透半反的介质膜，能将倍频光分别半透半反给第一光电倍增管(7)和第二光电倍增管(9)。
3.如权利要求1所述的双通道二阶非线性光学测试系统，其特征在于：该系统的样品架(3)置于聚焦透镜(4)的前焦点处，而第一光电倍增管(7)和第二光电倍增管(9)的光子接收面分别置于聚焦透镜(4)的经分光镜(5)反射和透射后的焦点处。
4.如权利要求1所述的双通道二阶非线性光学测试系统，其特征在于：该系统的透光片(2)为透射激光光源(1)所发射激光的窄带滤光片，第一滤光片(6)镀制能反射激光光源(1)所发射激光的高反介质膜，第二滤光片(8)为透射倍频光的窄带滤光片；透光片(2)、第一滤光片(6)、第二滤光片(8)也可以选用能实现上述功能的其它相关材料。
5.如权利要求1所述的双通道二阶非线性光学测试系统，其特征在于：该系统的信号接收分析仪(10)连接避光盒(13)里的第一光电倍增管(7)和第二光电倍增管(9)，为双通道示波器或者数据采集卡连接计算机的数据接收分析装置，用于接收并显示第一光电倍增管(7)和第二光电倍增管(9)输出的信号。
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