CN102539391A - 单脉冲平顶光测量材料光学非线性的装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单脉冲平顶光测量材料光学非线性的装置，在探测光通过样品后的光路中设置一圆形小孔和一圆形挡板，在一个单脉冲作用下，通过本发明的测量方法测量开孔和远场圆形小孔和圆形挡板组合的非线性透过率，确定材料的非线性吸收和非线性折射系数。本发明装置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

单脉冲平顶光测量材料光学非线性的装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种高灵敏度单脉冲平顶光测量材料光学非线性的装置，属于非线性光子学材料和非线性光学信息处理领域。本发明还涉及上述装置的的测量方法。

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，AliA.Said，Tai-Hui Wei，David J.Hagan，E.W.Van Stryland.“Sensitive measurement of opticalnonlinearities using a single beam”，IEEE J.Quantum Elect，26，760-769(1990))光路简单、灵敏度高，是目前最常用的平顶光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 coherentimaging 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装置。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。但这种装置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，增加了测量装置的成本。PO Z-scan技术(JunyiYang and Yinglin Song，“Direct observation of the transientthermal-lensing effect using the phase-object Z-scan technique”，OpticsLetters，34：157-159(2009))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，这种测量装置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(Junyi Yang，Xueru Zhang，Yuxiao Wang，Min Shui，Changwei Li，Xiao Jin，and Yinglin Song，“Method with a phase object for measurementof optical nonlinearities”，Optics Letters，34：2513-2515(2009))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单脉冲平顶光测量材料光学非线性的装置，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。

为达到上述技术目的，本发明采用的技术方案是：一种单脉冲平顶光测量材料光学非线性的装置，其包括：

-扩束系统，所述扩束系统由第一凸透镜和第二凸透镜组成，所述第一凸透镜、第二凸透镜在水平方向上左右放置；

-测量系统，所述测量系统由小孔、第三凸透镜、第二分束器、第四凸透镜、第二探测器、圆形小孔、圆形挡板、第五凸透镜和第三探测器组成，在水平方向上，在所述第二凸透镜右侧，所述小孔、第三凸透镜、待测样品、圆形小孔、圆形挡板、第五凸透镜和第三探测器从左向右依次放置，在待测样品与圆形小孔之间设置有第二分束器，所述第二分束器的下方依次设置有第四凸透镜和第二探测器；

-参考系统，所述参考系统由第一分束器和第一探测器组成，所述第一分束器设置在小孔和第三凸透镜之间，所述第一探测器设置在第一分束器下方；

待测样品放置在第三凸透镜的焦平面上，从激光器出射的脉冲激光经过扩束系统扩束，扩束后的激光经过小孔后形成平顶光，光束经第一分束器分为两束，一束由第一探测器探测，另一束经第三凸透镜会聚到放置在其焦点的待测样品上，从待测样品透射的脉冲激光经过第二分束器分为两束，一束激光经过第四凸透镜后由第二探测器探测，另一束激光经过圆形小孔和圆形挡板后，经第五凸透镜后由第三探测器探测。

所述圆形小孔和圆形挡板设置在待测样品的远场位置。

所述产生平顶光的小孔和圆形挡板之间的位置符合透镜成像公式。

所述圆形小孔和圆形挡板的大小根据通过待测样品后的远场光束的半径大小进行调节，圆形小孔和圆形挡板组合后的透过率大于0且小于0.1。

上述的一种高灵敏度单脉冲平顶光测量材料光学非线性的装置测量材料非线性的方法，其思路是：将一平顶激光束分为两束，一束为监测光，由第一探测器D₁记录，另一束光为探测光，经凸透镜聚焦到待测样品上，使待测样品产生光学非线性；所述待测样品位于光路中透镜的焦平面上，从激光器出射的脉冲激光被第二分束器分为两束，一束经凸透镜会聚后被第二探测器D₂接收(开孔)，另外一束先通过一个中心和光轴重合的圆孔，再经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D₃(闭孔)。

具体包括以下步骤：

1)在远离第三凸透镜焦点，靠近第三凸透镜的位置放上待测样品，用第一探测器、第二探测器和第三探测器测量脉冲光能量，分别计算出第二探测器与第一探测器所测能量的开孔能量比值、第三探测器所测能量与第一探测器所测能量的闭孔能量比值；

2)在探测光路的第三凸透镜的焦平面位置放上待测样品，用第一探测器、第二探测器和第三探测器测量脉冲光能量，分别计算出第二探测器与第一探测器所测能量的开孔能量比值、第三探测器所测能量与第一探测器所测能量的闭孔能量比值；

3)将步骤2)中的开孔能量比值除以步骤1)中的开孔能量比值，得到样品的开孔归一化非线性透过率；将步骤2)中的闭孔能量比值除以步骤1)中的闭孔能量比值，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进行理论拟合，得出样品的非线性吸收和非线性折射系数。

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。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。由于实验中存在背景噪声，会对测量结果产生比较大的影响，另外由于远场衍射光斑边缘包含了高频和一定低频光。在远场的位置加一大小合适的小孔可以很好的消除背景噪声，并优化了远场挡板处衍射光斑边缘的能量分布，从而使测量灵敏度达到最优化。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。

本发明装置用一种全新的思路实现了对光学非线性的测量，同其他非线性光学测量技术相比，具有以下优点：

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.本发明的测量装置非常方便，理论模型简单，测量灵敏度非常高；

3.采用本发明的装置，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2个数量级；

5.本发明所述的测量装置，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，利用本发明装置，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为本发明装置的工作原理图。

图2为本发明装置中圆形小孔示意图。

图3为本发明装置中的圆形挡板示意图。

具体实施方式

本发明装置的光路由分束器，凸透镜，小孔，挡板，探测器组成；脉冲激光聚焦于待测样品上。

如图1所示，本装置包括：

扩束系统，所述扩束系统由第一凸透镜2和第二凸透镜3组成，所述第一凸透镜2、第二凸透镜3在水平方向上左右放置。

测量系统，所述测量系统由小孔4、第三凸透镜7、第二分束器9、第四凸透镜10、第二探测器11、圆形小孔12、圆形挡板13、第五凸透镜14和第三探测器15组成，在水平方向上，在所述第二凸透镜3右侧，所述小孔4、第三凸透镜7、待测样品8、圆形小孔12、圆形挡板13、第五凸透镜14和第三探测器15从左向右依次放置，在待测样品8与圆形小孔12之间设置有第二分束器9，所述第二分束器9的下方依次设置有第四凸透镜10和第二探测器11。

参考系统，所述参考系统由第一分束器5和第一探测器6组成，所述第一分束器5设置在小孔4和第三凸透镜7之间，所述第一探测器6设置在第一分束器5下方。

待测样品8放置在第三凸透镜7的焦平面上，从激光器出射的脉冲激光1经过扩束系统扩束，扩束后的激光经过小孔4后形成平顶光，光束经第一分束器5分为两束，一束由第一探测器6探测，另一束经第三凸透镜7会聚到放置在其焦点的待测样品8上，从待测样品8透射的脉冲激光经过第二分束器9分为两束，一束激光经过第四凸透镜10后由第二探测器11探测，另一束激光经过圆形小孔12和圆形挡板13后，经第五凸透镜14后由第三探测器15探测。

图2为圆形小孔12的示意图。图3为圆形挡板13的示意图，圆形挡板13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)将待测样品8放在靠近第三凸透镜7的位置，利用第二探测器11测量通过第四凸透镜10会聚后的光束能量，利用第三探测器15测量通过圆形小孔12和圆形挡板13由第五凸透镜14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15所测得的能量除以第一探测器6测得的能量，得到一个通过圆形挡板13的闭孔能量比值。

(2)将待测样品8放在第三凸透镜7的焦平面的位置，利用第二探测器11测量通过第四凸透镜10会聚后的光束能量，利用第三探测器15测量通过圆形小孔12和圆形挡板13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15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闭孔能量比值。

(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：

$E(r,t)=E_0\exp [-\frac{r^2}{{{\mathrm{\ω}}_e}^2}]\exp [-\frac{t^2}{{2\mathrm{\τ}}^2}]---\left(1\right)$

式中，E₀为脉冲激光的最大场强值，r为光束的半径，ω_e为入射光束的束腰半径，τ为脉冲光1/e半宽的时间。

小孔的透过率为：

t(r)＝1(r≤R_a)或t(r)＝0(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：

E₀₁(r，t)＝E(r，t)t(r)              (3)

传播到待测样品8表面的光场可通过两次菲涅尔衍射公式得到，设为E₀₂，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：

$\frac{\∂I}{{\∂z}^{\′}}=-({\mathrm{\α}}_0+\mathrm{\βI})I$ (4)

$\frac{\mathrm{d\Δ\φ}}{{\mathrm{dz}}^{\′}}={\mathrm{kn}}_{2}I$

式中，n₂为样品的非线性折射系数，α₀为样品的线性吸收率，β为样品的非线性吸收系数，I＝|E₀₂|²(z′＝0处)为作用在样品上的光强。z′激光在样品中传播的光程。

则样品后表面的光场为：

$E_{03}=(r_1,t)=E_{02}{(r_1,t)e}^{{-\mathrm{\α}}_{0}L/2}{(1-q)}^{({\mathrm{ikn}}_2/\mathrm{\β}-1/2)}---\left(5\right)$

不考虑样品非线性时，则样品后表面的光场为：

E′₀₃＝E₀₂           (6)

从待测样品8的后表面传播到圆形小孔12以及圆形挡板13的光场可通过两次菲涅尔衍射公式得到，设为E₀₄。若不考虑样品非线性，即为线性透过，则为E′₀₄。

对圆形挡板13处的光强进行空间和时间的积分，可得到通过圆形挡板13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，就得到通过圆形小孔12和圆形挡板13组合的归一化非线性透过率：

$T=\frac{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_{r_d}^{+\∞}{2\mathrm{\πr}}_2{\left|E_{04}\right|}^2{\mathrm{dr}}_2\mathrm{dt}}{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_{r_d}^{+\∞}{2\mathrm{\πr}}_2{\left|{E^{\′}}_{04}\right|}^2{\mathrm{dr}}_2\mathrm{dt}}---\left(9\right)$

如果圆形挡板13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。

在本实施例中，入射能量为0.09μJ，产生平顶光的小孔4半径为3.2mm，透镜的焦距为412mm，远场圆形小孔2的半径为8mm，其到焦点的距离为0.65m，圆形挡板13到圆形小孔12的距离为0.45m，挡板的半径为1.2cm。实验测得开孔的归一化非线性透过率接近于1，说明这个样品的非线性吸收非常弱，可以忽略不计。圆形挡板13归一化的非线性透过率为19。改变样品非线性折射系数n₂，使得理论计算的圆形挡板13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n₂＝3.5×10^-18m²/W，和利用Z-scan所得的n₂＝3.2×10^-18m²/W非常接近。

上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种单脉冲平顶光测量材料光学非线性的装置，其特征在于包括：

-扩束系统，所述扩束系统由第一凸透镜和第二凸透镜组成，所述第一凸透镜、第二凸透镜在水平方向上左右放置；

-测量系统，所述测量系统由小孔、第三凸透镜、第二分束器、第四凸透镜、第二探测器、圆形小孔、圆形挡板、第五凸透镜和第三探测器组成，在水平方向上，在所述第二凸透镜右侧，所述小孔、第三凸透镜、待测样品、圆形小孔、圆形挡板、第五凸透镜和第三探测器从左向右依次放置，在待测样品与圆形小孔之间设置有第二分束器，所述第二分束器的下方依次设置有第四凸透镜和第二探测器；

-参考系统，所述参考系统由第一分束器和第一探测器组成，所述第一分束器设置在小孔和第三凸透镜之间，所述第一探测器设置在第一分束器下方；

待测样品放置在第三凸透镜的焦平面上，从激光器出射的脉冲激光经过扩束系统扩束，扩束后的激光经过小孔后形成平顶光，光束经第一分束器分为两束，一束由第一探测器探测，另一束经第三凸透镜会聚到放置在其焦点的待测样品上，从待测样品透射的脉冲激光经过第二分束器分为两束，一束激光经过第四凸透镜后由第二探测器探测，另一束激光经过圆形小孔和圆形挡板后，经第五凸透镜后由第三探测器探测。

2.根据权利要求1所述的单脉冲平顶光测量材料光学非线性的装置，其特征在于：所述圆形小孔和圆形挡板设置在待测样品的远场位置。

3.根据权利要求1所述的单脉冲平顶光测量材料光学非线性的装置，其特征在于：所述产生平顶光的小孔和圆形挡板之间的位置符合透镜成像公式。

4.根据权利要求1所述的单脉冲平顶光测量材料光学非线性的装置，其特征在于：所述圆形小孔和圆形挡板的大小根据通过待测样品后的远场光束的半径大小进行调节，圆形小孔和圆形挡板组合后的透过率大于0且小于0.1。

5.根据权利要求1-4任一项所述的单脉冲平顶光测量材料光学非线性的装置测量材料非线性的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在远离第三凸透镜焦点，靠近第三凸透镜的位置放上待测样品，用第一探测器、第二探测器和第三探测器测量脉冲光能量，分别计算出第二探测器与第一探测器所测能量的开孔能量比值、第三探测器所测能量与第一探测器所测能量的闭孔能量比值；

2)在探测光路的第三凸透镜的焦平面位置放上待测样品，用第一探测器、第二探测器和第三探测器测量脉冲光能量，分别计算出第二探测器与第一探测器所测能量的开孔能量比值、第三探测器所测能量与第一探测器所测能量的闭孔能量比值；

3)将步骤2)中的开孔能量比值除以步骤1)中的开孔能量比值，得到样品的开孔归一化非线性透过率；将步骤2)中的闭孔能量比值除以步骤1)中的闭孔能量比值，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进行理论拟合，得出样品的非线性吸收和非线性折射系数。

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