CN102621069A - 高灵敏度测量材料光学非线性的4f相位成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度测量材料光学非线性的4f相位成像方法，属于非线性光子学材料和非线性光学信息处理领域。包括如下步骤：将一束激光经扩束准直入射到PO挡板、4f系统以及环形衰减片，出射光斑成像于CCD；通过PO挡板的一部分光束经半透半反镜反射后，经反射镜、凸透镜、反射镜和半透半反镜成像于CCD；经过凸透镜的光束聚焦到待测样品上，使样品产生光学非线性；PO挡板与CCD图像传感器分别位于4f系统的物、像平面，环形衰减片紧靠CCD图像传感器放置；在PO挡板中心产生π/2相位差同时，将中心PO区域光强线性衰减，而环形衰减片对剩余环形部分光斑进行同比例衰减。本发明实现了背景光与信号光不同比例衰减，大大提高了测量灵敏度。

Description

高灵敏度测量材料光学非线性的4f相位成像方法

技术领域

本发明所涉及的是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 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。但在非线性相移较小情况下，由于CCD图像噪声起伏和干涉条纹调制，较小的灰度差很难准确测量，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测量材料光学非线性的4f相位成像方法，与传统4f系统相比，具有更高非线性折射率测量灵敏度。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

高灵敏度测量材料光学非线性的4f相位成像方法，包括如下步骤：将一束激光经扩束透镜、准直透镜进行扩束准直，入射经过PO挡板、由第一凸透镜和第二凸透镜组成的4f系统以及环形衰减片，出射光斑成像于CCD图像传感器；通过PO挡板的一部分光束经第一半透半反镜反射后，经第一反射镜、第三凸透镜、第二反射镜和第二半透半反镜成像于所述CCD图像传感器，形成监测光斑；待测样品位于第一凸透镜的焦平面上，经过第一凸透镜的光束聚焦到待测样品上，使待测样品产生光学非线性；其中，所述PO挡板与CCD图像传感器分别位于所述4f系统的物、像平面，所述环形衰减片紧靠CCD图像传感器放置；所述PO挡板中心产生π/2相位差同时，将中心PO区域光强线性衰减，而位于4f系统像平面上的环形衰减片对剩余环形部分光斑进行同比例衰减；具体测量步骤为：(1)调节PO挡板与环形衰减片共轴，用CCD图像传感器记录在无样品时PO挡板数字图像；(2)将样品放置在远离第一凸透镜焦平面的位置，这时样品表面光强不足以激发光学非线性，记录PO挡板数字图像；(3)将样品移至第一凸透镜焦平面位置，样品产生非线性相移，记录PO挡板数字图像；(4)对步骤(1)、(2)和(3)中获得的数字图像进行处理，获得所需检测样品的光学线性吸收、非线性吸收和非线性折射系数。

上述技术方案中，所述步骤(4)中的处理包括：计算步骤(2)、(1)获得PO挡板图像灰度求和，并计算步骤(2)、(1)中灰度和的比值，得到样品线性吸收率；计算步骤(3)、(2)获得PO挡板图像灰度求和，并计算步骤(3)、(2)中灰度和的比值，得到样品非线性吸收率；对步骤(3)得到图像进行归一化处理，对归一化的非线性调制PO挡板图像进行理论拟合得到非线性折射系数。

上述技术方案中，为方便光路调节，环形衰减片环形内径略小于PO挡板PO外径，环形衰减片外径略大于PO挡板外径，PO挡板PO内线性衰减系数与环形衰减片线性衰减系数相同。

上述技术方案中，系统灵敏度提高倍数正比于PO挡板光强线性衰减倍数的两次方根。

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，因此整个PO挡板像灰度之和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，因此步骤(3)与步骤(2)PO挡板灰度和之比和非线性吸收相关。另一方面，传统4f相位相干成像技术中，中心PO区域光强在焦点形成峰值光强远小于PO区域外环形区域光强在焦平面上形成峰值，材料非线性主要由外围环形区域光束激发，中心PO区域相当于直透光，将其相位改变π/2，物平面上该区域改变相位的直透光与受非线性调制进入该区域光束产生干涉，其灰度值变化正比于调制光相位变化量；如果改变中心PO直透光相位同时，将该束光强线性衰减至原光强1/N，则根据干涉公式，干涉项强度正比于两干涉光电场强度，像平面上该区域光束干涉光光强衰减为原来的

这样就实现了背景光与信号光的不同比例衰减，最后通过环形衰减片对PO以外背景光同比例衰减，就实现了背景光衰减量较大，而信号光衰减较少，大大提高了测量系统信噪比，从而提高了测量灵敏度。

本发明方法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、本发明在入射面与接收面分别对中心PO区域与外部环形区域进行光强同比例衰减，实现了背景光与信号光不同比例衰减，大大提高了测量灵敏度。

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、采用本发明测量灵敏度可以根据PO挡板线性衰减倍数进行调节；

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。

附图说明

图1是本发明高灵敏度测量材料光学非线性的4f相位成像方法的工作原理图。

图2是本发明高灵敏度测量材料光学非线性的4f相位成像方法的实验装置图。其中：1、入射激光束；2、扩束凸透镜；3、准直凸透镜；4、PO挡板；5、半透半反镜；6、反射镜；7、凸透镜；8、凸透镜；9、样品；10、凸透镜；11、半透半反镜；12、反射镜；13、环形衰减片；14、CCD探测器。

图3是本发明实施例中PO挡板示意图。

图4是本发明实施例中的环形衰减片示意图。

图5为本发明实施例中采用PO挡板仿真径向光强分布图。

图6为本发明实施例中采用常规4f光路仿真径向光强分布图。

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：

参见附图1所示，一种高灵敏度测量材料光学非线性的4f相位成像方法，光路由分束器、凸透镜、PO挡板、环形衰减片、CCD探测器等组成；脉冲激光聚焦于待测样品上。

图2是高灵敏度测量材料光学非线性的4f相位成像方法的实验装置图。实验装置可以分为扩束系统、测量系统和参考系统三部分。扩束系统是由扩束凸透镜2与准直凸透镜3组成；测量系统由PO挡板4、凸透镜7、凸透镜10、环形衰减片13、CCD探测器14组成；参考系统由半透半反镜5、反射镜6、凸透镜8、反射镜12、半透半反镜11组成。其中，待测样品9放置在凸透镜7焦平面上，凸透镜7、凸透镜10组成4f系统，PO挡板4与CCD探测器14分别位于4f系统物、像平面，环形衰减片13紧贴CCD接收表面。

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PO挡板4，扩束光斑直径较PO挡板4外径R_a大得多，可以将入射光视为平顶光，光束经半透半反5镜分束，分为两路，直射光经凸透镜7聚焦于样品9，激发样品产生非线性，使得入射的脉冲激光光强和相位发生变化，经过凸透镜10和环形衰减片13，最终成像于CCD靶面。通过半透半反镜5分束的另一束光束，经过反射镜6，凸透镜8，反射镜12，半透半反镜11成像于靶面，形成参考光斑，用于监测激光脉冲时间，空间不均匀性。

图3是实施例中PO挡板示意图；光阑半径为R_a，其中中心PO部分半径R_i，与周边环形区域相比，其线性透过率为百分之一，且产生π/2相移。

图4是实施例中的环形衰减片13示意图；其中心透过率为1，环形区域线性透过率为百分之一。

在本实施例中，选用波长为532nm激光，脉宽21ps，样品厚度1mm，待测样品选用二硫化碳(CS₂)，其非线性折射系数n₂＝3.2×10^-18m²/W。对常规4f与PO挡板4f归一化径向光强分布进行比较。

对于CS₂非线性算例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。

PO挡板4透过率为：

$t\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}{0.01e}^{i\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}}& r<R_i\\ 1& R_i\&le;r\&le;\mathrm{Ra}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，R_i为中心PO的半径，R_a为透光区域外径。

PO挡板4后的场强分布为：

E₀₁(r，t)＝E(r，t)t(r)    (3)传播到样品表面的光场可通过傅里叶变换公式得到，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

$\frac{\&PartialD;I}{\&PartialD;z^{\&prime;}}=-({\mathrm{\&alpha;}}_0+\mathrm{\&beta;I})I$

$\frac{\mathrm{d\&Delta;\&phi;}}{d{z}^{\&prime;}}=k{n}_{2}I---\left(4\right)$

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：

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

从样品9的后表面传播到环形衰减片的光场可逆傅里叶变换得到，设为E₀₄。环形衰减片13透过率函数可表述为：

$t_1\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& r<R_i\\ 0.01& R_i\&le;r\&le;\mathrm{Ra}\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中R_i为中心透光区域外径，R_a为环形衰减部分外径。

CCD靶面上光强可表述为：

I(r，t)＝|E₀₄t₁(r)|²    (7)在本实施例中，入射能量为0.1μJ，PO挡板中心PO区域半径R_i＝0.6mm，环形区域外径R_a＝3mm，凸透镜7、凸透镜10焦距为412mm。图5为采用PO挡板光路仿真径向光强分布，图6为采用常规PO，4f测量系统仿真径向光强分布，可以看出中心非线性变化与外围线性光斑对比度大大提高。

本发明的方法与原有4f相位相干成像系统不同之处在于，在入射平面放置圆形光阑中心实现PO功能同时，对该区域入射光光强实现线性衰减，在4f系统接收平面，利用与入射面匹配环形衰减片对中心以外区域光强进行同比例衰减。当入射面PO光阑PO占整个光阑比例较小时，频谱面上光强极值主要由PO外环形区域贡献，PO部分透射光线可视为直透光，该部分光线在像平面形成中心区域线性光斑，即背景光。环形区域部分光束受材料非线性调制，部分光束进入中心区域与PO直透光干涉，其强度正比于直透光电场强度与非线性相移，该部分光强叠加于中心线性光斑之上，对中心区域灰度值产生调制，成为信号光。因此，背景光正比于PO入射光光强，而信号光正比于PO入射光电场强度，对该区域光强衰减，对频谱面上材料非线性调制影响不大，但却实现了背景光与信号光的不同比例衰减，从而提高了系统测量灵敏度。

Claims (4)

1.高灵敏度测量材料光学非线性的4f相位成像方法，包括如下步骤：将一束激光经扩束透镜(2)、准直透镜(3)进行扩束准直，入射经过PO挡板(4)、由第一凸透镜(7)和第二凸透镜(10)组成的4f系统以及环形衰减片(13)，出射光斑成像于CCD图像传感器(14)；通过PO挡板(4)的一部分光束经第一半透半反镜(5)反射后，经第一反射镜(6)、第三凸透镜(8)、第二反射镜(12)和第二半透半反镜(11)成像于所述CCD图像传感器(14)，形成监测光斑；待测样品(9)位于第一凸透镜(7)的焦平面上，经过第一凸透镜(7)的光束聚焦到待测样品(9)上，使待测样品(9)产生光学非线性，其特征在于：所述PO挡板(4)与CCD图像传感器(14)分别位于所述4f系统的物、像平面，所述环形衰减片(13)紧靠CCD图像传感器(14)放置；所述PO挡板(4)中心产生π/2相位差同时，将中心PO区域光强线性衰减，而位于4f系统像平面上的环形衰减片(13)对剩余环形部分光斑进行同比例衰减；具体测量步骤为：

(1)调节PO挡板(4)与环形衰减片(13)共轴，用CCD图像传感器(14)记录在无样品(9)时PO挡板(4)数字图像；

(2)将样品(9)放置在远离第一凸透镜(7)焦平面的位置，这时样品(9)表面光强不足以激发光学非线性，记录PO挡板(4)数字图像；

(3)将样品(9)移至第一凸透镜(7)焦平面位置，样品(9)产生非线性相移，记录PO挡板(4)数字图像；

(4)对步骤(1)、(2)和(3)中获得的数字图像进行处理，获得所需检测样品(9)的光学线性吸收、非线性吸收和非线性折射系数。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度测量材料光学非线性的4f相位成像方法，其特征在于：所述步骤(4)中的对数字图像进行处理包括：计算步骤(2)、(1)获得PO挡板图像灰度求和，并计算步骤(2)、(1)中灰度和的比值，得到样品线性吸收率；计算步骤(3)、(2)获得PO挡板图像灰度求和，并计算步骤(3)、(2)中灰度和的比值，得到样品非线性吸收率；对步骤(3)得到图像进行归一化处理，对归一化的非线性调制PO挡板图像进行理论拟合得到非线性折射系数。

3.根据权利要求1或2所述的高灵敏度测量材料光学非线性的4f相位成像方法，其特征在于：为方便光路调节，所述环形衰减片(13)的环形内径略小于PO挡板(4)的外径，环形衰减片(13)的外径略大于PO挡板(4)的外径，PO挡板(4)PO内线性衰减系数与环形衰减片(13)线性衰减系数相同。

4.根据权利要求1或2所述的高灵敏度测量材料光学非线性的4f相位成像方法，其特征在于：测量灵敏度的提高倍数正比于PO挡板光强线性衰减倍数的两次方根。

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