CN102879334B - 一种测量发光材料非线性光学性质的方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及发光材料非线性光学性质的测量方法。按照国际专利分类表（IPC）划分属于物理部，仪器分部，测量；测试类，借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料组中的便于进行光学测试的装置或仪器领域（G01N21/01）。本发明主要针对现有Z扫描技术无法测量发光材料非线性光学性质的不足，通过在测试装置中引入光学滤波技术来消除发光材料的荧光发射对Z扫描测试产生的影响。提出一种改进的可以针对发光材料同时进行非线性光学吸收效应及非线性折射效应测试的方法。

Description

一种测量发光材料非线性光学性质的方法

技术领域

本发明专利涉及发光材料非线性光学性质的测量方法。按照国际专利分类表（IPC）划分属于物理部，仪器分部，测量；测试类，借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料组中的便于进行光学测试的装置或仪器领域（G01N21/01）。

背景技术

材料的非线性光学性质主要包括其非线性光学吸收效应及非线性折射效应。有关材料的非线性光学吸收效应的研究已经在光限幅（激光防护）、激光锁模等领域中获得了大量的实际应用。材料的非线性折射效应也已经在光纤通信、光学加工等方面获得了应用。尤其是以激光染料及量子点材料为代表的发光材料已被证明在高能效照明、可调谐光源、高灵敏度探测器、生物成像、药理分析及超薄显示等众多领域具有巨大的应用潜力。对发光材料的非线性光学性质的研究是目前材料学及相关各领域的研究热点。

目前能够在一个装置中同时测定材料上述非线性光学吸收效应及非线性折射效应的实验技术只有Z扫描技术。在Z扫描技术中，开口Z扫描技术通过测试不同入射光强下材料透过率变化来测定其非线性光学吸收效应；闭口Z扫描技术通过测试不同光强下通过探测器前小孔的光强来测定其非线性光学折射效应。这样，可以实现在一个装置中同时测定材料非线性光学吸收效应及非线性折射效应。由于其光路相对比较简单，Z扫描技术已经在工业生产及科学研究等众多领域中获得了较为广泛的应用。

但对于具有高发光性能的材料，如激光染料及量子点材料等，由于在测试激光的照射下待测材料会发射较强的荧光，而通常用于Z扫描技术的探测器为光伏型探测器，只对接收到的光强产生响应，并不具备频谱分辨能力。这使得通过测量探测器接收到的光强变化的途径来研究材料非线性光学性能的技术手段难以实现。而若将用于Z扫描技术的探测器升级为具有光谱分辨能力的探测器如光谱仪等，则使得整套Z扫描测试系统的成本大幅增加，不利于该技术在科研及生产等方面的广泛使用。上述技术原因造成了目前Z扫描技术不能够用来对上述发光材料进行相关测试的现实技术困难。本发明主要针对现有Z扫描技术无法测量发光材料非线性光学性质的不足，提出一种改进的可以针对发光材料同时进行非线性光学吸收效应及非线性折射效应测试的方法。

发明内容

为消除发光材料在在测试激光的照射下发射的荧光，本发明通过在测试装置中引入光学滤波的技术来弥补消除Z扫描技术探测器不具备频谱分辨能力的不足。并在接收装置中利用镀膜光学分束片来实现在一套装置中同时测定发光材料的非线性光学吸收效应及非线性折射效应的目的。为进一步提高测试信噪比，在探测器前再次采用光学滤波来减小由于发光材料荧光散射对测试结果的影响。由于光学滤波片及镀膜光学分束片成本远远低于具有光谱分辨能力的光谱仪等探测器，光学滤波片及镀膜光学分束片所占空间也明显小于光谱探测器，尤其是上述光学元件操作简便，易于更换，可维护性极强。本发明通过引入光学滤波的手段在不明显增加成本及操作复杂度的前提下使得Z扫描技术可以进一步应用于强发光材料的非线性光学性质测试这一传统测试禁区，有利于扩宽该测试技术在的实际科研及生产等方面的应用。

说明书附图说明如下：

附图1为测量发光材料非线性光学性质的光路示意图。其中的DO、D1及D2为普通的光电探测器，考虑到成本，一般使用光伏型的高灵敏度探测器如光电二极管。D1及D2前放置的F1及F2为窄带光学滤波片；L1及L2为凸透镜，透镜尺寸需大于入射至其前表面处的光斑尺寸，一般情况下L1直径不小于2cm，L2直径不小于5cm。透镜焦距可根据实际测试场地的空间情况灵活设计。一般情况下L1焦距以10-20cm，L2以2-5cm为宜。S为待测发光样品；Z所示的方向为待测样品在测试过程中的扫描方向；A为小孔光阑，最好的选择为可变光阑，光阑通光口径1-10mm连续可调。

附图2为探测器输出信号随入射光强的变化实验曲线，图中A区域对应的入射光强范围即为探测器的线性工作区，B区域对应的入射光强范围为探测器的饱和区。每次测试前均应首先测定系统的该响应曲线，并通过调节入射激光光强使得测试过程中探测器始终工作在图中的A区域。

附图3为利用附图1所示的实验装置测试得到的固体发光材料PM597激光染料的开口Z扫描实验结果。由于该材料的三阶非线性极化率实部很小，在相同实验条件下未测试到其闭口实验结果。

附图4为利用附图1所示的实验装置测试得到的标准测试材料二硫化碳的闭口Z扫描测试结果。该测试结果与相关文献报导的测试结果一致，验证了本测试系统的可靠性。

本发明具体实施方式如下：

1、首先在确定好入射激光方向的情况下在测试光路前与入射激光方向成45度放置一普通玻璃片用来分光，被其反射的入射激光经适当衰减后进入探测器D0中，用以触发探测器系统，如附图1所示。

2、与入射激光方向垂直放置一适当焦距（一般为10-20cm）的凸透镜，注意要保证加入凸透镜前后，通过透镜后部的光路中心位置不变。

3、在凸透镜焦点位置附近安置电控平移台及样品台，平移台移动方向应保证与入射激光方向一致。

4、在距凸透镜焦点后约8cm距离处与入射激光方向成45度放置一镀膜分束片B2，对该分束片镀膜的目的是，针对待测材料发光波长高衰减，以初步减小发光材料的荧光效应对测试结果的影响。

5、沿入射激光方向在分束片B2后约5cm处再放置一窄带滤波片或带通滤波片F1，该滤波片应在入射激光波长处具有高透过率，在待测材料发光波长处透过率极低。

6、紧靠滤波片F1后，在入射激光光束中心放置一小口可变光阑A，光阑通光直径1-4mm可调。

7、紧靠光阑A后放置探测器D1用以接收闭口实验数据。

8、在分束片B2后垂直于入射光方向约2cm处放置另一焦距为2-5cm的凸透镜L2，如附图1所示。

9、在凸透镜L2焦点附近放置与F1相同的另一滤波片F2，紧贴F2后放置探测器D2用以接收开口实验数据。

10、调节两个探测器的增益以保证其工作在线性响应区。如附图2所示为探测器输出信号随入射光强的变化实验曲线，图中A区域即是探测器的线性响应区，B区域由于入射光强过大出现饱和效应。这时可以通过在对应探测器前加适当透过率的中性衰减片来调节光强至线性响应区。

11、将表面经过处理的待测发光材料固定于S处，要注意材料厚度以小于0.5mm为宜，且端面要与入射激光方向垂直。

12、调节合适的入射激光光强后，控制平移台沿Z轴扫描，并记录下不同扫描位置处探测器D1及D2接收到的光强值。

13、根据实验参数，利用有关公式或软件拟合得到三阶非线性极化率实部和虚部的值。

Claims (1)

1.一种测量发光材料非线性光学性质的方法，其特征是它由以下步骤实现：

步骤一、采用普通玻璃将入射激光分成一号透射光和一号反射光，所述一号反射光经衰减后进入一号探测器D0中，用以触发探测器系统；

步骤二、在入射激光方向垂直放置一个焦距为10cm-20cm的一号凸透镜，采用该一号凸透镜将一号透射光聚焦至待发光样品，待发光样品发出光束；

步骤三、在距一号凸透镜焦点后8cm距离处与入射激光方向成45度设置一个镀膜分束片B2，该镀膜分束片B2将发光样品产生的光束分成二号透射光和二号反射光；采用该镀膜分束片B2对待测材料发光波长进行高衰减处理，以初步减小发光材料的荧光效应对测试结果的影响；

步骤四、沿入射激光方向在分束片B2后的5cm处设置一个窄带滤波片或带通滤波片F1，所述窄带滤波片或带通滤波片F1在入射激光波长处具有高透过率，在待测材料发光波长处具有低透过率；采用该窄带滤波片或带通滤波片F1对经镀膜分束片B2进行高衰减处理后的二号透射光进行窄带滤波或带通滤波，并透射至可变光阑A；

步骤五、采用二号探测器D1探测通过可变光阑A处的激光光束的光强，并进行拟合计算，获得发光材料的闭口三阶非线性极率实部和虚部值；完成测量发光材料非线性光学的折射效应的测量；

步骤六、在垂直二号反射光的光路上距离分束片2cm处设置一个焦距为2cm至5cm的二号凸透镜L2，在二号凸透镜L2焦点处设置与窄带滤波片或带通滤波片F1相同的滤波片F2，紧贴F2后放置三号探测器D2；

采用二号凸透镜L2将反射光聚焦至滤波片F2，采用滤波片F2对反射光进行滤波，并采用三号探测器探测滤波后反射光的光强，并进行拟合计算，获得发光材料的闭口三阶非线性极率实部和虚部值；完成发光材料非线性光学的吸收效应的测量；

在二号探测器D1和三号探测器D2前设置中性衰减片来调节光强至线性响应区。