CN104897612A - 一种利用变化的小孔测量材料光学非线性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用变化的小孔测量材料光学非线性的方法，在探测光通过样品后的光路中设置一可调大小的圆形小孔，通过改变远场的小孔大小，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

一种利用变化的小孔测量材料光学非线性的方法

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 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 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（Junyi Yangand Yinglin Song , “Direct observation of the transient thermal-lensing effect using the phase-object Z-scan technique”, Optics Letters, 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，这种测量方法也需要样品在激光传播方向的移动。本发明提出一种无需样品移动，通过改变远场小孔的大小就能测量材料的光学非线性。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用可调小孔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。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种利用可调小孔测量材料非线性的方法，一种高灵敏度单脉冲平顶光测量材料非线性的方法，将激光束先进行扩束，经过一圆形小孔后，获得一束平顶光束，将平顶激光脉冲分为两束，一束为监测光，由第一探测器记录，另一束光为探测光，经透镜作用到待测样品上，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点后一定距离处，出射的脉冲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（开孔），另外一束通过一个中心和光轴重合的可调小孔后经凸透镜会聚后进入第三探测器（闭孔）；测量步骤为：

⑴在探测光路中透镜后远离焦点的位置放上待测样品，用三个探测器测量脉冲光能量，并分别计算出第二探测器所测能量和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点后的一定距离的位置放上待测样品，调节小孔的大小，同时用三个探测器测量脉冲光能量，并分别计算出第二探测器所测能量和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（分为开孔能量的比值和闭孔能量的比值），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，所述圆孔的大小可随意调节。

优选的技术方案，所述产生平顶光的小孔和可调小孔到透镜的距离符合透镜成像公式为优选。

优选的技术方案，样品的位置使材料发生光学非线性时在远场光斑的变化达到最大值。

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，在离焦平面一定距离处样品就相当于一个透镜，会引起远场衍射光斑的光强分布变化，通过改变远场小孔的大小，就能将这种由非线性引起的变化测量出来，从而获得材料的非线性系数。待测样品放置在使远场光斑变化最大的位置，无需移动样品，通过测量改变小孔引起的能量变化就可以得到样品的非线性吸收系数。

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：

本发明在测量过程中样品无需移动，通过改变远场小孔的大小就能测量材料的光学非线性；

本发明的测量方法非常方便，理论模型简单；

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；

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

附图1是本发明实施例一中的一种利用变化的小孔测量材料光学非线性的方法的工作原理图，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、圆形小孔；13、凸透镜；14、第三探测器；

附图2是本发明实施例一中的可调大小的圆形小孔示意图；

附图3为本发明实施例一中测量非线性折射随小孔大小变化的透过率曲线。

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，一种利用变化的小孔测量材料光学非线性的方法，光路由分束器，凸透镜，可调小孔，探测器组成；待测样品位于透镜焦点后一定距离。

附图1是一种利用变化的小孔测量材料光学非线性的方法的实验装置图。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、可调小孔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的焦平面后面一定距离处。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后形成平顶光，光束经凸透镜7会聚到放置在焦点后一定距离的待测样品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。另一束激光经过可调圆形小孔12后，由凸透镜13后由第三探测器探测14。

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为可调圆形小孔12的示意图。

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测量通过圆形小孔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，得到一个通过小孔的能量比值。将小孔从半径1mm变化到8mm，记录各个能量比值；

（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测量通过小孔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，得到一个通过可调小孔能量的比值。将小孔从半径1mm变化到8mm，记录各个能量比值；

（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）中的变化小孔的比值除以步骤（1）中的变化小孔比值，得到样品透过变化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；

（5）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两次菲涅尔衍射公式得到，设为E ₀₂ ，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

(4)

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:

    (5)

不考虑样品非线性时，则样品后表面的光场为:

       (6)

从样品的后表面传播到可调圆形小孔可通过菲涅尔衍射公式得到，设为。若不考虑样品非线性，即为线性透过，则为。

  对小孔处的光强进行空间和时间的积分，可得到通过每次小孔的能量。将此能量与在不考虑样品非线性的情况下得到的通过小孔的能量相比，就得到通过可调圆形小孔归一化非线性透过率：

   (9)

如果小孔全部打开，则可得到开孔的透过率情况。对调节小孔所得归一化非线性透过率曲线进行拟合，就可以得到样品的非线性折射系数。

在实施例一中，设入射能量为，产生平顶光的小孔半径为3.2mm，透镜的焦距为412mm，远场圆形小孔的半径为从1mm调节到8mm，其到焦点的距离为0.8m,。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。通过改变小孔的大小，记录下了每个孔径所对应的能量，另外，通过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，从而得到CS₂的非线性折射系数。

Claims (5)

1.一种利用变化的小孔测量材料光学非线性的方法，将一平顶激光束分为两束，一束为监测光，由第一探测器记录，另一束光为探测光，经透镜会聚到待测样品上，使待测样品产生光学非线性，但所述待测样品不处于透镜的焦平面位置，位于光路中透镜的焦点后一定距离，从激光器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（开孔），另外一束先通过一个中心和光轴重合的可调大小的圆孔后经凸透镜会聚后进入第三探测器（闭孔）；其特征在于：在探测光路的样品后的远场位置放置一可调的圆孔，测量步骤为：

（1）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，并分别计算出第二探测器所测能量和第三探测器所测能量与第一探测器所测能量的比值；

（2）在探测光路中，在透镜的焦平面后的一定距离位置放上待测样品，并将可调小孔的半径调到最小位置，用三个探测器测量脉冲光能量，并分别计算出第二探测器所测能量和第三探测器所测能量与第一探测器所测能量的比值；

（3）继续改变小孔光阑的半径，并进行步骤（2）的测量，对步骤（1）和（2）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平顶光测量材料非线性的方法，其特征在于：所述步骤（3）中的处理包括，将步骤（2）中得到的比值与步骤（1）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平顶光测量材料非线性的方法，其特征在于：所述圆孔和不透光的圆形挡板位于探测光路的待测样品的远场位置。

4.根据权利要求1所述的高灵敏度单脉冲平顶光测量材料非线性的方法，其特征在于：为达到最优化的目的，所述产生平顶光的小孔和挡板的位置符合透镜成像公式。

5.根据权利要求1所述的高灵敏度单脉冲平顶光测量材料非线性的方法，其特征在于：所述圆孔和圆形挡板的大小根据通过样品后的远场光束的半径大小进行调节，圆孔和挡板组合后的透过率小于0.1。