CN105067528B - 二维共焦显微非线性强度扫描系统和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是将非线性强度扫描和共焦显微成像集成在一起的，用于测量样品的非线性光学性质，并能测绘样品微区非线性光学系数的二维空间分布的光学测量系统。本发明可以用于样品的二维微区的非线性光学性质的测绘，尤其适用于不均匀样品微区或者微观样品的非线性性质的测量。本系统可以同时测量样品的非线性吸收和非线性折射性质，采用自动化测量，具有快速、高效和灵敏的特点。
Description
技术领域
本发明属于非线性光学测量领域，特别是一种用于测量样品微区原位非线性吸收性质的二维共焦显微非线性强度扫描系统及测试方法。
背景技术
测试材料的非线性折射率和非线性吸收性质的技术手段包括Z扫描技术(参见专利申请号：CN201210487216，公开号：CN102937573A)、四波混频技术和强度扫描技术等。四波混频技术和Z扫描技术较为成熟，其中四波混频技术系统复杂，不能同时测量非线性折射率和非线性吸收系数。Z扫描技术系统较为简单、灵敏度高，可以同时测量非线性折射率和吸收系数。
然而，Z扫描技术也存在以下缺点(参考Taheri,B.etc.Applied Physics Letters1996,68(10),1317-1319)：1)对样品要求较高，必须是薄样品(厚度小于系统的瑞利长度)，而且样品表面光滑。2)对于非均匀的样品，其测试误差较大。其原因主要是非均匀样品各点处的非线性光学性质可能不同，而扫描过程中，光斑所覆盖的样品表面会发生变化，从而造成测量不准确。3)对于微观样品(样品尺寸与激光的束腰半径相当)，Z扫描测量无法实施。其原因是样品在光轴方向上移动时，会造成部分光斑未照射在样品上，从而使得这部分的非线性效应丢失，造成测量不准确。因此，要实现对样品微区(或者微观样品)的非线性光学性质的测量，就必须采用新的技术手段。
发明内容
本发明旨在解决上述技术手段所存在的问题，提供一套测量透明或半透明材料、样品微区(或微观样品)的非线性光学性质，并可实现微区二维扫描式测量的系统装置和测量方法。该方法在非线性光学性质测量过程中实际是入射光强在改变，对样品表面要求较低，所以可以测量不均匀样品。该装置采用显微物镜进行激发光聚焦、信号光收集和实时成像，从而可以实现对微米级样品的非线性性质的测量。该装置方法由二维精密平移台控制样品位置，可以将样品单点的非线性光学性质的测量扩展到二维区域，从而获得不均匀样品的非线性系数的空间分布。该装置系统实现了自动化控制、集成度高，具有简捷、灵敏、精确的特点。
本发明的技术解决方案
一种二维共焦显微非线性强度扫描系统，其特征在于系统结构包含作为光源的脉冲激光器，沿该脉冲激光器的输出光束方向依次为所述的第一镀膜全反镜、第一小孔光阑、第二小孔光阑、第二镀膜全反镜、电控旋转台、偏振片、第一分光平片、聚焦物镜、待测样品、收集物镜、第二分光平片、第三小孔光阑、第三分光平片和成像相机；所述的脉冲激光器与激光器控制器连接；沿所述的第一分光平片的反射光方向依次为第一中性密度滤光片、第一透镜和第一探测器；所述的第一分光平片的反射光方向的另一侧为照明光源氙灯；沿所述的第二分光平片的反射方向依次为第二中性密度滤光片、第二透镜和第二探测器；沿所述的第三分光平片反射光方向依次为第三中性密度滤光片、第三透镜和第三探测器；所述的第一探测器、第二探测器和第三探测器的输出端经由数据采集卡连接到计算机的输入端；所述的电控旋转台的旋转轴与光轴重合，并且中心为通孔，通孔中安装有格兰泰勒棱镜；所述的电控旋转台连接在控制器的控制端，控制器连接在计算机上；所述的成像相机连接在所述的计算机的输入端；所述的待测样品安置在二维精密平移台上；所述的二维精密平移台通过控制器连接在所述的计算机上；以及能量计，连接到所述的计算机的输入端；所述的第一镀膜全反镜、第二镀膜全反镜、第一分光平片、第二分光平片、第三分光平片与光轴夹角为45°；
2、所述的第一分光平片对所述的照明光源氙灯的分光比为50％。
3、利用权利要求1所述的二维共焦显微非线性强度扫描系统对待测样品的非线性透过率、非线性折射率和非线性系数二维空间测绘的测量方法，其特征在于该方法包括以下两个部分：
第一部分：测量所述待测样品某一点的非线性透过率、非线性折射率数据，进行数据拟合获得待测样品在测量点处的非线性吸收系数β和非线性折射系数n2，其步骤包括：
①根据测量需要，通过所述的激光器控制器设置所述的脉冲激光器的重复频率；通过计算机设置所述的电控旋转台的转动参数，包括初始角度θ0、终止角度θ和转动步长Δθ，其中0<θ0<θ<90°，Δθ＝1°；
②通过所述的计算机启动所述的电控旋转台，电控旋转台转动到初始角度θ0；将所述的能量计放置在聚焦物镜之后，此时所述的能量计测得的对应于电控旋转台的当前角度θ0的脉冲能量为Eθ0，该脉冲能量Eθ0与sin2(θ0)成正比关系，对应的入射光强为Iθ0＝Eθ0/(t0πω0 2)，其中t0为脉冲宽度，ω0为束腰半径，将此入射光强记录到所述的计算机中；然后所述的电控旋转台按照步骤①设置的转动步长转动到下一个角度即θ1＝θ0+Δθ，利用能量计测量与该角度对应的脉冲能量Eθ1，并记录此时的入射光强Iθ1；以此类推，测量从初始角度θ0到终止角度θ范围内所有角度θi＝θ0+i*Δθ，i＝0,1,2,…,[(θ-θ0)/Δθ]对应的脉冲能量Eθi和入射光强Iθi；入射光强Iθi为非线性透过率曲线的横坐标(参见附图2和3)；测量记录完毕后，移开能量计，所述的计算机控制电控旋转台转回到起始位置θ0；
③将所述的待测样品放置在所述的二维精密平移台上，调整待测样品位于所述的聚焦物镜的焦平面上；调整所述的收集物镜使收集物镜的焦点和所述的聚焦物镜的焦点重合；
④所述的计算机同时启动所述的脉冲激光器、电控旋转台、第一探测器、第二探测器和第三探测器开始测量；所述的电控旋转台按照步骤①所设置的参数每转动一个角度，所述的第一探测器、第二探测器和第三探测器就会分别采集一个光强信号，并将探测到的光强信号输入到所述的计算机中，第一探测器采集的为参考光的信号，第二探测器采集到的为透射开孔数据，第三探测器采集到的为透射闭孔数据；以步骤②中记录的入射光强Iθi(i＝0,1,2,…,[(θ-θ0)/Δθ])为横坐标，以所述的透射开孔数据和参考光的信号的比值为纵坐标，就得到所述的待测样品的开孔非线性透过率曲线Topen(Iθi)；以步骤②中所记录的入射光强Iθi为横坐标，以所述的透射闭孔数据和参考光的信号的比值为纵坐标，就得到所述的待测样品的闭孔非线性透过率曲线Tclose(Iθi)；
⑤利用下列公式对所述的开孔非线性透过率曲线Topen(Iθi)和闭孔非线性透过率曲线Tclose(Iθi)进行数据拟合，分别得到待测样品测量点处的非线性吸收系数β和非线性折射系数n2：
和
式中，i＝0,1,2,…,[(θ-θ0)/Δθ],Leff＝[1-exp(-αL)]/α，d0＝πω2/λ，R为待测样品的反射率、α为待测样品的线性透过系数，Iθi为入射光强、z0为瑞利长度、a为待测样品与所述的聚焦物镜焦平面的距离，d是待测样品和第三小孔光阑之间的距离；
第二部分：测量所述的待测样品二维微区的非线性透过率、非线性折射率数据，并进行数据拟合获得待测样品在二维微区内的非线性吸收系数β和非线性折射系数n2空间分布情况，其步骤包括：
①重复第一部分的①②③步；
②打开所述的照明光源氙灯和成像相机，通过计算机观察样品位置，并通过所述的计算机设置所述的待测样品二维微区的起点位置坐标(X0,Y0)、终点位置坐标(X,Y)，此二维微区是一个矩形区域，(X0,Y0)和(X,Y)为此矩形区域的对角线的两个端点，其中0<X0<X,0<Y0<Y，定义X方向为垂直于光路的平面中与实验台面平行的方向，Y方向为垂直于光路的平面中与实验台面垂直的方向；设置所述的二维精密平移台的移动步长来控制所述的待测样品的移动，其中在X方向上的移动步长为ΔX，在Y方向上的移动步长ΔY；设置完毕后关闭照明光源氙灯和成像相机。
③利用所述的计算机启动所述的二维精密平移台，将所述的待测样品移动到(X0,Y0)点；按照第一部分所述的步骤④进行(X0,Y0)点的开孔和闭孔的非线性透过率曲线的测量；该点的非线性透过率曲线测量完毕后，所述的二维精密平移台控制所述的待测样品移动到下一个坐标点(X0+ΔX，Y0)，再次按照第一部分所述的步骤④进行该点的开孔和闭孔的非线性透过率曲线的测量；以此类推，直到整个二维微区所有点的开孔和闭孔的非线性透过率曲线都测量完毕，待测样品二维微区中测量点的位置坐标可以表示为(Xj,Yk)，其中Xj＝X0+j*ΔX,Yk＝Y0+k*ΔY,j＝0,1,2,…,[(X-X0)/ΔX],k＝0,1,2,…,[(Y-Y0)/ΔY]；
④按照第一部分步骤⑤所述的方法对上述二维微区中每一个测量点(Xj,Yk)的开孔和闭孔的非线性透过率曲线进行数据拟合，就可以得到该点对应的非线性吸收系数β(Xj,Yk)和非线性折射系数n2(Xj,Yk)；
⑦将所述的非线性吸收系数β(Xj,Yk)作为强度值，以所述的待测样品二维微区的位置坐标(Xj,Yk)的X值作为横坐标，Y值作为纵坐标，就得到非线性吸收系数的二维强度分布图；将所述的非线性折射系数n2(Xj,Yk)作为强度值，以所述的待测样品二维微区的位置坐标(Xj,Yk)的X值作为横坐标，Y值作为纵坐标，就得到非线性折射系数的二维强度分布图。
本发明的技术效果
本发明采用了非线性强度扫描的方法测量材料的非线性吸收和非线性折射性质，由于系统装置采用了数字自动化处理，因此具有快速、高效、精确和灵敏的技术特点。本发明采用了二维精密平移台控制待测样品的位置和移动，可以获得待测样品微区的非线性参数的空间分布，具有表征各向异性和不均匀样品微区非线性性质的优点。本发明可以具有共焦显微成像功能，可以通过所述的成像相机实时观察待测样品的表面形貌。
附图说明
图1是本发明二维共焦显微非线性强度扫描系统示意图。
图2是本发明归一化的开孔实验数据和理论拟合曲线，圆点代表实验数据，曲线为拟合数据。
图3是本发明归一化的闭孔实验数据和理论拟合曲线，圆点代表实验数据，曲线为拟合数据。
具体实施方式
下面结合实施例及附图做进一步说明，但不应该以此限制本发明的保护范围。请先参阅图1，图1是本发明二维共焦显微非线性强度扫描系统和测量方法的光路及装置结构图，其构成包括作为光源的脉冲激光器1，沿该脉冲激光器1的输出光束方向依次为所述的第一镀膜全反镜2、第一小孔光阑3、第二小孔光阑4、第二镀膜全反镜5、电控旋转台6、偏振片8、第一分光平片9、聚焦物镜11、待测样品12、收集物镜13、第二分光平片14、第三小孔光阑15、第三分光平片16和成像相机17；所述的脉冲激光器1与激光器控制器31连接；沿所述的第一分光平片9的反射光方向依次为第一中性密度滤光片18、第一透镜19和第一探测器20；所述的第一分光平片9的反射光方向的另一侧为照明光源氙灯10；沿所述的第二分光平片14的反射方向依次为第二中性密度滤光片21、第二透镜22和第二探测器23；沿所述的第三分光平片16反射光方向依次为第三中性密度滤光片24、第三透镜25和第三探测器26；所述的第一探测器20、第二探测器23和第三探测器26的输出端经由数据采集卡28连接到计算机29的输入端；所述的电控旋转台6的旋转轴与光轴重合，并且中心为通孔，通孔中安装有格兰泰勒棱镜7；所述的电控旋转台6连接在控制器30的控制端，控制器连接在计算机上；所述的成像相机17连接在所述的计算机29的输入端；所述的待测样品12安置在二维精密平移台27上；所述的二维精密平移台27通过控制器30连接在所述的计算机29上；以及能量计32，连接到所述的计算机29的输入端。所述的第一镀膜全反镜2、第二镀膜全反镜5、第一分光平片9、第二分光平片14、第三分光平片16与光轴夹角为45°；所述的第一分光平片9对所述的照明光源氙灯10的分光比为50％。
参照图1，本发明二维共焦显微非线性强度扫描系统分为两部分，第一部分是基于脉冲激光器的非线性强度扫描系统，第二部分是基于照明光源氙灯的实时成像系统。第一部分的非线性强度扫描系统由两部分组成：①光强连续改变部分；②非线性信号探测部分。
①光强连续改变部分：主要由脉冲激光器1、第一镀膜全反镜2、第一小孔光阑3、第二小孔光阑4、第二镀膜全反镜5、电控旋转台6、格兰泰勒棱镜7、偏振片8组成。这部分利用电控旋转台6控制格兰泰勒棱镜7的转动角度，从而使得格兰泰勒棱镜7的出射光的偏振发生连续变化；偏振连续变化的光束经过偏振片8后，光强发生了连续变化；从而通过这部分系统达到连续改变入射到样品表面的光强的目的。
②非线性信号探测部分：这部分主要由第一分光平片9、第一中性密度滤光片18、第一透镜19、第一探测器20、第二分光平片14、第二中性密度滤光片21、第二透镜22、第二探测器23、第三分光平片16、三中性密度滤光片24、第三透镜25、第三探测器26组成。其中，第一分光平片9反射的部分光信号被第一探测器20收集作为参考光信号；第二分光平片14反射的部分光信号被第二探测器23收集作为透射开孔数据；第三分光平片16反射的部分光信号被第三探测器26收集作为透射闭孔数据。
实时成像系统：主要由照明光源氙灯10、第一分光平片9、聚焦物镜11、待测样品12、收集物镜13、成像相机17和计算机29组成。这部分显微成像所用的照明光由照明光源氙灯10发出，经分光平片反射部分光通过聚焦物镜11照射在样品上，收集物镜13将样品的表面形貌信息收集后送达成像相机17，在计算机29上实时显示。
在本实例中，脉冲激光器1选用的是波长为1030nm、340fs的光纤激光器，实施例的具体操作步骤如下：
第一部分：测量所述待测样品12某一点的非线性透过率、非线性折射率数据，进行数据拟合获得待测样品12在测量点处的非线性吸收系数β和非线性折射系数n2，其步骤包括：
①根据测量需要，通过所述的激光器控制器31设置所述的脉冲激光器1的重复频率；通过计算机29设置所述的电控旋转台6的转动参数，包括初始角度θ0、终止角度θ和转动步长Δθ，其中0<θ0<θ<90°，Δθ＝1°；
②通过所述的计算机29启动所述的电控旋转台6，电控旋转台6转动到初始角度θ0；将所述的能量计32放置在聚焦物镜11之后，此时所述的能量计32测得的对应于电控旋转台6的当前角度θ0的脉冲能量为Eθ0，该脉冲能量Eθ0与sin2(θ0)成正比关系，对应的入射光强为Iθ0＝Eθ0/(t0πω0 2)，其中t0为脉冲宽度，ω0为束腰半径，将此入射光强记录到所述的计算机29中；然后所述的电控旋转台6按照步骤①设置的转动步长转动到下一个角度即θ1＝θ0+Δθ，利用能量计32测量与该角度对应的脉冲能量Eθ1，并记录此时的入射光强Iθ1；以此类推，测量从初始角度θ0到终止角度θ范围内所有角度θi＝θ0+i*Δθ，i＝0,1,2,…,[(θ-θ0)/Δθ]对应的脉冲能量Eθi和入射光强Iθi；入射光强Iθi为非线性透过率曲线的横坐标(参见附图2和3)；测量记录完毕后，移开能量计32，所述的计算机29控制电控旋转台6转回到起始位置θ0；
③将所述的待测样品12放置在所述的二维精密平移台27上，调整待测样品12位于所述的聚焦物镜11的焦平面上；调整所述的收集物镜13使收集物镜13的焦点和所述的聚焦物镜11的焦点重合；
④所述的计算机29同时启动所述的脉冲激光器1、电控旋转台6、第一探测器20、第二探测器23和第三探测器26开始测量；所述的电控旋转台6按照步骤①所设置的参数每转动一个角度，所述的第一探测器20、第二探测器23和第三探测器26就会分别采集一个光强信号，并将探测到的光强信号输入到所述的计算机29中，第一探测器20采集的为参考光的信号，第二探测器23采集到的为透射开孔数据，第三探测器26采集到的为透射闭孔数据；以步骤②中记录的入射光强Iθi(i＝0,1,2,…,[(θ-θ0)/Δθ])为横坐标，以所述的透射开孔数据和参考光的信号的比值为纵坐标，就得到所述的待测样品12的开孔非线性透过率曲线Topen(Iθi)；以步骤②中所记录的入射光强Iθi为横坐标，以所述的透射闭孔数据和参考光的信号的比值为纵坐标，就得到所述的待测样品12的闭孔非线性透过率曲线Tclose(Iθi)；
⑤利用下列公式对所述的开孔非线性透过率曲线Topen(Iθi)和闭孔非线性透过率曲线Tclose(Iθi)进行数据拟合，分别得到待测样品12测量点处的非线性吸收系数β和非线性折射系数n2：
和
式中，i＝0,1,2,…,[(θ-θ0)/Δθ],Leff＝[1-exp(-αL)]/α，d0＝πω2/λ，R为待测样品12的反射率、α为待测样品12的线性透过系数，Iθi为入射光强、z0为瑞利长度、a为待测样品12与所述的聚焦物镜11焦平面的距离，d是待测样品12和第三小孔光阑15之间的距离；
第二部分：测量所述的待测样品12二维微区的非线性透过率、非线性折射率数据，并进行数据拟合获得待测样品12在二维微区内的非线性吸收系数β和非线性折射系数n2空间分布情况，其步骤包括：
①重复第一部分的①②③步；
②打开所述的照明光源氙灯10和成像相机17，通过计算机29观察样品位置，并通过所述的计算机29设置所述的待测样品12二维微区的起点位置坐标(X0,Y0)、终点位置坐标(X,Y)，此二维微区是一个矩形区域，(X0,Y0)和(X,Y)为此矩形区域的对角线的两个端点，其中0<X0<X,0<Y0<Y，定义X方向为垂直于光路的平面中与实验台面平行的方向，Y方向为垂直于光路的平面中与实验台面垂直的方向；设置所述的二维精密平移台27的移动步长来控制所述的待测样品12的移动，其中在X方向上的移动步长为ΔX，在Y方向上的移动步长ΔY；设置完毕后关闭照明光源氙灯10和成像相机17。
③利用所述的计算机29启动所述的二维精密平移台27，将所述的待测样品12移动到(X0,Y0)点；按照第一部分所述的步骤④进行(X0,Y0)点的开孔和闭孔的非线性透过率曲线的测量；该点的非线性透过率曲线测量完毕后，所述的二维精密平移台27控制所述的待测样品12移动到下一个坐标点(X0+ΔX，Y0)，再次按照第一部分所述的步骤④进行该点的开孔和闭孔的非线性透过率曲线的测量；以此类推，直到整个二维微区所有点的开孔和闭孔的非线性透过率曲线都测量完毕，待测样品12二维微区中测量点的位置坐标可以表示为(Xj,Yk)，其中Xj＝X0+j*ΔX,Yk＝Y0+k*ΔY,j＝0,1,2,…,[(X-X0)/ΔX],k＝0,1,2,…,[(Y-Y0)/ΔY]；
④按照第一部分步骤⑤所述的方法对上述二维微区中每一个测量点(Xj,Yk)的开孔和闭孔的非线性透过率曲线进行数据拟合，就可以得到该点对应的非线性吸收系数β(Xj,Yk)和非线性折射系数n2(Xj,Yk)；
⑦将所述的非线性吸收系数β(Xj,Yk)作为强度值，以所述的待测样品12二维微区的位置坐标(Xj,Yk)的X值作为横坐标，Y值作为纵坐标，就得到非线性吸收系数的二维强度分布图；将所述的非线性折射系数n2(Xj,Yk)作为强度值，以所述的待测样品12二维微区的位置坐标(Xj,Yk)的X值作为横坐标，Y值作为纵坐标，就得到非线性折射系数的二维强度分布图。
Claims (3)
1.一种二维共焦显微非线性强度扫描系统，其特征在于系统结构包含作为激发光源的脉冲激光器(1)，沿该脉冲激光器(1)的输出光束方向依次为第一镀膜全反镜(2)、第一小孔光阑(3)、第二小孔光阑(4)、第二镀膜全反镜(5)、电控旋转台(6)、偏振片(8)、第一分光平片(9)、聚焦物镜(11)、待测样品(12)、收集物镜(13)、第二分光平片(14)、第三小孔光阑(15)、第三分光平片(16)和成像相机(17)；所述的脉冲激光器(1)与激光器控制器(31)连接；沿所述的第一分光平片(9)的反射光方向依次为第一中性密度滤光片(18)、第一透镜(19)和第一探测器(20)；所述的第一分光平片(9)的反射光方向的另一侧为照明光源氙灯(10)；沿所述的第二分光平片(14)的反射方向依次为第二中性密度滤光片(21)、第二透镜(22)和第二探测器(23)；沿所述的第三分光平片(16)反射光方向依次为第三中性密度滤光片(24)、第三透镜(25)和第三探测器(26)；所述的第一探测器(20)、第二探测器(23)和第三探测器(26)的输出端经由数据采集卡(28)连接到计算机(29)的输入端；所述的电控旋转台(6)的旋转轴与光轴重合，并且中心为通孔，通孔中安装有格兰泰勒棱镜(7)；所述的电控旋转台(6)连接在控制器(30)的控制端，该控制器(30)与计算机(29)相连接；所述的成像相机(17)的输出端与所述的计算机(29)的输入端连接；所述的待测样品(12)安置在二维精密平移台(27)上；该二维精密平移台(27)通过控制器(30)与所述的计算机(29)相连；能量计(32)的输出端与所述的计算机(29)的输入端相连；所述的第一镀膜全反镜(2)、第二镀膜全反镜(5)、第一分光平片(9)、第二分光平片(14)、第三分光平片(16)与光路的夹角为45°。
2.根据权利要求1所述的二维共焦显微非线性强度扫描系统，其特征在于所述的第一分光平片(9)对所述的照明光源氙灯(10)的分光比为50％。
3.利用权利要求1所述的二维共焦显微非线性强度扫描系统对待测样品(12)的非线性透过率、非线性折射率和非线性系数二维空间测绘的测量方法，其特征在于该方法包括以下两个部分：
第一部分：测量所述待测样品(12)某一点的非线性透过率、非线性折射率数据，进行数据拟合获得待测样品(12)在测量点处的非线性吸收系数β和非线性折射系数n2，其步骤包括：
①根据测量需要，通过所述的激光器控制器(31)设置所述的脉冲激光器(1)的重复频率；通过计算机(29)设置所述的电控旋转台(6)的转动参数，包括初始角度θ0、终止角度θ和转动步长Δθ，其中0<θ0<θ<90°，Δθ＝1°；
②通过所述的计算机(29)启动所述的电控旋转台(6)，电控旋转台(6)转动到初始角度θ0；将所述的能量计(32)放置在聚焦物镜(11)之后，此时所述的能量计(32)测得的对应于电控旋转台(6)的当前角度θ0的脉冲能量为Eθ0，该脉冲能量Eθ0与sin2(θ0)成正比关系，对应的入射光强为Iθ0＝Eθ0/(t0πω0 2)，其中t0为脉冲宽度，ω0为束腰半径，将此入射光强记录到所述的计算机(29)中；然后所述的电控旋转台(6)按照步骤①设置的转动步长转动到下一个角度即θ1＝θ0+Δθ，利用能量计(32)测量与该角度对应的脉冲能量Eθ1，并记录此时的入射光强Iθ1；以此类推，测量从初始角度θ0到终止角度θ范围内所有角度θi＝θ0+i*Δθ，i＝0,1,2,…,[(θ-θ0)/Δθ]对应的脉冲能量Eθi和入射光强Iθi；入射光强Iθi为非线性透过率曲线的横坐标(参见附图2和3)；测量记录完毕后，移开能量计(32)，所述的计算机(29)控制电控旋转台(6)转回到起始位置θ0；
③将所述的待测样品(12)放置在所述的二维精密平移台(27)上，调整待测样品(12)位于所述的聚焦物镜(11)的焦平面上；调整所述的收集物镜(13)使收集物镜(13)的焦点和所述的聚焦物镜(11)的焦点重合；
④所述的计算机(29)同时启动所述的脉冲激光器(1)、电控旋转台(6)、第一探测器(20)、第二探测器(23)和第三探测器(26)开始测量；所述的电控旋转台(6)按照步骤①所设置的参数每转动一个角度，所述的第一探测器(20)、第二探测器(23)和第三探测器(26)就会分别采集一个光强信号，并将探测到的光强信号输入到所述的计算机(29)中，第一探测器(20)采集的为参考光的信号，第二探测器(23)采集到的为透射开孔数据，第三探测器(26)采集到的为透射闭孔数据；以步骤②中记录的入射光强Iθi(i＝0,1,2,…,[(θ-θ0)/Δθ])为横坐标，以所述的透射开孔数据和参考光的信号的比值为纵坐标，就得到所述的待测样品(12)的开孔非线性透过率曲线Topen(Iθi)；以步骤②中所记录的入射光强Iθi为横坐标，以所述的透射闭孔数据和参考光的信号的比值为纵坐标，就得到所述的待测样品(12)的闭孔非线性透过率曲线Tclose(Iθi)；
⑤利用下列公式对所述的开孔非线性透过率曲线Topen(Iθi)和闭孔非线性透过率曲线Tclose(Iθi)进行数据拟合，分别得到待测样品(12)测量点处的非线性吸收系数β和非线性折射系数n2：
和
式中，i＝0,1,2,…,[(θ-θ0)/Δθ],Leff＝[1-exp(-αL)]/α，d0＝πω2/λ，R为待测样品(12)的反射率、α为待测样品(12)的线性透过系数，Iθi为入射光强、z0为瑞利长度、a为待测样品(12)与所述的聚焦物镜(11)焦平面的距离，d是待测样品(12)和第三小孔光阑(15)之间的距离；
第二部分：测量所述的待测样品(12)二维微区的非线性透过率、非线性折射率数据，并进行数据拟合获得待测样品(12)在二维微区内的非线性吸收系数β和非线性折射系数n2空间分布情况，其步骤包括：
①重复第一部分的①②③步；
②打开所述的照明光源氙灯(10)和成像相机(17)，通过计算机(29)观察样品位置，并通过所述的计算机(29)设置所述的待测样品(12)二维微区的起点位置坐标(X0,Y0)、终点位置坐标(X,Y)，此二维微区是一个矩形区域，(X0,Y0)和(X,Y)为此矩形区域的对角线的两个端点，其中0<X0<X,0<Y0<Y，定义X方向为垂直于光路的平面中与实验台面平行的方向，Y方向为垂直于光路的平面中与实验台面垂直的方向；通过计算机(29)设置所述的二维精密平移台(27)的移动步长来控制所述的待测样品(12)的移动，其中在X方向上的移动步长为ΔX，在Y方向上的移动步长为ΔY；设置完毕后关闭照明光源氙灯(10)和成像相机(17)；
③利用所述的计算机(29)启动所述的二维精密平移台(27)，将所述的待测样品(12)移动到(X0,Y0)点；按照第一部分所述的步骤④进行(X0,Y0)点的开孔和闭孔的非线性透过率曲线的测量；该点的非线性透过率曲线测量完毕后，所述的二维精密平移台(27)控制所述的待测样品(12)移动到下一个坐标点(X0+ΔX，Y0)，再次按照第一部分所述的步骤④进行该点的开孔和闭孔的非线性透过率曲线的测量；以此类推，直到整个二维微区所有点的开孔和闭孔的非线性透过率曲线都测量完毕，待测样品(12)二维微区中测量点的位置坐标表示为(Xj,Yk)，其中Xj＝X0+j*ΔX,Yk＝Y0+k*ΔY,j＝0,1,2,…,[(X-X0)/ΔX],k＝0,1,2,…,[(Y-Y0)/ΔY]；
④按照第一部分步骤⑤所述的方法对上述二维微区中每一个测量点(Xj,Yk)的开孔和闭孔的非线性透过率曲线进行数据拟合，得到该点对应的非线性吸收系数β(Xj,Yk)和非线性折射系数n2(Xj,Yk)；
⑦将所述的非线性吸收系数β(Xj,Yk)作为强度值，以所述的待测样品(12)二维微区的位置坐标(Xj,Yk)的X值作为横坐标，Y值作为纵坐标，就得到非线性吸收系数的二维强度分布图；将所述的非线性折射系数n2(Xj,Yk)作为强度值，以所述的待测样品(12)二维微区的位置坐标(Xj,Yk)的X值作为横坐标，Y值作为纵坐标，就得到非线性折射系数的二维强度分布图。
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