CN105572081A - 一种表征饱和吸收材料的高灵敏度测量方法 - Google Patents

一种表征饱和吸收材料的高灵敏度测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105572081A
CN105572081A CN201510951769.6A CN201510951769A CN105572081A CN 105572081 A CN105572081 A CN 105572081A CN 201510951769 A CN201510951769 A CN 201510951769A CN 105572081 A CN105572081 A CN 105572081A
Authority
CN
China
Prior art keywords
saturated absorption
convex lens
absorption material
gaussian beam
radial polarisation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201510951769.6A
Other languages
English (en)
Inventor
顾兵
刘达辉
任泊晓
万勇
芮光浩
吕昌贵
崔一平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southeast University
Original Assignee
Southeast University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southeast University filed Critical Southeast University
Priority to CN201510951769.6A priority Critical patent/CN105572081A/zh
Publication of CN105572081A publication Critical patent/CN105572081A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/59—Transmissivity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation

Abstract

本发明公开了一种表征饱和吸收材料的高灵敏度测量方法，激光器输出的激光束依次经过凹透镜和第一凸透镜后扩束成尺寸合适的高质量线偏振高斯光束，高斯光束入射至径向偏振光生成系统，生成径向偏振矢量光场，径向偏振矢量光场通过第四凸透镜聚焦，非线性饱和吸收样品由电位移平台控制沿着光轴方向移动，进而激发非线性饱和吸收效应，最后经过第五凸透镜后由能量探测器收集非线性饱和吸收样品在不同位置处的透过能量。本发明方法，光路简单，器件制作成本低，与现有的用高斯光束测量非线性饱和吸收材料的饱和光强相比，本发明的测量灵敏度提高30％左右，从而更灵敏而准确地获得非线性饱和吸收材料尤其是二维饱和吸收材料的饱和光强。

Description

一种表征饱和吸收材料的高灵敏度测量方法
技术领域
本发明涉及一种表征饱和吸收材料的高灵敏度测量方法，是一种基于偏振态调控的高灵敏度测量非线性饱和吸收技术，用于表征具有非线性光学饱和吸收材料的非线性饱和光强，属于非线性光子学应用技术、新型非线性光学材料和现代光子学领域。
背景技术
近年来出现的二维材料诸如石墨烯、氧化石墨烯和二硫化钨等在可见光波长激光激发下具有巨大的非线性饱和吸收效应。这类具有饱和吸收效应的材料在超快光子学领域中如锁模激光器和调Q激光器都有非常重要的应用。判别一种材料是否能够作为实用的饱和吸收介质，饱和光强是非常重要的参数。因此，我们非常希望能够有一种高灵敏度测量技术可以表征二维材料的饱和光强。线偏振高斯光束Z-scan技术被广泛用于表征二维材料的光学非线性效应，这是因为该技术实验装置简单，测量灵敏度高，可以同时获得材料的光学非线性系数的大小和符号。理论上二维材料存在巨大的非线性饱和吸收效应，但是实际测量中由于二维材料是单原子层结构，厚度通常只有几个纳米，造成了线偏振高斯光束Z-scan信号相对来说比较弱，导致线偏振高斯光束Z-scan的测量灵敏度和可靠性还不够高。因此，需要改进表征二维材料饱和吸收效应的Z-scan测量技术，提高测量灵敏度和实验可靠性。
为了提高Z-scan技术的测量灵敏度和增强信噪比，人们提出了各种各样的改进方法，这些方法主要有两类：1、采用双通道采集信号，抑制激光能量抖动等外界环境的影响；2、改变入射光的光强分布。上述两种方法有一个共同点就是入射光是偏振态均匀分布的线偏振光。近年来，一类光束截面上偏振态非均匀分布的新型光场，也就是矢量光场引起了人们的广泛关注。其中最简单的矢量光场是径向偏振光，可以采用空间光调制器、4F系统以及Ronchi光栅获得。弱聚焦偏振态径向分布的径向偏振光，可得到环状分布的焦场，而线偏振高斯光束的焦场为焦点。由于其特殊的环状场分布，这种光束已经被证实可应用于光限幅器中(JLWu,BGu,etal.Enhancedopticallimitingeffectsinadouble-deckerbis(phthalocyaninato)rareearthcomplexusingradiallypolarizedbeams[J].AppliedPhysicsLetters,Volume105,Page171113,2014.)。现有技术资料还未见基于径向偏振光开发的Z-scan表征饱和吸收的测量技术。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术表征饱和吸收效应灵敏度不够高的问题，本发明提供一种表征饱和吸收材料的高灵敏度测量方法，将径向偏振光束与传统Z-scan装置相结合，在结构简单、成本低廉、操作方便的前提下，更加灵敏且有效地表征材料的非线性饱和效应；与传统的线偏振高斯光束Z-scan相比，本发明的测量灵敏度提高了30％以上。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种表征饱和吸收材料的高灵敏度测量方法，利用空间光调制器以及4F系统将线偏振光束转换为径向偏振光束，偏振光束经一个凸透镜聚焦，将非线性饱和吸收材料置于电位移平台，利用生成的径向偏振矢量光场经过透镜聚焦后特殊的环状焦场与非线性饱和吸收样品相互作用，测量透射光强与样品位置之间的变化关系，进而获得材料的非线性饱和光强。由于聚焦径向偏振光产生环状焦场而不是通常聚焦高斯光束产生的光点，焦场与饱和吸收材料相互作用，使得用径向偏振光测量饱和吸收材料时其测量灵敏度和可靠性得到很大提高。
本发明方法具体为：采用扩束准直系统、径向偏振光生成系统和径向偏振矢量光场Z-scan测量系统进行测量，所述扩束准直系统包括凹透镜和第一凸透镜，所述径向偏振光生成系统包括空间光调制器、第二凸透镜、1/4波片、第三凸透镜和Ronchi光栅，所述径向偏振矢量光场Z-scan测量系统包括第四凸透镜、电位移平台、第五凸透镜和能量探测器；第二凸透镜和第三凸透镜构成4F系统，非线性饱和吸收样品加载在电位移平台上；
激光器输出的激光束依次经过凹透镜和第一凸透镜后扩束成高斯光束，高斯光束入射至空间光调制器，通过加载在空间光调制器上的全息图调控高斯光束的空变相位信息，携带空变相位信息的高斯光束通过4F系统选取出正负一级衍射光，正负一级衍射光通过1/4波片由线偏振光转化为正交的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，正交的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过Ronchi光栅进行合成生成径向偏振矢量光场，然后通过第四凸透镜聚焦至非线性饱和吸收样品，通过电位移平台控制非线性饱和吸收样品沿光传播方向进行移动，最后通过第五凸透镜后由能量探测器收集透过非线性饱和吸收样品后的激光能力。
在具体使用时，激光器可以选用满足要求的商用激光器即可；优选的，所述激光器输出的激光束为线偏振高斯光束或准高斯光束。为了生成高质量的径向偏振矢量光场，
空间光调制器工作响应波长需要与激光器相匹配，加载在空间光调制器上的全息图需要与Ronchi光栅的周期相匹配。
根据需要，可以灵活地选择用于Z-scan装置的光源类型，可以是传统的标量光场(即线偏振高斯光束)，也可以是准高斯光束；通过对测试结果比较，可以发现，相比于线偏振高斯光束Z-扫描，径向偏振光Z-scan表征技术的灵敏度提高了30％以上。
所述非线性样品可以是任意的非线性饱和吸收样品，激发非线性饱和吸收效应的光源是径向偏振光，而不是传统的线偏振光；用径向偏振光场代替线偏振光来激发样品的非线性饱和吸收效应，其Z-scan测量灵敏度可以提升30％以上；也就是说在相同的光强峰值功率密度激发下，用本发明方法表征非线性饱和吸收效应的效果更佳，本发明方法能更加准确而可靠地获取材料的非线性饱和光强。
有益效果：本发明提供的表征饱和吸收材料的高灵敏度测量方法，具有如下优势：1、本发明用径向偏振光Z-scan技术表征材料的非线性饱和吸收效应，相比于线偏振光Z-scan技术，其测量灵敏度提升了30％以上，可更加准确而可靠地获取材料的非线性饱和光强；2、本发明采用空间光调制器、4F系统以及Ronchi光栅生成径向偏振光，光路简单，操作方便，且器件制作成本低，大多数激光器输出的光束均可采用该方法生成径向偏振光。
附图说明
图1为本发明的装置示意图；
图2为实验测量的线偏振高斯光束Z-can和径向偏振矢量光Z-scan的归一化透过率特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种表征饱和吸收材料的高灵敏度测量方法，激光器输出的激光束依次经过凹透镜和第一凸透镜后扩束成尺寸合适的高质量线偏振高斯光束，高斯光束入射至径向偏振光生成系统，生成径向偏振矢量光场，径向偏振矢量光场通过第四凸透镜聚焦，非线性饱和吸收样品由电位移平台控制沿着光轴方向移动，进而激发非线性饱和吸收效应，最后经过第五凸透镜后由能量探测器收集非线性饱和吸收样品在不同位置处的透过能量。
实现本发明方法的结构如图1所示，包括扩束准直系统、径向偏振光生成系统和径向偏振矢量光场Z-scan测量系统；所述扩束准直系统包括凹透镜2和第一凸透镜3，所述径向偏振光生成系统包括空间光调制器4、第二凸透镜5、1/4波片6、第三凸透镜7和Ronchi光栅8，所述径向偏振矢量光场Z-scan测量系统包括第四凸透镜9、电位移平台10、第五凸透镜12和能量探测器13；第二凸透镜5和第三凸透镜7构成4F系统，非线性饱和吸收样品11加载在电位移平台10上；所述空间光调制器4的工作响应波长与激光器相匹配，记载在空间光调制器4上的全息图与Ronchi光栅8的周期相匹配。
激光器输出的激光束1(线偏振高斯光束或准高斯光束)依次经过凹透镜2和第一凸透镜3后扩束成高斯光束，高斯光束入射至空间光调制器4，通过加载在空间光调制器4上的全息图调控高斯光束的空变相位信息，携带空变相位信息的高斯光束通过4F系统选取出正负一级衍射光，正负一级衍射光通过1/4波片6由线偏振光转化为正交的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，正交的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过Ronchi光栅8进行合成生成径向偏振矢量光场，然后通过第四凸透镜9聚焦至非线性饱和吸收样品11，通过电位移平台11控制非线性饱和吸收样品11沿光传播方向进行移动，最后通过第五凸透镜12后由能量探测器13收集透过非线性饱和吸收样品11后的激光能力。
基于上述结构：选取激光束1为飞秒钛宝石激光器发射的800nm激光，脉宽170fs，重复频率1KHz；选取空间光调制器4的型号为Holoeye公司生产的PlutoNIRⅡ型纯相位液晶空间光调制器，工作波长范围为750-950nm；选取能量探测器13的型号为RkP-465energyprobe；将能量探测器13连接能量计，选取能量计的型号为Rm-3700，Laserprobe。
分别使用线偏振光Z-scan和径向偏振光Z-scan技术在相同的入射峰值功率密度下表征饱和吸收材料的非线性饱和吸收效应，分别得到不同入射光场下的Z-scan归一化能量透过率曲线，如附图2所示。可以看出，在相同的峰值功率密度下，径向偏振光Z-scan归一化能量透过率比线偏振光Z-scan的高很多，表明利用径向偏振光Z-scan比用线偏振光Z-scan表征材料的非线性饱和效应，增强了测量灵敏度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种表征饱和吸收材料的高灵敏度测量方法，其特征在于：采用扩束准直系统、径向偏振光生成系统和径向偏振矢量光场Z-scan测量系统进行测量，所述扩束准直系统包括凹透镜(2)和第一凸透镜(3)，所述径向偏振光生成系统包括空间光调制器(4)、第二凸透镜(5)、1/4波片(6)、第三凸透镜(7)和Ronchi光栅(8)，所述径向偏振矢量光场Z-scan测量系统包括第四凸透镜(9)、电位移平台(10)、第五凸透镜(12)和能量探测器(13)；第二凸透镜(5)和第三凸透镜(7)构成4F系统，非线性饱和吸收样品(11)加载在电位移平台(10)上；
激光器输出的激光束(1)依次经过凹透镜(2)和第一凸透镜(3)后扩束成高斯光束，高斯光束入射至空间光调制器(4)，通过加载在空间光调制器(4)上的全息图调控高斯光束的空变相位信息，携带空变相位信息的高斯光束通过4F系统选取出正负一级衍射光，正负一级衍射光通过1/4波片(6)由线偏振光转化为正交的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，正交的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过Ronchi光栅(8)进行合成生成径向偏振矢量光场，然后通过第四凸透镜(9)聚焦至非线性饱和吸收样品(11)，通过电位移平台(11)控制非线性饱和吸收样品(11)沿光传播方向进行移动，最后通过第五凸透镜(12)后由能量探测器(13)收集透过非线性饱和吸收样品(11)后的激光能力。
2.根据权利要求1所述的表征饱和吸收材料的高灵敏度测量方法，其特征在于：所述激光器输出的激光束(1)为线偏振高斯光束或准高斯光束。
3.根据权利要求1所述的表征饱和吸收材料的高灵敏度测量方法，其特征在于：所述空间光调制器(4)的工作响应波长与激光器相匹配，记载在空间光调制器(4)上的全息图与Ronchi光栅(8)的周期相匹配。
CN201510951769.6A 2015-12-17 2015-12-17 一种表征饱和吸收材料的高灵敏度测量方法 Pending CN105572081A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510951769.6A CN105572081A (zh) 2015-12-17 2015-12-17 一种表征饱和吸收材料的高灵敏度测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510951769.6A CN105572081A (zh) 2015-12-17 2015-12-17 一种表征饱和吸收材料的高灵敏度测量方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN105572081A true CN105572081A (zh) 2016-05-11

Family

ID=55882459

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510951769.6A Pending CN105572081A (zh) 2015-12-17 2015-12-17 一种表征饱和吸收材料的高灵敏度测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105572081A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106842605A (zh) * 2017-04-11 2017-06-13 中国科学技术大学 基于偏振分光镜的分光装置
CN108593121A (zh) * 2018-04-03 2018-09-28 上海交通大学 超短脉冲自相关测量装置和测量方法
CN113884471A (zh) * 2021-09-24 2022-01-04 中国科学院光电技术研究所 一种二维材料的晶向测试装置和方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07280724A (ja) * 1994-04-15 1995-10-27 Natl Space Dev Agency Japan<Nasda> 吸光度測定方法
CN101109703A (zh) * 2007-08-06 2008-01-23 苏州大学 基于4f相位相干成像的泵浦探测方法
CN101178484A (zh) * 2007-12-07 2008-05-14 南京大学 任意偏振分布矢量光束的生成装置
CN102937573A (zh) * 2012-11-26 2013-02-20 中国科学院上海光学精密机械研究所 Z扫描光学非线性测量装置和测量方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07280724A (ja) * 1994-04-15 1995-10-27 Natl Space Dev Agency Japan<Nasda> 吸光度測定方法
CN101109703A (zh) * 2007-08-06 2008-01-23 苏州大学 基于4f相位相干成像的泵浦探测方法
CN101178484A (zh) * 2007-12-07 2008-05-14 南京大学 任意偏振分布矢量光束的生成装置
CN102937573A (zh) * 2012-11-26 2013-02-20 中国科学院上海光学精密机械研究所 Z扫描光学非线性测量装置和测量方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BING GU ET AL.: "Z-scan characterization of optical nonlinearities of an imperfect sample profits from radially polarized beams", 《APPLIED PHYSICS B》 *
罗李浩: "用Tophat挡板Z-扫描技术研究酞菁铜有机薄膜的光学非线性", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 基础科学辑》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106842605A (zh) * 2017-04-11 2017-06-13 中国科学技术大学 基于偏振分光镜的分光装置
CN106842605B (zh) * 2017-04-11 2023-05-12 合肥全色光显科技有限公司 基于偏振分光镜的分光装置
CN108593121A (zh) * 2018-04-03 2018-09-28 上海交通大学 超短脉冲自相关测量装置和测量方法
CN113884471A (zh) * 2021-09-24 2022-01-04 中国科学院光电技术研究所 一种二维材料的晶向测试装置和方法
CN113884471B (zh) * 2021-09-24 2023-10-03 中国科学院光电技术研究所 一种二维材料的晶向测试装置和方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lan et al. Attosecond probing of nuclear dynamics with trajectory-resolved high-harmonic spectroscopy
Dubietis et al. Ultrafast supercontinuum generation in transparent solid-state media
Babushkin et al. Ultrafast spatio-temporal dynamics of terahertz generation by ionizing two-color femtosecond pulses in gases
Toma et al. Ponderomotive streaking of the ionization potential as a method for measuring pulse durations in the XUV domain with fs resolution
US11143558B2 (en) Method and system for measuring transient time width of ultrashort pulse
Shim et al. Loss of phase of collapsing beams
CN105699297B (zh) 一种单发次材料光克尔系数测量装置
CN105572081A (zh) 一种表征饱和吸收材料的高灵敏度测量方法
CN204330141U (zh) 一种高功率超短激光脉冲对比度测量装置
Li et al. Backward terahertz radiation from intense laser-solid interactions
Mogi et al. Externally triggerable optical pump-probe scanning tunneling microscopy
Hassan et al. Evolution of far-field diffraction patterns and nonlinear optical properties of SAE70 oil
CN108037471B (zh) 高密度等离子体产生的磁场的测量装置和测量方法
CN203930029U (zh) 应用于磁约束聚变装置的高精度磁场倾斜角测量系统
CN103187680B (zh) 一种提升超短脉冲激光信噪比的装置及方法
Guo et al. Determination of optical nonlinearities in Cu (mpo) 2 by Z-scan technique
CN103941517B (zh) 一种低限幅阈值的光限幅器
CN202002885U (zh) 双t-po技术测量材料光学非线性的装置
CN205880412U (zh) 一种引入参考光的电光调制器光脉冲整形装置
Liu et al. Resonance splitting and enhanced optical nonlinearities in ITO-based epsilon-near-zero metasurface with cross-shaped nanoantennas
CN204065597U (zh) 一种基于磁光效应的矢量偏振光束调制系统
CN104913853B (zh) 用于测量超强超短激光预脉冲的方法和系统
CN103048062A (zh) 一种测量脉冲放电等离子体鞘层温度的方法
CN203224435U (zh) 太赫兹时空分辨成像系统
CN106198450A (zh) 一种测量材料非线性吸收曲线的装置

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20160511