CN107561017A - 一种光学材料非线性吸收率微区测量方法、装置及系统 - Google Patents

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张峻
陈润泽
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许中杰
程湘爱
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韦可
李汉
武庆雄
刘煜
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周军虎
杨澜
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Abstract

本发明公开了一种光学材料非线性吸收率微区测量方法、装置及系统，方法以具有变化光强的激光照射待测样品的固定照射区域，获取照射待测样品前的激光的第一光强和照射待测样品后的透射激光的第二光强，通过所述第一光强和所述第二光强计算确定所述待测样品的非线性吸收率。本发明具有可准备的测量待测样品的测量区域的非线性吸收率，不会因为在测量过程中激光的照射区域发生变化而降低测量结果精度，测量精度高、稳定性好、操作简单等优点。

Description

一种光学材料非线性吸收率微区测量方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及光学材料非线性吸收测量领域，尤其涉及一种光学材料非线性吸收率微区测量方法及系统，其被用在光学材料参数计量，光谱，相移色散计量和材料工程中，在光学材料，特别是纳米材料的非线性效应研究中。
背景技术
具有优秀非线性系数的光学材料被广泛地运用于制造发光二极管（LED），激光器，太阳能电池等器件。
通常通过由SheikBahae等人最先提出的激光Z扫描技术来测量光学材料的非线性系数。在系统中，汇聚的大功率激光光束穿过被测量的材料样品。样品可在光线传播的Z方向移动，从而随着样品位置的变化，照射在样品上的光斑大小会随之变化并导致光强变化。由于光强过大导致材料发生非线性吸收现象，透过样品的光强会显著下降。所以，通过Z扫描技术，能够将样品的非线性吸收系数与样品在Z方向的位置测算出来。
已知系统的缺点在于，样品在光束传播方向上存在位移，不能保证光斑始终照射在样品相同区域，从而无法保证对非均匀样品的测量的准确性。
当下针对非均匀材料的相关研究需求巨大，传统Z扫描技术无法满足技术需求，能针对非均匀材料的特殊要求，进行非线性吸收系数测量的技术研究有着重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种可准备的测量待测样品的测量区域的非线性吸收率，不会因为在测量过程中激光的照射区域发生变化而降低测量结果精度，测量精度高、稳定性好、操作简单的光学材料非线性吸收率微区测量方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种光学材料非线性吸收率微区测量方法，其特征在于：以具有变化光强的激光照射待测样品的固定照射区域，获取照射待测样品前的激光的第一光强和照射待测样品后的透射激光的第二光强，通过所述第一光强和所述第二光强计算确定所述待测样品的非线性吸收率。
作为本发明的进一步改进，用激光照射可以垂直于光路移动的线性光学衰减片，通过调整所述线性光学衰减片的位移来得到具有变化光强的激光；
用分光设备将所述激光分为两束强度相等的激光，一束用来照射待测样品，其透射激光的强度为所述第二光强；直接获取另一束激光的光强，即所述照射待测样品前的激光的第一光强。
一种光学材料非线性吸收率微区测量装置，包括：激光器、光强调节器、分光镜、第一光强探测器、第二光强探测器；
所述激光器用于产生激光；
所述光强调节器、分光镜依次设置在所述激光的光路上；光强调节器用于对所述激光的光强进行调节，以产生具有线性变化光强的激光；
所述分光镜用于将所述激光分为两束强度相等的激光；
所述第一光强探测器用于测量其中一束激光的第一光强；
所述第二光强探测器用于测量另一束激光照射待测样品后的透射激光的第二光强。
作为本发明的进一步改进，所述光强调节器包括设置在运动组件上的线性光学衰减片，所述线性光学衰减片可以在所述运动组件上移动，通过移动所述线性光学衰减片来调整所述激光的光强。
作为本发明的进一步改进，所述运动组件为电动导轨，所述线性光学衰减片可以在所述电动导轨上垂直于激光光路移动。
作为本发明的进一步改进，还包括光参量放大器、和/或滤光片；
所述光参量放大器、滤光片依次设置在激光光路上且位于所述线性光学衰减片的前端；
所述光参量放大器用于对所述激光进行调频；
所述滤光片用于对调频后的激光进行滤波，生成单色激光。
作为本发明的进一步改进，还包括共聚焦显微镜，所述共聚焦显微镜设置在所述分光镜与所述第二光强探测器之间的光路上，所述待测样品放置在所述共聚焦显微镜的载物台上。
作为本发明的进一步改进，还包括光学图像采集器，所述光学图像采集器与所述共聚焦显微镜连接，用于采集所述待测样品的显微镜观测图像。
一种光学材料非线性吸收率微区测量系统，包括计算机和如权利要求3至9任一项所述的测量装置；
所述计算机分别与所述测量装置的第一光强探测器和第二光强探测器连接，用于根据所述第一光强探测器和第二光强探测器的信号计算待测样品的非线性吸收率；
所述计算机还与所述测量装置的光强调节器连接，用于控制光强调节器以产生符合测量要求的具有线性变化光强的激光。
作为本发明的进一步改进，还包括功率计，所述功率计用于对所述第一光强探测器和第二光强探测器的信号进行预处理后提供给所述计算机。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明以具有变化光强的激光照射待测样品，在测量过程中不需要移动待测样品，可以保证在整个测量过程中激光在待测样品上的照射位置不变，从而可以准确的测量出待测样品的非线性吸收率。
2、本发明通过线性光学衰减片在激光光路上的移动来产生具有变化光强的激光，并通过分光镜分为强度相等的两束激光，一束激光用来直接测量获得光强，另一束用来照射待测样品并获取透射光强，从而可以准确的获得照射待测样品前后激光的光强，保证测量结果的准确。
3、本发明结构简单，只需要有限的几个设备即可构建本发明的测量系统，成本低、精度高、稳定性好。
4、本发明通过共聚焦显微镜的载物台为待测样品的承载体，并且，通过共聚焦显微镜可以准确的调整、确定待测样品的测量区域，以及获取等测样品测量区域的光学图像，操作方便。
附图说明
图1为本发明具体实施例结构示意图。
图例说明：1、激光器；2、光参量放大器；3、滤光片；4、线性光学衰减片；5、电动导轨；6、分光镜；7、第一光强探测器；8、第二光强探测器；9、计算机；10、功率计；11、共聚焦显微镜；12、待测样品；13、反射镜；14、聚焦透镜；15、CCD光学相机。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
本实施例的光学材料非线性吸收率微区测量方法，以具有变化光强的激光照射待测样品的固定照射区域，获取照射待测样品前的激光的第一光强和照射待测样品后的透射激光的第二光强，通过所述第一光强和所述第二光强计算确定所述待测样品的非线性吸收率。
在本实施例中，用激光照射可以垂直于光路移动的线性光学衰减片，通过调整所述线性光学衰减片的位移来得到具有变化光强的激光；用分光设备将所述激光分为两束强度相等的激光，一束用来照射待测样品，其透射激光的强度为所述第二光强；直接获取另一束激光的光强，即所述照射待测样品前的激光的第一光强。
在本实施例中，通过将激光器产生的激光照射线性光学衰减片来调整激光的光强，并通过线性光学衰减片在光路上移动光强线性变化的激光，再用光强为线性变化的激光来照射待测样品，从而在测量过程中不需要移动待测样品，保证在整个测量过程中激光始终都照射在待测样品的同一位置，从而可以准确的测量出待测样品的非线性吸收率。在本实施例中，通过分交设备将经线性光学衰减片产生的激光分为光强相等的两束激光，一束用于测量照射待测样品前的激光的光强，另一束用于照射待测样品，从而测量得到待测样品的透射激光的光强，可以保证测量准确、精度高。
如图1所示，本实施例的光学材料非线性吸收率微区测量装置，包括：激光器1、光强调节器、分光镜6、第一光强探测器7、第二光强探测器8；激光器1用于产生激光；光强调节器、分光镜6依次设置在激光的光路上；光强调节器用于对激光的光强进行调节，以产生具有线性变化光强的激光；分光镜6用于将激光分为两束强度相等的激光；第一光强探测器7用于测量其中一束激光的第一光强；第二光强探测器8用于测量另一束激光照射待测样品12后的透射激光的第二光强。在本实施例中，由于分光镜6将激光分成的两束激光的强度相等，因此，第一光强即等于照射待测样品12的激光的光强，第二光强即为照射待测样品12的透射光强。在本实施例中，为了保证第一光强探测器7和第二光强探测器8测量的光强更加准确，在其前端还设置有聚焦透镜14。
在本实施例中，激光器1为飞秒激光器。光强调节器为设置在运动组件上的线性光学衰减片4，线性光学衰减片4可以在运动组件上移动，通过移动线性光学衰减片4来调整激光的光强。运动组件为电动导轨5，线性光学衰减片4可以在电动导轨5上垂直于激光光路移动。通过移动线性光学衰减片4，使得激光照射在线性光学衰减片的不同位置，来使得线性光学衰减片4的透射激光的光强发生线性改变，得到线性变化的激光。
在本实施例中，还包括光参量放大器2、和/或滤光片3；光参量放大器2、滤光片3依次设置在激光光路上且位于线性光学衰减片4的前端；光参量放大器2用于对激光进行调频；滤光片3用于对调频后的激光进行滤波，生成单色激光。
在本实施例中，还包括共聚焦显微镜11，共聚焦显微镜11设置在分光镜6与第二光强探测器8之间的光路上，待测样品12放置在共聚焦显微镜11的载物台上。还包括光学图像采集器，光学图像采集器与共聚焦显微镜11连接，用于采集待测样品12的显微镜观测图像。激光通过共聚焦显微镜11的物镜照射待测样品12，并通过物镜来聚焦照射待测样品12的激光。
在本实施例中，将待测样品12放置在共聚焦显微镜14的载物台上，在测量开始前，通过共聚焦显微镜可以确定待测样品12的测量区域，该测量区域可以精确的控制到测量要求的微小区域，保证测量的精准。并且，在测量过程中，激光通过共聚焦显微镜11的物镜照射待测样品12，待测样品12的位置不发生移动，使得激光在整个测量过程中都照射在所确定的同一测量区域，可以精确的保证测量结果的准确性和精度。同时，通过共聚焦显微镜14和光学图像采集器可以对待测样品12的测量区域进行显微拍照，获得图像信息，以帮助对测量结果的分析。
在本实施例中，光学图像采集器为一台CCD光学相机15。在CCD光学相机15前端的光路上，设置有用于改变光路传播方向的反射镜13和聚焦透镜14，通过反射镜13来改变光路，以使得CCD光学相机15的安装更加方便，聚焦透镜14可使得CCD光学相机15能够获得更加清晰的图像。
如图1所示，本实施例的光学材料非线性吸收率微区测量系统，包括计算机9和如上所述的测量装置；计算机9分别与测量装置的第一光强探测器7和第二光强探测器8连接，用于根据第一光强探测器7和第二光强探测器8的信号计算待测样品12的非线性吸收率；计算机9还与测量装置的光强调节器连接，用于控制光强调节器以产生符合测量要求的具有线性变化光强的激光。还包括功率计10，功率计10用于对第一光强探测器7和第二光强探测器8的信号进行预处理后提供给计算机9。在本实施例中，CCD光学相机15与计算机9连接，图1中A点所示，将所获取的光学图像发送到计算机9，通过计算机9即可方便的查看所获取的光学图像，并方便在计算机上进行图像分析与处理。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种光学材料非线性吸收率微区测量方法，其特征在于：以具有变化光强的激光照射待测样品的固定照射区域，获取照射待测样品前的激光的第一光强和照射待测样品后的透射激光的第二光强，通过所述第一光强和所述第二光强计算确定所述待测样品的非线性吸收率。
2.根据权利要求1所述的光学材料非线性吸收率微区测量方法，其特征在于：用激光照射可以垂直于光路移动的线性光学衰减片，通过调整所述线性光学衰减片的位移来得到具有变化光强的激光；
用分光设备将所述激光分为两束强度相等的激光，一束用来照射待测样品，其透射激光的强度为所述第二光强；直接获取另一束激光的光强，即所述照射待测样品前的激光的第一光强。
3.一种光学材料非线性吸收率微区测量装置，其特征在于，包括：激光器（1）、光强调节器、分光镜（6）、第一光强探测器（7）、第二光强探测器（8）；
所述激光器（1）用于产生激光；
所述光强调节器、分光镜（6）依次设置在所述激光的光路上；光强调节器用于对所述激光的光强进行调节，以产生具有线性变化光强的激光；
所述分光镜（6）用于将所述激光分为两束强度相等的激光；
所述第一光强探测器（7）用于测量其中一束激光的第一光强；
所述第二光强探测器（8）用于测量另一束激光照射待测样品（12）后的透射激光的第二光强。
4.根据权利要求3所述的光学材料非线性吸收率微区测量装置，其特征在于：所述光强调节器包括设置在运动组件上的线性光学衰减片（4），所述线性光学衰减片（4）可以在所述运动组件上移动，通过移动所述线性光学衰减片（4）来调整所述激光的光强。
5.根据权利要求4所述的光学材料非线性吸收率微区测量装置，其特征在于：所述运动组件为电动导轨（5），所述线性光学衰减片（4）可以在所述电动导轨（5）上垂直于激光光路移动。
6.根据权利要求4所述的光学材料非线性吸收率微区测量装置，其特征在于：还包括光参量放大器（2）、和/或滤光片（3）；
所述光参量放大器（2）、滤光片（3）依次设置在激光光路上且位于所述线性光学衰减片（4）的前端；
所述光参量放大器（2）用于对所述激光进行调频；
所述滤光片（3）用于对调频后的激光进行滤波，生成单色激光。
7.根据权利要求3至6任一项所述的光学材料非线性吸收率微区测量装置，其特征在于：还包括共聚焦显微镜（11），所述共聚焦显微镜（11）设置在所述分光镜（6）与所述第二光强探测器（8）之间的光路上，所述待测样品（12）放置在所述共聚焦显微镜（11）的载物台上。
8.根据权利要求7所述的光学材料非线性吸收率微区测量装置，其特征在于：还包括光学图像采集器，所述光学图像采集器与所述共聚焦显微镜（11）连接，用于采集所述待测样品（12）的显微镜观测图像。
9.一种光学材料非线性吸收率微区测量系统，其特征在于：包括计算机（9）和如权利要求3至9任一项所述的测量装置；
所述计算机（9）分别与所述测量装置的第一光强探测器（7）和第二光强探测器（8）连接，用于根据所述第一光强探测器（7）和第二光强探测器（8）的信号计算待测样品（12）的非线性吸收率；
所述计算机（9）还与所述测量装置的光强调节器连接，用于控制光强调节器以产生符合测量要求的具有线性变化光强的激光。
10.根据权利要求9所述的光学材料非线性吸收率微区测量系统，其特征在于：还包括功率计（10），所述功率计（10）用于对所述第一光强探测器（7）和第二光强探测器（8）的信号进行预处理后提供给所述计算机（9）。
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