CN108107020B - 一种材料非线性折射率系数的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种材料非线性折射率系数的测量装置及测量方法，该发明是一种改进的泵浦‑探测技术，通过在泵浦束引入缺陷调制使得探针束获得增强的非线性相移，该测量装置及测量方法可以降低泵浦、探针光束均匀性以及CCD相机本底噪声对测试结果的影响，提高探测到的信号光的信噪比，从而提高测试精度。采用一维缺陷调制的方法还可以避免泵浦束和探测束的夹角导致的非线性相移强区在样品中的走离，使得该装置可以较为准确地测量数厘米长样品的非线性折射率系数。由于泵浦光和探测光相对独立，该装置可用于测试不同泵浦激光波长、偏振等参数条件下的非线性折射率系数。

Description

一种材料非线性折射率系数的测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于高功率固体激光技术领域，具体涉及一种基于相移增强型泵浦-探测技术的材料非线性折射率系数精密测试装置及测量方法。

背景技术

强激光在介质中传输时，光场将导致介质的折射率变化，这种变化反过来又影响激光束的空间分布、脉冲形状、频谱以及偏振态等特征，这种现象被称之为“自聚焦效应”。自聚焦效应就是激光束的一种“自作用”过程，从空间上来看可以分为全光束自聚焦和小尺度自聚焦，从时域的角度则分为稳态自聚焦、准稳态自聚焦以及瞬态自聚焦等。通常定义γ为介质的非线性折射率系数，用I和n₀分别表示泵浦光强和线性折射率，则高强度下的折射率表达式可以简单表示为n＝n₀+γI。将上述公式代入非线性光传输模型，可以获得强激光在非线性介质中的传输演化规律。

然而，非线性折射率系数的确定非常困难。理论上由于第一性原理计算不可用，以及高阶扰动对三阶非线性效应的影响，使得γ系数的计算非常困难。实验测量也存在诸多困难，受光束质量、其他效应的干扰以及测量系统误差等多方面因素的影响测量误差较大。以熔石英材料为例，在过去四十多年里陆陆续续报导的非线性折射率系数测量值中，其绝对值的差异非常大，甚至达到三倍之多，并且各测量结果自身的测量不确定性也很大。目前未见能直接测量含光脉冲时域分辨以及波长分辨的材料非线性折射率系数测试装置的报导。基于此，本发明提出一种基于相移增强型泵浦-探测技术的非线性折射率系数精密测试装置。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种材料非线性折射率系数的测量装置，包括：

用于激光通过并获得线偏振光的第一偏振片；

用于将线偏振光进行分光的第一反射镜，其透射的弱光为探针束，反射的强光为泵浦束；

用于调节探针束时序的延时器，其位于所述探针束的光路上，使探针束与泵浦束到达样品的时间完全同步；

用于调节从延时器射出的探针束的指向的反射镜组，其使探针束连续反射并通过第一频率转换器后射向样品；所述第一频率转换器用于将探针束转换成多次谐波；

用于调节泵浦束指向的第四反射镜，其使泵浦束反射并依次通过偏振衰减器、第二频率转换器后射向样品；所述第二频率转换器用于将泵浦束转换成多次谐波；

用于产生一维缺陷调制的水平遮光线，当其同时插入到第一频率转换器与样品间的探针束和第二频率转换器与样品间的泵浦束时，用于精密调节探针束和泵浦束的竖直方向指向一致性；当其只插入到第二频率转换器与样品间的泵浦束时，用于在样品中引入增强型的非线性相移；

用于吸收泵浦束的光吸收器，其位于样品的光路下游；

用于将探针束进行衰减滤波的滤波片，其位于样品的光路下游；

用于测量衰减滤波后的探针束强度的CCD相机，其位于滤波片的光路下游。

优选的是，所述第一频率转换器用于将探针束转换成二次、三次、四次或五次谐波。

优选的是，所述第二频率转换器用于将泵浦束转换成二次、三次、四次或五次谐波。

优选的是，所述反射镜组包括第二反射镜和第三反射镜。

优选的是，所述偏振衰减器按顺序包括四分之一玻片和第二偏振片。

本发明还提供一种采用上述的测量装置进行非线性折射率系数测量的方法，包括以下步骤：

步骤一、将水平遮光线同时插入到第一频率转换器与样品间的探针束和第二频率转换器与样品间的泵浦束上，以精密调节探针束和泵浦束的竖直方向指向一致性；

步骤二、仅将水平遮光线插入第二频率转换器与样品间的泵浦束上使之产生可控的一维强度调制，然后通过测量装置的调节使得泵浦束与探针束在样品处以小角度重叠，且两者之间的夹角沿水平方向，调节泵浦束与探针束之间的延时，使两者在时域重叠；其中，遮挡泵浦束，让探针束单独通过样品后经光传输到达CCD相机，得到探针束的本底光场分布；然后取消对泵浦束的遮挡，具有空间调制的泵浦束在样品中传输时产生对应的非线性折射率分布，探针束同时经过样品时感应到相位调制，经光传输后演化为强度调制并用CCD相机记录，得到探针束的调制光场分布；两次探针束的光场分布相减得到高信噪比的信号光图样；

步骤三、在步骤二的基础上，固定探针束能量，利用偏振衰减器调节泵浦束能量获得不同条件下的信号演化图样，采用数值方法迭代反演得到非线性折射率系数。

优选的是，所述步骤一中，探针束和泵浦束的光束指向在水平方向具有小于5°的夹角，竖直方向严格平行。

本发明至少包括以下有益效果：本发明在泵浦束上引入了一维缺陷调制，该测量装置及测量方法可以降低泵浦、探针光束均匀性以及CCD相机本底噪声对测试结果的影响，提高探测到的信号光的信噪比，从而提高测试精度，采用一维缺陷调制的方法还可以避免泵浦束和探测束的夹角导致的非线性相移强区在样品中的走离，使得该装置可以较为准确地测量数厘米长样品的非线性折射率系数，由于泵浦光和探测光相对独立，该装置可用于测试不同泵浦激光波长、偏振等参数条件下的非线性折射率系数。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明所述测量装置的结构示意图；

图2为本发明在实验中，探针束与泵浦束同偏振条件下的非线性折射率响应特性曲线；

图3为本发明在模拟过程中，探针束与泵浦束同偏振条件下的非线性折射率响应特性曲线；

图4为本发明在实验中，探针束与泵浦束垂直偏振条件下的非线性折射率响应特性实验结果。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图1示出了本发明的一种材料非线性折射率系数的测量装置，包括：

用于激光通过并获得线偏振光的第一偏振片1；

用于将线偏振光进行分光的第一反射镜2，其透射的弱光为探针束，反射的强光为泵浦束；

用于调节探针束时序的延时器3，其位于所述探针束的光路上，使探针束与泵浦束到达样品7的时间完全同步；

用于调节从延时器3射出的探针束的指向的反射镜组，其使探针束连续反射并通过第一频率转换器6后射向样品；所述第一频率转换器用于将探针束转换成多次谐波；所述反射镜组包括第二反射镜4和第三反射镜5；

用于调节泵浦束指向的第四反射镜10，其使泵浦束反射并依次通过偏振衰减器、第二频率转换器13后射向样品7；所述第二频率转换器13用于将泵浦束转换成多次谐波；所述偏振衰减器按顺序包括四分之一玻片11和第二偏振片12；

用于产生一维缺陷调制的水平遮光线14，当其同时插入到第一频率转换器6与样品7间的探针束和第二频率转换器13与样品7间的泵浦束时，用于精密调节探针束和泵浦束的竖直方向指向一致性；当其只插入到第二频率转换器13与样品7间的泵浦束时，用于在样品中引入增强型的非线性相移；

用于吸收泵浦束的光吸收器15，其位于样品的光路下游；

用于将探针束进行衰减滤波的滤波片8，其位于样品的光路下游；

用于测量衰减滤波后的探针束强度的CCD相机9，其位于滤波片的光路下游；

在上述技术方案中，所述第一频率转换器用于将探针束转换成二次、三次、四次或五次谐波。

在上述技术方案中，所述第二频率转换器用于将泵浦束转换成二次、三次、四次或五次谐波。

采用本发明的测量装置，使波长为1053nm/1064nm的强激光经过第一偏振片1获得线偏振光后，由第一反射镜2分光，透射的弱光为探针束，反射的强光作为泵浦束，延时器3用于调节探针束的时序，使之与泵浦束到达样品的时间严格同步，第二反射镜4和第三反射镜5负责调节探针束的指向，第一频率转换器6可用于将探针束转换成二次、三次、四次或五次谐波，使得该装置能够测量不同波长激光之间的非线性折射率响应系数；随后探针束抵达样品7；泵浦束由第四反射镜10调节指向，四分之一玻片11和第二偏振片12组合成偏振衰减器，可用于调节泵浦束的能量，第一偏振片1和第二偏振片12组合则可以调节泵浦束和探针束的相对偏振关系，第二频率转换器13可用于将泵浦束转换成二次、三次、四次或五次谐波，使得该装置能够测量不同波长激光之间的非线性折射率响应系数，水平遮光线14用于产生一维缺陷调制，当同时插入泵浦束和探针束时，可用于精密调节两束光的指向一致性；仅插入到泵浦束时，可在样品中引入增强型的非线性相移，提高装置的测试精度，泵浦束从样品7出射后由光吸收器15吸收，探针束从样品7出射后经滤波片8衰减滤波后进入CCD相机9来测量其强度分布。

一种采用上述的测量装置进行非线性折射率系数测量的方法，包括以下步骤：

步骤一、将水平遮光线同时插入到第一频率转换器与样品间的探针束和第二频率转换器与样品间的泵浦束上，以精密调节探针束和泵浦束的指向一致性；其中，用于测试的泵浦光和探针光同源，但能量、偏振、波长独立可调，两束光之间的延时可调；且探针束和泵浦束的光束指向在水平方向具有小于5°的夹角，竖直方向严格平行；采用小于5°的夹角使得泵浦束与探针束光场在样品厚度范围内传输时都能重叠；

步骤二、仅将水平遮光线插入第二频率转换器与样品间的泵浦束上使之产生可控的一维强度调制，然后通过测量装置的调节使得泵浦束与探针束在样品处以小角度重叠，且两者之间的夹角沿水平方向，调节泵浦束与探针束之间的延时，使两者在时域重叠；其中，遮挡泵浦束，让探针束单独通过样品后经光传输到达CCD相机，得到探针束的本底光场分布；然后取消对泵浦束的遮挡，具有空间调制的泵浦束在样品中传输时产生对应的非线性折射率分布，探针束同时经过样品时感应到相位调制，经光传输后演化为强度调制并用CCD相机记录，得到探针束的调制光场分布；两次探针束的光场分布相减得到高信噪比的信号光图样；

步骤三、在步骤二的基础上，固定探针束能量，利用偏振衰减器调节泵浦束能量获得不同条件下的信号演化图样，采用数值模拟方法迭代反演得到非线性折射率系数。

在本发明中，调节倍频器(第一频率转换器和第二频率转换器)工作模式以及衰减片配置，可用于测量不同波长激光之间的非线性折射率响应系数。调节第一偏振片和第二偏振片的姿态，可用于测量不同偏振激光之间的非线性折射率响应系数。调节延时器，可以用于测量非线性折射率系数的时域响应特性。

在本发明中，数值模拟方法迭代反演得到非线性折射率系数的过程采用以下方法：

根据泵浦-探测实验中双光束耦合的需求，同时兼顾非简并条件下的非线性自聚焦演化机制，在数值模型中考虑直接建立非简并的双光束稳态非线性波动方程组，如式(1)所示。

上式中γ₁₁和γ₂₂分别表示自相位调制项，而γ₁₂和γ₂₁则表示互相位调制项，当后者取零时，即可退化为简并条件下的非线性波动方程。将含时的激光场以及γ系数代入上述方程即得到含时的波动方程。不过即使是在稳态条件下，上述方程也难以求出稳态的解析解，引入含时量后方程的求解难度非常高，只能采用数值计算来求解。

数值求解的基本思路采用分布傅里叶算法和四阶龙格库塔方法相结合的算法，前者用于计算衍射项，后者则用于考虑非线性耦合项。当然，在计算中需要引入多重时间循环来模拟光场时域特性与γ系数的时域响应模型之间的关联关系，在多波长条件下还涉及到各波长激光之间的时间延迟。为了简化计算量，对于诸如熔石英等各项同性介质，可以仅考虑一维空间和一维时间的x-t模型，或是基于汉克尔变换的r-t模型。

基于上述数值模拟程序，根据不同泵浦光强下获得的调制演化图样，通过迭代可以反演出非线性折射率系数的大小。

采用本发明的装置及测量方法进行实验，通过调节衰减片配置，实验首先研究了探针束和泵浦束同偏振的条件下的非线性折射率响应特性，如图2和3所示。图中标示1，2，3，4分别代表泵浦光平均光强为1.1GW/cm²，0.82GW/cm²，0.446GW/cm²以及0.285GW/cm²。调制线的直径为560μm，样品厚度为5mm，调制线与CS₂样品的距离为47cm，样品到CCD的距离为129cm。将上述参数代入非线性光传输数值模型，并通过虚线框所示的饱和点(非线性相移量超过2π)可以反演得到CS₂的非线性折射率系数为3.4e-18m²/W。

在此基础上，将泵浦束的偏振态旋转90°，使之与探针束的偏振态垂直，以同样的方法测量了不同泵浦光功率密度下的非线性折射率响应特性，如图4所示。将上述数据代入非线性光传输模拟程序，同样以同偏振条件下获得的CS₂的γ系数为基准(图2)，反演折算出垂直偏振条件下CS₂的γ系数为1.2e-18m²/W。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种采用材料非线性折射率系数的测量装置进行非线性折射率系数测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将水平遮光线同时插入到第一频率转换器与样品间的探针束和第二频率转换器与样品间的泵浦束上，以精密调节探针束和泵浦束的竖直方向指向一致性；

步骤二、仅将水平遮光线插入第二频率转换器与样品间的泵浦束上使之产生可控的一维强度调制，然后通过测量装置的调节使得泵浦束与探针束在样品处以小角度重叠，且两者之间的夹角沿水平方向，调节泵浦束与探针束之间的延时，使两者在时域重叠；其中，遮挡泵浦束，让探针束单独通过样品后经光传输到达CCD相机，得到探针束的本底光场分布；然后取消对泵浦束的遮挡，具有空间调制的泵浦束在样品中传输时产生对应的非线性折射率分布，探针束同时经过样品时感应到相位调制，经光传输后演化为强度调制并用CCD相机记录，得到探针束的调制光场分布；两次探针束的光场分布相减得到高信噪比的信号光图样；

步骤三、在步骤二的基础上，固定探针束能量，利用偏振衰减器调节泵浦束能量获得不同条件下的信号演化图样，采用数值方法迭代反演得到非线性折射率系数；

其中，所述材料非线性折射率系数的测量装置，包括：

用于激光通过并获得线偏振光的第一偏振片；

用于将线偏振光进行分光的第一反射镜，其透射的弱光为探针束，反射的强光为泵浦束；

用于调节探针束时序的延时器，其位于所述探针束的光路上，使探针束与泵浦束到达样品的时间完全同步；

用于调节从延时器射出的探针束的指向的反射镜组，其使探针束连续反射并通过第一频率转换器后射向样品；所述第一频率转换器用于将探针束转换成多次谐波；

用于调节泵浦束指向的第四反射镜，其使泵浦束反射并依次通过偏振衰减器、第二频率转换器后射向样品；所述第二频率转换器用于将泵浦束转换成多次谐波；

用于产生一维缺陷调制的水平遮光线，当其同时插入到第一频率转换器与样品间的探针束和第二频率转换器与样品间的泵浦束时，用于精密调节探针束和泵浦束的竖直方向指向一致性；当其只插入到第二频率转换器与样品间的泵浦束时，用于在样品中引入增强型的非线性相移；

用于吸收泵浦束的光吸收器，其位于样品的光路下游；

用于将探针束进行衰减滤波的滤波片，其位于样品的光路下游；

用于测量衰减滤波后的探针束强度的CCD相机，其位于滤波片的光路下游。

2.如权利要求1所述的采用材料非线性折射率系数的测量装置进行非线性折射率系数测量的方法，其特征在于，所述第一频率转换器用于将探针束转换成二次、三次、四次或五次谐波。

3.如权利要求1所述的采用材料非线性折射率系数的测量装置进行非线性折射率系数测量的方法，其特征在于，所述第二频率转换器用于将泵浦束转换成二次、三次、四次或五次谐波。

4.如权利要求1所述的采用材料非线性折射率系数的测量装置进行非线性折射率系数测量的方法，其特征在于，所述反射镜组包括第二反射镜和第三反射镜。

5.如权利要求1所述的采用材料非线性折射率系数的测量装置进行非线性折射率系数测量的方法，其特征在于，所述偏振衰减器按顺序包括四分之一玻片和第二偏振片。

6.如权利要求1所述的采用材料非线性折射率系数的测量装置进行非线性折射率系数测量的方法，其特征在于，所述步骤一中，探针束和泵浦束的光束指向在水平方向具有小于5°的夹角，竖直方向严格平行。