CN109406453B - 一种自动确定最优入射光强的z扫描测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的Z扫描测量方法。本发明通过对不同的待测样品进行预扫描可以自动确定对应待测样品最优的测量光强。在此最优测量光强下可以有效的避免：(1)因测量光强过强导致的高阶非线性光学效应的影响；(2)因光测量强过弱导致的噪声信号相对过大带来的影响，从而使得测量结果准确可靠。在装置中设置多个反射镜及小孔光阑，对入射光束进行整形。在装置中添加了相应的器件来监测测量过程中所遇到的激光器能量波动、激光器锁模不稳、样品击穿等所产生的影响，添加了相应的器件来避免测量过程中所遇到的热效应和偏振态的影响。在此基础上本装置还可以实现入射光源可更换、偏振态可调节、闭孔数据和开孔数据同时测量等功能。

Description

一种自动确定最优入射光强的Z扫描测量方法

技术领域

本发明涉及一种改进的Z扫描测量方法，属于非线性光学和光学检测领域。

背景技术

材料的三阶光学非线性使得折射率和吸收系数与光强不再成线性比例，利用该特殊性质，可实现双光子光谱，高分辨荧光显微，光动力疗法，上转换激光，微纳制造，三维光学数据存储，光限幅等诸多应用。近几十年来得到长足的发展。特别是近些年来基于非线性光学的新技术和新应用的出现大大推动了该领域的发展。利用材料的非线性效应，对非线性光学参数的测量非常关键。传统测量光学非线性方法有：非线性干涉、简并四波混频、近简并三波混频、椭偏技术和光束畸变测量等。前四种方法测量灵敏度高，但是不能测量非线性折射率的符号，而且测量装置非常复杂，实现起来比较困难。

1990年，由M.Sheik-Bahae等人首先提出来的单光束Z扫描技术具有装置简单、测量灵敏度较高等优点，可以探测到λ/300的波前畸变，而且这种方法可同时测量三阶非线性折射率和非线性吸收系数的大小与符号(参见SHEIK-BAHAE,M.；SAID,A.A.；WEI，T.H.；HAGAN,D.J.；STRYLAND,E.W.V.，Sensitive measurement of optical nonlinearitiesusing a single beam.IEEE J.Quantum Electron.1990,26(4),760-769.)。在此基础上，J.Wang等人又提出了时间分辨双色Z扫描技术，可以测量不同时间延迟下的非简并非线性吸收和非简并非线性折射率(参见Wang,J.；Sheik-Bahae,M.；Said,A.A.；Hagan,D.J.；Stryland,E.W.V.，Time-resolved z-scan measurements of opticalnonlinearities.J.Opt.Soc.Am.B 1994,11(6),1009-1017.)。后来，又有很多研究者提出了许多改进的方法，Z扫描技术己经发展成为材料非线性光学特性研究中一种广泛使用的具有重要实际应用价值的实验方法。

Z扫描技术是由于在测量过程中要求被测样品沿着光束传输的光轴方向移动，因此而得名。Z扫描技术是基于空间光束畸变的原理，通过闭孔(有孔)和开孔(无孔)Z扫描实验，测量介质的三阶非线性折射率和三阶非线性吸收系数，即χ⁽³⁾的实部和虚部。该方法的实验装置示意图如图1所示。近年来，Z扫描技术得到了不断地改进和发展，出现了许多新的改进方法。但基本原理大同小异。

在闭孔Z扫描实验中，通过透镜对激发光聚焦，样品沿Z方向扫描并通过透镜的焦点，由于介质的非线性作用，将引起光束的会聚或发散，从而引起通过光阑的光强发生变化。因非线性作用引起的光束变化示意图如图2所示。结合图1所示的Z扫描原理图：一束高斯激光经会聚透镜聚焦后经样品到远场经过小孔光阑到达探测器D₂，被测量的非线性介质样品放在焦点附近。透镜前放一分束器BS(Beam Splitter)，D₁测量输入光的变化情况，D₂测量经小孔后的透射光强，D₂/D₁定义为Z扫描归一化透过率。样品在焦点附近沿光传播方向(Z方向)的移动时，由于介质的非线性作用，将引起光束的发散或会聚，于是归一化透过率D₂/D₁将有与样品位置(Z)一一对应的关系。由归一化透过率与坐标Z的关系曲线即Z扫描曲线可以拟合得到介质的非线性折射率。

归一化透过率T(z)与材料性质有关，也与许多实验参数密切相关，如非线性折射系数γ、非线性吸收系数β、光束强度分布、光束时间特性、光波频率ω、孔径大小S(或称为孔径尺寸，Aperture Size，

其中r_a为光阑半径，w_a为当样品在远离焦点的线性区时光束在光阑处的束腰半径)、透镜焦距f、光束共焦长度z₀、束腰半径w₀、光功率密度I₀、样品厚度L等。如果在理论计算时不作某些假设和近似，获得T(z)与上述参量的解析表达式是很困难的。这样几乎不能反解出非线性折射系数γ和非线性吸收系数β。一般近似情况下，要求入射激光光束应为高斯分布，入射光强比较低等(参见SHEIK-BAHAE,M.；SAID,A.A.；WEI，T.H.；HAGAN,D.J.；STRYLAND,E.W.V.，Sensitive measurement ofoptical nonlinearities using a single beam.IEEE J.Quantum Electron.1990,26(4),760-769.)。因为只有当入射光强较小，实验中仅存在三阶光学非线性效应发生时，实验测得的非线性系数才是介质的三阶非线性系数；如果入射光强过大，将会出现其他的非线性效应，导致最后得到的值不准确。而如何合理的确定入射光强，满足入射光强较小的条件目前现有技术尚未提及。而且对于测量不同样品，所对应的合理入射光强是不一样的。如何自动快速的确定最优的入射光强，现有技术更是尚未提及。同时由于Z扫描技术仅限于测量投过样品的能量变化情况，不能够十分精确的区分样品里面是否仅仅发生了三阶非线性折射和三阶非线性吸收过程。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种改进的Z扫描装置及利用该装置实现的改进的测量方法。该测量方法能够通过预扫描过程自动的对不同的待测样品确定相应的最优的入射光强，以便对样品进行可靠和精确地测量。在装置中设置多个反射镜及小孔光阑，对入射光束进行整形，从而保证了入射光束的光束质量。同时在待测样品附近设置一个光学多道分析仪探头，从而可以实现发光材料上转换荧光测量，进而可以通过双光子荧光法确定该材料的双光子吸收截面。可以与Z扫描结果相互印证实验结果的准确性和可靠性。同时在测量装置中添加了相应的器件来监测测量过程中所遇到的激光器能量波动、激光器锁模不稳、样品击穿等所产生的影响，添加了相应的器件来避免测量过程中所遇到的热效应和偏振态的影响。在此基础上本装置还可以实现入射光源可更换、偏振态可调节、闭孔数据和开孔数据同时测量等功能。

本发明的技术解决方案如下：

一种改进的Z扫描装置，包括：输出激光波长λ的激光器，沿所述的激光器的激光输出的主光路构成的主光轴依次是第一小孔光阑、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜、第十反射镜、第十一反射镜、第十二反射镜、第二小孔光阑、斩波器、第一偏振片、第二偏振片、第一激光分光镜、第二激光分光镜、电控激光衰减片、第一汇聚透镜、待测样品、第三激光分光镜、第三小孔光阑、第二汇聚透镜、第一可调衰减片、光电倍增管；所述的光电倍增管与计算机相连；所述的第一激光分光镜与主光轴成45°，在所述的第一分光镜的反射光输出方向设置第一光电探测器，所述的第一光电探测器与示波器相连，所述的示波器与计算机相连；所述的第二激光分光镜与主光轴成45°，在所述的第二分光镜的反射光输出方向设置第二光电探测器，所述的第二光电探测器与计算机相连；所述的电控激光衰减片与衰减片控制器相连，所述的衰减片控制器与计算机相连；在待测样品附近设置光学多道分析仪探头，所述的光学多道分析仪探头与光学多道分析仪相连，所述的光学多道分析仪与计算机相连；所述的待测样品置于电动平台上，所述的电动平台与计算机相连；所述的第三激光分光镜与主光轴成45°，在所述的第三分光镜的反射光输出方向依次设置第二可调衰减片、第三汇聚透镜、第三光电探测器，所述的第三光电探测器与计算机相连；

所述的第一小孔光阑、第二小孔光阑直径均为5mm，第三孔径光阑直径30mm；所述的斩波器频率可调范围为4Hz至10KHz；所述的第二偏振片偏振方向为水平；第一激光分光镜、第二激光分光镜、第三激光分光镜是对波长λ的激光透射率均为90％，反射率均为10％的分光镜；所述的第一汇聚透镜焦距为15cm，所述的第二汇聚透镜、第三汇聚透镜焦距均为10cm。所述的待测样品厚度为1mm。

利用上述一种改进的Z扫描装置进行三阶非线性吸收系数和三阶非线性折射率的测量方法，包括下列步骤：

一、系统初始化：

①根据实际测量需要，选择合适激光器，根据激光器自身参数(如输出功率大小，脉冲频率等)调节第一偏振片来控制入射到待测样品的能量范围，同时调节第一可调衰减片、第二可调衰减片，保证在电控激光衰减片透过率为100％的情况下，待测样品和光电倍增管、第三光电探测器不会损坏。通过计算机设置所述的光电倍增管、第二光电探测器、电动平台、第三光电探测器的采样频率、采样点数和激光器同步工作。根据实际样品发光波长通过计算机设置光学多道分析仪的光谱采集范围。

二、预扫描

②将所述的待测样品置于电动平台上，调整待测样品的测量面垂直于所述的主光轴，即z轴，所述的第一汇聚透镜的焦点处为z＝0。所述的计算机同时启动所述的电动平台，衰减片控制器，第三光电探测器，所述的电动平台用来改变样品的位置，沿激光前进方向为正向，反方向为负向，所述的衰减片控制器对电控激光衰减片进行透过率连续的改变，所述的第三光电探测器输出的光强信号为透射闭孔数据。所述的待测样品在初始位置为z＝0处，所述的计算机控制衰减片控制器对电控激光衰减片进行透过率连续的改变，透过率从0％连续改变至100％，与此同时计算机同步采集第三光电探测器输出的光强信号曲线I₁(x)，其中x＝0,1,2,3……，100，分别对应透过率0％，1％，2％......，100％；所述的计算机控制电动平台将所述的待测样品移动至负向端点-10z₀处，定义z₀＝πω₀ ²/λ为光束共焦长度，其中λ为入射激光波长，ω₀＝2λf/πd为激光束腰半径，f为第一汇聚透镜的焦距，d为第一汇聚透镜处的光斑直径。所述的计算机控制衰减片控制器对电控激光衰减片进行透过率连续的改变，透过率从0％连续改变至100％，与此同时计算机同步采集第三光电探测器输出的光强信号曲线I₂(x)，其中x＝0,1,2,3……，100，分别对应透过率0％，1％，2％......，100％；令T₁(x)＝I₁(x)/I₂(x)，其中x＝0,1,2,3……，100，找出T₁(x)＝0.95对应的点x₀，通过所述的计算机控制衰减片控制器对电控激光衰减片的透过率调节到x₀％，此时入射到所述的待测样品上的光强为此样品的最优入射光强。

三、测量开孔、闭孔数据

③将所述的待测样品置于电动平台上，调整待测样品的测量面垂直于所述的主光轴，即z轴，所述的第一汇聚透镜的焦点处为z＝0。所述的计算机控制同时启动所述的光电倍增管、电动平台、第三光电探测器，所述的待测样品从负向端点-10z₀处沿主光轴向正向移动，经过第一汇聚透镜的焦点(z＝0)，运动范围20z₀。所述的光电倍增管，第三光电探测器将探测的光强信号输送至计算机处。采集的光电倍增管，第三光电探测器的输出光强信号分别为闭孔数据和开孔数据。以采集的光强值为纵坐标，z为横坐标，记录为闭孔曲线I_ca(z_n)和开孔曲线I_oa(z_n)，其中n＝1,2,3……,N，z_n为各采样点的横坐标，z₁～z_n的坐标值对应为-10z₀～+10z₀，焦点处的横坐标值为z_n＝0，N为采样点数。

四、监测部分

④所述的第一光电探测器发射出的激光脉冲波形输入至示波器，示波器将状态信息反馈给计算机；根据示波器呈现的信号可以监测由激光器发射出的脉冲激光是否锁模完好，以此来判断由激光器所发出的激光是否符合实验条件，如出现锁模异常，则判断此次Z扫描实验数据不可靠；所述的第二光电探测器将探测的光强信号实时输送至计算机处，在Z扫描过程中，采集第二光电探测器的输出光强信号为入射激光的功率监测曲线，如该曲线波动范围超过设定阈值，则判断此次Z扫描实验数据不可靠。若待测样品为发光材料，则在Z扫描过程中可同时监测双光子荧光光谱，所述的光学多道分析仪将探测的光谱数据输送至计算机处，采集到的所述的光谱数据横坐标为波长，纵坐标为光强，如在Z扫描过程中，特别是扫描至z＝0处附近时，双光子荧光光谱发生明显谱型变化，则判断此次Z扫描实验数据不可靠；如监测过程中出现上述异常，则系统自动放弃此次Z扫描数据，重新开始新的Z扫描实验。

五、数据处理

⑤试验参数的确定：待测样品处的入射光功率P_s可以通过第二光电探测器所测量得到的光功率P₂进行换算：P_s＝P₂*9*x₀％。对闭孔曲线I_ca(z_n)和开孔曲线I_oa(z_n)(其中n＝1,2,3……,N)进行归一化处理。将上述两个曲线中的纵坐标值分别除以相应的z₁处的纵坐标值，分别得到样品的归一化闭孔透射曲线T_ca(z_n)和T_oa(z_n)，其中n＝1,2,3……,N。取n₀为N/2的整数部分，令T_ca(n₀)和T_oa(n₀)对应的横坐标为0，也就是焦点处。

归一化透过率T(z)与材料性质有关，也与许多实验参数密切相关，如非线性折射系数γ、非线性吸收系数β、光束强度分布、光束时间特性、光波频率ω、孔径大小S(或称为孔径尺寸，Aperture Size，

其中r_a为光阑半径，w_a为当样品在远离焦点的线性区时光束在光阑处的束腰半径)、透镜焦距f、光束共焦长度z₀、束腰半径w₀、光功率密度I₀、样品厚度L等。在满足合理近似情况下，归一化透过率T_ca(z_n)可以写成如下式：

其中，x＝z_n/z₀是按共焦长度z₀归一化了的无量纲位置参数，ΔΦ＝kγI₀L_eff为非线性折射引起的相移，k＝2πn₀/λ为光波矢，γ为非线性折射系数，I₀为入射光强，L_eff＝[1-exp(-α₀L)]/α₀为样品的有效长度，α₀为材料的线性吸收系数。式(1)中只有一个γ为未知量，通过拟合能够得出γ的值。

开孔情况下由归一化的开孔透射曲线T_oa(z_n)，取焦点z₀＝0处开孔透射率值T_oa(0)，带入下式计算得到待测样品的非线性吸收系数β：

上式中，L_eff＝[1-exp(-α₀L)]/α₀为样品的有效长度，α₀为材料的线性吸收系数，可查的，L为样品厚度，I₀为入射光强。

作为优化方案，所述以上步骤②③④⑤可以在计算机软件中编程实现一键控制，从而实现测量过程自动化。

本发明的技术效果：

1.本发明中采用预扫描方式，能够自动的对不同的待测样品确定相应的最优的入射光强，以便对样品进行可靠和精确地测量。

2.本发明中采用多个按特定顺序和特定参数组合的反射镜及小孔光阑，对入射光束进行整形，从而保证了入射光束的光束质量。

3.本发明中在待测样品附近设置一个光学多道分析仪探头，从而可以实现发光材料上转换荧光测量，同时可以监测在Z扫描过程中是否有样品击穿等异常现象出现。

4.本发明在测量装置中添加了相应的器件(第二光电探测器、示波器、光学多道分析仪)来监测测量过程中所遇到的激光器能量波动、激光器锁模不稳、样品击穿等所产生的影响，提高了测量的可靠性和精确性。

5.本发明添加了相应的器件(斩波器、第二偏振片)来避免测量过程中所遇到的热效应和偏振态的影响。提高了测量的可靠性和精确性。

6.本发明还可以实现入射光源可更换、偏振态可调节、闭孔数据和开孔数据同时测量等功能。

附图说明

图1是现有的Z扫描实验装置示意图；

图2是现有的样品在透镜焦点前后发生自聚焦现象示意图；

图3是本发明的一种改进的Z扫描装置的光路结构图；

图4是本发明的一种改进的Z扫描装置的归一化闭孔透射曲线实验数据及理论拟合与Z扫描位置关系图；

图5是本发明的一种改进的Z扫描装置的归一化开孔透射曲线实验数据及理论拟合与Z扫描位置关系图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图3所示，图3是实现本发明测量方法而提出的改进Z扫描装置一个实施例的光路结构图，由图可见，本发明提出的一种改进的Z扫描装置，包括输出激光波长λ的激光器1，沿所述的激光器1的激光输出的主光路构成的主光轴依次是第一小孔光阑2、第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、第四反射镜6、第五反射镜7、第六反射镜8、第七反射镜9、第八反射镜10、第九反射镜11、第十反射镜12、第十一反射镜13、第十二反射镜14、第二小孔光阑15、斩波器16、第一偏振片17、第二偏振片18、第一激光分光镜19、第二激光分光镜20、电控激光衰减片21、第一汇聚透镜22、待测样品23、第三激光分光镜24、第三小孔光阑25、第二汇聚透镜26、第一可调衰减片27、光电倍增管28，所述的光电倍增管28与计算机38相连；所述的第一激光分光镜19与主光轴成45°，在所述的第一分光镜19的反射光输出方向设置第一光电探测器29，所述的第一光电探测器29与示波器39相连，所述的示波器39与计算机38相连；所述的第二激光分光镜20与主光轴成45°，在所述的第二分光镜20的反射光输出方向设置第二光电探测器30，所述的第二光电探测器30与计算机38相连；所述的电控激光衰减片21与衰减片控制器31相连，所述的衰减片控制器31与计算机38相连；在待测样品附近设置光学多道分析仪探头32，所述的光学多道分析仪探头32与光学多道分析仪33相连，所述的光学多道分析仪33与计算机38相连；所述的待测样品23置于电动平台34上，所述的电动平台与计算机38相连；所述的第三激光分光镜24与主光轴成45°，在所述的第三分光镜24的反射光输出方向依次设置第二可调衰减片35、第三汇聚透镜36、第三光电探测器37，所述的第三光电探测器37与计算机38相连；

所述的第一小孔光阑2、第二小孔光阑15直径均为5mm，第三孔径光阑25直径30mm；所述的斩波器16频率可调范围为4Hz至10KHz；所述的第二偏振片17偏振方向为水平；第一激光分光镜19、第二激光分光镜20、第三激光分光镜24是对波长λ的激光透射率均为90％，反射率均为10％的分光镜；所述的第一汇聚透镜22焦距为15cm，所述的第二汇聚透镜26、第三汇聚透镜36焦距均为10cm。所述的待测样品23厚度为1mm。

在本实施例中，激光器1选用激光波长为800nm重复频率为1KHz的脉冲飞秒激光器。

本发明测量方法的实施例的具体操作步骤如下：

一、系统初始化：根据实际测量需要，以及激光器参数设置Z扫描装置中器件的初始值，具体如下：

①根据实际测量需要，选择激光波长为800nm，调节第一偏振片16来控制入射到待测样品23的能量范围，同时调节第一可调衰减片27、第二可调衰减片35，保证在电控激光衰减片21透过率为100％的情况下，待测样品23和光电倍增管28、第三光电探测器37不会损坏。通过计算机38设置所述的光电倍增管28、第二光电探测器30、电动平台34、第三光电探测器37的采样频率、采样点数和激光器1同步工作。根据实际样品发光波长通过计算机38设置光学多道分析仪33的光谱采集范围。

二、预扫描：为了确定最优的测量光强，需要对待测样品23进行预扫描，具体如下：

②将所述的待测样品23置于电动平台34上，调整待测样品23的测量面垂直于所述的主光轴，即z轴，所述的第一汇聚透镜22的焦点处为z＝0。所述的计算机38同时启动所述的电动平台34，衰减片控制器31，第三光电探测器37，所述的电动平台用来改变样品的位置，沿激光前进方向为正向，反方向为负向，所述的衰减片控制器31对电控激光衰减片21进行透过率连续的改变，所述的第三光电探测器37输出的光强信号为透射闭孔数据。所述的待测样品23在初始位置为z＝0处，所述的计算机38控制衰减片控制器31对电控激光衰减片21进行透过率连续的改变，透过率从0％连续改变至100％，与此同时计算机38同步采集第三光电探测器37输出的光强信号曲线I₁(x)，其中x＝0,1,2,3……，100，分别对应透过率0％，1％，2％......，100％；所述的计算机38控制电动平台34将所述的待测样品23移动至负向端点-10z₀处，定义z₀＝πω₀ ²/λ为光束共焦长度，其中λ为入射激光波长，ω₀＝2λf/πd为激光束腰半径，f为第一汇聚透镜22的焦距，d为第一汇聚透镜22处的光斑直径。所述的计算机38控制衰减片控制器31对电控激光衰减片21进行透过率连续的改变，透过率从0％连续改变至100％，与此同时计算机38同步采集第三光电探测器37输出的光强信号曲线I₂(x)，其中x＝0,1,2,3……，100，分别对应透过率0％，1％，2％......，100％；令T₁(x)＝I₁(x)/I₂(x)，其中x＝0,1,2,3……，100，找出T₁(x)＝0.95对应的点55，通过所述的计算机38控制衰减片控制器31对电控激光衰减片21的透过率调节到55％，此时入射到所述的待测样品23上的光强为此样品的最优入射光强。

三、测量开孔、闭孔数据：Z扫描实验需要测量相应的开孔透过曲线和闭孔透射曲线，以此来计算出待测样品的非线性吸收系数和非线性折射系数，具体如下：

③将所述的待测样品23置于电动平台34上，调整待测样品23的测量面垂直于所述的主光轴，即z轴，所述的第一汇聚透镜22的焦点处为z＝0。所述的计算机38同时启动所述的光电倍增管28，电动平台34，第三光电探测器37，所述的待测样品23从负向端点-10z₀处沿主光轴向正向移动，经过第一汇聚透镜22的焦点(z＝0)，运动范围20z₀。所述的光电倍增管28，第三光电探测器37将探测的光强信号输送至计算机38处。采集的光电倍增管28，第三光电探测器37的输出光强信号分别为闭孔数据和开孔数据。以采集的光强值为纵坐标，z为横坐标，记录为闭孔曲线I_ca(z_n)和开孔曲线I_oa(z_n)，其中n＝1,2,3……,200，z_n为各采样点的横坐标，z₁～z₂₀₀的坐标值对应为-10z₀～+10z₀，焦点处的横坐标值为z_n＝0，采样点数为200。

四、监测部分：对于测量过程中可能遇到的影响因素进行监测，发现异常及时处理，具体如下：

④所述的第一光电探测器29发射出的激光脉冲波形输入至示波器39，示波器39将状态信息反馈给计算机38；根据示波器39呈现的信号可以监测由激光器1发射出的脉冲激光是否锁模完好，以此来判断由激光器1所发出的激光是否符合实验条件，如出现锁模异常，则判断此次Z扫描实验数据不可靠；所述的第二光电探测器30将探测的光强信号实时输送至计算机38处，在Z扫描过程中，采集第二光电探测器30的输出光强信号为入射激光的功率监测曲线，如该曲线波动范围超过设定阈值，则判断此次Z扫描实验数据不可靠。若待测样品23为发光材料，则在Z扫描过程中可同时监测双光子荧光光谱，所述的光学多道分析仪33将探测的光谱数据输送至计算机38处，采集到的所述的光谱数据横坐标为波长，纵坐标为光强，如在Z扫描过程中，特别是扫描至z＝0处附近时，双光子荧光光谱发生明显谱型变化，则判断此次Z扫描实验数据不可靠；如监测过程中出现上述异常，则系统自动放弃此次Z扫描数据，重新开始新的Z扫描实验。

五、数据处理：根据实验所得数据进行相应处理，得到所需的待测样品的非线性吸收系数和非线性折射系数。具体如下：

⑤试验参数的确定：待测样品23处的入射光功率P_s可以通过第二光电探测器30所测量得到的光功率P₂进行换算：P_s＝P₂*9*55％。对闭孔曲线I_ca(z_n)和开孔曲线I_oa(z_n)(其中n＝1,2,3……,200)进行归一化处理。将上述两个曲线中的纵坐标值分别除以相应的z₁处的纵坐标值，分别得到样品的归一化闭孔透射曲线T_ca(z_n)和T_oa(z_n)，其中n＝1,2,3……,200。取n₀为100，令T_ca(100)和T_oa(100)对应的横坐标为0，也就是焦点处。归一化闭孔透射曲线T_ca(z_n)和T_oa(z_n)如图4和图5所示。

归一化透过率T(z)与材料性质有关，也与许多实验参数密切相关，如非线性折射系数γ、非线性吸收系数β、光束强度分布、光束时间特性、光波频率ω、孔径大小S(或称为孔径尺寸，Aperture Size，

其中r_a为光阑半径，w_a为当样品在远离焦点的线性区时光束在光阑处的束腰半径)、透镜焦距f、光束共焦长度z₀、束腰半径w₀、光功率密度I₀、样品厚度L等。在满足合理近似情况下，归一化透过率T_ca(z_n)可以写成如下式：

这里，x＝z_n/z₀是按共焦长度z₀归一化了的无量纲位置参数，ΔΦ＝kγI₀L_eff为非线性折射引起的相移，k＝2πn₀/λ为光波矢，γ为非线性折射系数，I₀为入射光强，L_eff＝[1-exp(-α₀L)]/α₀为样品的有效长度，α₀为材料的线性吸收系数。式(1)中只有一个γ为未知量，通过拟合能够得出γ的值。

开孔情况下由归一化的开孔透射曲线T_oa(z_n)，取焦点z₀＝0处开孔透射率值T_oa(0)，带入下式计算得到待测样品23的非线性吸收系数β：

上式中，L_eff＝[1-exp(-α₀L)]/α₀为样品的有效长度，α₀为材料的线性吸收系数，可查的，L为样品厚度，I₀为入射光强。

所述以上步骤②③④⑤可以在软件中实现一键控制，从而实现测量过程自动化。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自动确定最优入射光强的Z扫描测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，系统初始化：根据实际测量需要，以及激光器参数设置Z扫描装置中器件的初始值；

步骤2，预扫描：为确定最优的测量光强，对待测样品(23)进行预扫描；

步骤3，测量开孔、闭孔数据：测量相应的开孔透过曲线和闭孔透射曲线，以此来计算出待测样品的非线性吸收系数和非线性折射系数；

步骤4，监测部分：对于测量过程中遇到的影响因素进行监测，发现异常及时处理；

步骤5，数据处理：根据所测量的数据进行相应处理，得到所需的待测样品的非线性吸收系数和非线性折射系数；

所述步骤2的具体实现包括：

将所述的待测样品(23)置于电动平台(34)上，调整待测样品(23)的测量面垂直于主光轴，即z轴，第一汇聚透镜(22)的焦点处为z＝0；计算机(38)同时启动所述的电动平台(34)，衰减片控制器(31)，第三光电探测器(37)，所述的电动平台(34)用来改变待测样品(23)的位置，沿激光前进方向为正向，反方向为负向，所述的衰减片控制器(31)对电控激光衰减片(21)进行透过率连续的改变，所述的第三光电探测器(37)输出的光强信号为透射闭孔数据；所述的待测样品(23)在初始位置为z＝0处，所述的计算机(38)控制衰减片控制器(31)对电控激光衰减片(21)进行透过率连续的改变，透过率从0％连续改变至100％，与此同时计算机(38)同步采集第三光电探测器(37)输出的光强信号曲线I₁(x)，其中x＝0,1,2,3……，100，分别对应透过率0％，1％，2％......，100％；所述的计算机(38)控制电动平台(34)将所述的待测样品(23)移动至负向端点-10z₀处，定义z₀＝πω₀ ²/λ为光束共焦长度，其中λ为入射激光波长，ω₀＝2λf/πd为激光束腰半径，f为第一汇聚透镜(22)的焦距，d为第一汇聚透镜(22)处的光斑直径；所述的计算机(38)控制衰减片控制器(31)对电控激光衰减片(21)进行透过率连续的改变，透过率从0％连续改变至100％，与此同时计算机(38)同步采集第三光电探测器(37)输出的光强信号曲线I₂(x)，其中x＝0,1,2,3……，100，分别对应透过率0％，1％，2％......，100％；令T₁(x)＝I₁(x)/I₂(x)，其中x＝0,1,2,3……，100，找出T₁(x)＝0.95对应的点x₀，通过所述的计算机(38)控制衰减片控制器(31)对电控激光衰减片(21)的透过率调节到x₀％，此时入射到所述的待测样品(23)上的光强为此样品的最优入射光强。

2.根据权利要求1所述的一种自动确定最优入射光强的Z扫描测量方法，其特征在于，

所述步骤1的具体实现包括：

根据实际测量需要，选择合适激光器，根据激光器自身参数调节第一偏振片(16)来控制入射到待测样品(23)的能量范围，同时调节第一可调衰减片(27)、第二可调衰减片(35)，保证在电控激光衰减片(21)透过率为100％的情况下，待测样品(23)和光电倍增管(28)、第三光电探测器(37)不会损坏；通过计算机(38)设置所述的光电倍增管(28)、第二光电探测器(30)、电动平台(34)、第三光电探测器(37)的采样频率、采样点数和激光器(1)同步工作；根据实际样品发光波长通过计算机(38)设置光学多道分析仪(33)的光谱采集范围。

3.根据权利要求1所述的一种自动确定最优入射光强的Z扫描测量方法，其特征在于，

所述步骤3的具体实现包括：

将所述的待测样品(23)置于电动平台(34)上，调整待测样品(23)的测量面垂直于所述的主光轴，即z轴，所述的第一汇聚透镜(22)的焦点处为z＝0；所述的计算机(38)控制同时启动光电倍增管(28)、电动平台(34)、第三光电探测器(37)，所述的待测样品(23)从负向端点-10z₀处沿主光轴向正向移动，经过第一汇聚透镜(22)的焦点z＝0，运动范围20z₀；所述的光电倍增管(28)，第三光电探测器(37)将探测的光强信号输送至计算机(38)处；采集的光电倍增管(28)，第三光电探测器(37)的输出光强信号分别为闭孔数据和开孔数据；以采集的光强值为纵坐标，z为横坐标，记录为闭孔曲线I_ca(z_n)和开孔曲线I_oa(z_n)，其中n＝1,2,3……,N，z_n为各采样点的横坐标，z₁～z_n的坐标值对应为-10z₀～+10z₀，焦点处的横坐标值为z_n＝0，N为采样点数。

4.根据权利要求1所述的一种自动确定最优入射光强的Z扫描测量方法，其特征在于，

所述步骤4的具体实现包括：

第一光电探测器(29)发射出的激光脉冲波形输入至示波器(39)，示波器(39)将状态信息反馈给计算机(38)；根据示波器(39)呈现的信号可以监测由激光器(1)发射出的脉冲激光是否锁模完好，以此来判断由激光器(1)所发出的激光是否符合条件，如出现锁模异常，则判断此次Z扫描数据不可靠；第二光电探测器(30)将探测的光强信号实时输送至计算机(38)处，在Z扫描过程中，采集第二光电探测器(30)的输出光强信号为入射激光的功率监测曲线，如该曲线波动范围超过设定阈值，则判断此次Z扫描实验数据不可靠；若待测样品(23)为发光材料，则在Z扫描过程中可同时监测双光子荧光光谱，光学多道分析仪(33)将探测的光谱数据输送至计算机(38)处，采集到的所述的光谱数据横坐标为波长，纵坐标为光强，如在Z扫描过程中，特别是扫描至z＝0处附近时，双光子荧光光谱发生明显谱型变化，则判断此次Z扫描实验数据不可靠；如监测过程中出现上述异常，则系统自动放弃此次Z扫描数据，重新开始新的Z扫描的测量操作。

5.根据权利要求1所述的一种自动确定最优入射光强的Z扫描测量方法，其特征在于，

所述步骤5的具体实现包括：

试验参数的确定：待测样品(23)处的入射光功率P_s可以通过第二光电探测器(30)所测量得到的光功率P₂进行换算：P_s＝P₂*9*x₀％；对闭孔曲线I_ca(z_n)和开孔曲线I_oa(z_n)n＝1,2,3……,N，进行归一化处理；将上述两个曲线中的纵坐标值分别除以相应的z₁处的纵坐标值，分别得到样品的归一化闭孔透射曲线T_ca(z_n)和T_oa(z_n)，其中n＝1,2,3……,N；取n₀为N/2的整数部分，令T_ca(n₀)和T_oa(n₀)对应的横坐标为0，也就是焦点处；

利用归一化透过率T(z)与实验参数的相关性，所述实验参数包括非线性折射系数γ、非线性吸收系数β、光束强度分布、光束时间特性、光波频率ω、孔径大小S、透镜焦距f、光束共焦长度z₀、束腰半径w₀、光功率密度I₀、样品厚度L，在满足合理近似情况下，归一化透过率T_ca(z_n)写成如下式：

其中，x＝z_n/z₀是按共焦长度z₀归一化了的无量纲位置参数，ΔΦ＝kγI₀L_eff为非线性折射引起的相移，k＝2πn₀/λ为光波矢，γ为非线性折射系数，I₀为入射光强，L_eff＝[1-exp(-α₀L)]/α₀，为样品的有效长度，α₀为材料的线性吸收系数；上式中只有一个γ为未知量，通过拟合得出非线性折射系数γ的值。

6.根据权利要求5所述的一种自动确定最优入射光强的Z扫描测量方法，其特征在于，步骤5的具体实现还包括：所述非线性吸收系数β由开孔情况下归一化的开孔透射曲线T_oa(z_n)，取焦点z₀＝0处开孔透射率值Toa(0)，带入下式计算得到待测样品(23)的非线性吸收系数β：

其中，L_eff＝[1-exp(-α₀L)]/α₀，为样品的有效长度，α₀为材料的线性吸收系数，L为样品厚度，I₀为入射光强。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种自动确定最优入射光强的Z扫描测量方法，其特征在于，所述步骤1-5的实现利用计算机编程实现一键操作，自动化测量。

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