CN110132892A - 一种热晕效应测量非线性折射率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热晕效应测量非线性折射率的方法，属于热光和电光技术领域，包括如下步骤：1)制备锑烯‑乙醇分散液，将锑烯‑乙醇分散液置于比色皿中；2)搭建测量平台，氦氖激光经过分光镜，一束光作为参考光入射到光功率计，另一束光通过凸透镜将光束聚焦到比色皿中心位置，最后由CCD接收图样；将衰减器置于氦氖激光和分光镜之间，用来调节光功率，实现光功率可调；3)根据检测结果计算非线性折射率；4)验证步骤3)计算的非线性折射率。本发明的基于锑烯纳米材料分散液的热光实验和Z‑scan实验分别为热晕和材料特性导致的非线性折射率的变化提供了准确的实验数据，实验技术操作简单，缩短了实验周期，方法简单、易操作。
Description
技术领域
本发明属于热光和电光技术领域，具体涉及一种热晕效应测量非线性折射率的方法。
背景技术
热晕效应最初由应用于研究连续激光在静态液体的发散问题，逐步涉及到热光效应、吸收光谱和量子产率等相关领域。自20世纪70年代，热晕作为一种大气效应，在自适应光学和高能激光等领域受到关注。本发明侧重于热晕效应作为一种激光和介质的非线性效应，基于锑烯纳米材料分散液，研究热晕效应对其非线性折射率的影响。研究发现：一束激光在介质中传输，被介质吸收的一部分能量增加了局部温度，进而改变了折射率，并形成了负透镜。
目前，不少文献指出纳米材料溶液的非线性折射率是由于材料本身的光电特性，然而没有涉及到溶剂的影响。因此，区分材料和溶剂对非线性折射率的贡献是十分必要的。
纳米材料是当今热门话题之一，其为非线性光学领域的发展带来了不可估量的机遇和活力。2015年，锑烯是一种带隙适中并易调制为直接带隙的二维半导体，被Nature专题亮点报道为“可望用于超薄柔性电子学和光电子学器件”，但是将锑烯纳米材料仅作为吸收激光并增加吸收的角色来研究热晕效应对非线性折射率的影响还未见报道。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供了一种热晕效应测量非线性折射率的方法，区分热晕效应和材料本身光电特性对非线性折射率的影响，因而引入了Z-scan测量技术来获得材料本身的非线性折射率；该技术操作方便、实验周期短，为测量过程提供便利
技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种热晕效应测量非线性折射率的方法，包括如下步骤：
1)制备锑烯-乙醇分散液，将锑烯-乙醇分散液置于比色皿中；
2)搭建测量平台，氦氖激光经过分光镜，一束光作为参考光入射到光功率计，另一束光通过凸透镜将光束聚焦到比色皿中心位置，最后由CCD接收图样；将衰减器置于氦氖激光和分光镜之间，用来调节光功率，实现光功率可调；
3)根据检测结果计算非线性折射率；
4)验证步骤3)计算的非线性折射率。
进一步地，步骤1)中，所述的制备锑烯-乙醇分散液，是将锑块研磨后加入无水乙醇，继续研磨后将锑粉溶液先探针超声，后水浴超声，最后获得锑烯-乙醇分散液。
进一步地，所述的继续研磨为1.5-2.5h，所述的探针超声和水浴超声各8-10h。
进一步地，步骤2)中，所述的氦氖激光波长λ＝633 nm。
进一步地，步骤3)中，所述的根据检测结果计算非线性折射率，包括如下步骤：
3.1)通过下述公式计算非线性光束发散半角θnl和折射率的变化率Δn：
联立公式和其中θ0为初始光束发散半角，为折射率随温变变化的梯度，Pa是被分散液吸收的光功率，ω为入射到比色皿的光斑半径，κ是热导率，则Δn＝Δθω/4L(或Δn＝(θnl-θ0)ω/4L)，L为比色皿的厚度；
3.2)计算非线性折射率
通过实验测得Δθ和ω，获得折射率的变化为10-5；通过折射率的变化率Δn和入射光强I的关系n2＝Δn/I，则非线性折射率为～10-7cm2/W。
进一步地，步骤4)中，所述的验证步骤3)计算的非线性折射率是通过热光实验测量折射率变化随入射光功率的关系，与基尔霍夫衍射积分理论进行对比，包括如下步骤：
首先，用Origin画图软件导入不同厚度比色皿情况下测得的折射率变化和对应的入射光功率实验数据，并作图；
其次，基于基尔霍夫衍射积分理论，与测得的实验数据作对比，利用公式Δn＝n2I(ρ)拟合，结果发现：实验测试的结果和理论实验与理论符合得很好；
其中，k0＝2π/λ，r为入射光场的横坐标，ρ为出射光场的横坐标，J0(·)为第一类零阶贝塞尔函数，z为传输距离(可视为比色皿厚度)，φ(r)为相位，ω0是高斯光束的束腰半径。
发明原理：基于锑烯纳米材料研究热晕效应测量分散液的非线性折射率，观测到可见光范围热晕效应引起的非线性现象，测量到热晕效应造成的非线性折射率约为10- 7cm2/W，而材料本身的非线性折射率约为10-16cm2/W，证实了热晕效应是导致锑烯分散液折射率改变的主要因素。由此可见，热晕效应在热光效应和光限幅等相关领域具有重要的应用价值。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种热晕效应测量非线性折射率的方法，基于锑烯纳米材料分散液的热光实验和Z-scan实验分别为热晕和材料特性导致的非线性折射率的变化提供了准确的实验数据，区分热光效应和光电效应对非线性折射率影响，有效地证实热晕效应是导致锑烯分散液非线性折射率改变的主要因素，相比于热晕效应的影响，纳米材料的非线性折射率要小得多；同时本发明的两种实验技术操作简单，不需要通过研究不同溶剂来探究热效应导致的非线性折射率，缩短了实验周期，方法简单、易操作。
附图说明
图1为热致非线性折射率测量示意图；
图2为折射率变化随入射功率的关系图；
图3为非线性折射率随入射功率的关系图；
图4为Z-scan测量材料非线性折射率示意图；
图5为非线性折射测试曲线；
图6为CCD接收图样随时间的变化情况图；
图7为与图6对应的热晕效应的机理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
一种热晕效应测量非线性折射率的方法，包括如下步骤：
1)制备锑烯-乙醇分散液，将锑烯-乙醇分散液置于比色皿中；
2)搭建测量平台，氦氖激光经过分光镜(50:50)，一束光作为参考光入射到光功率计，另一束光通过凸透镜将光束聚焦到比色皿中心位置，最后由CCD接收图样；衰减器置于氦氖激光和分光镜之间，用来调节光功率，实现光功率可调；
3)根据检测结果计算非线性折射率；
4)验证步骤3)计算的非线性折射率。
步骤1)中，所述的制备锑烯-乙醇分散液，是将锑块研磨后加入无水乙醇，继续研磨后将锑粉溶液先探针超声，后水浴超声，最后获得锑烯-乙醇分散液。其中，继续研磨为1.5-2.5h，探针超声和水浴超声各8-10h。
步骤2)中，氦氖激光波长λ＝633 nm。
步骤3)中，根据检测结果计算非线性折射率，包括如下步骤：依据文献【M.Ahmed,and T.Riffat,Laser-induced thermal blooming in C60-toluene,Journalof ModernOptics,51(11),1663-1670(2004)】和【S.A.Akhmanov,D.P.Krindach,A.V.Migulin,A.P.Sukhorukov,and R.V.Khokhlov,Thermal Self-Actions of Laserbeams,IEEEJ.Quant.Electron.,QE(4):568-575(1968)】，联立公式和(其中θnl为非线性光束发散半角，θ0为初始光束发散半角，为折射率随温变变化的梯度，Pa是被分散液吸收的光功率，ω为入射到比色皿的光斑半径，κ是热导率)，折射率的变化率即可简化成Δn＝Δθω/4L(或Δn＝(θnl-θ0)ω/4L)，L为比色皿的厚度。通过实验测得Δθ和ω，可以获得折射率的变化为10-5；通过折射率变化Δn和入射光强I的关系n2＝Δn/I，则非线性折射率为～10-7cm2/W。
步骤4)中，所述的验证步骤3)计算的非线性折射率是通过热光实验测量折射率变化随入射光功率的关系，与基尔霍夫衍射积分理论进行对比，包括如下步骤：首先，用Origin画图软件导入不同厚度比色皿情况下测得的折射率变化和对应的入射光功率实验数据，并作图；其次，基于基尔霍夫衍射积分理论，与测得的实验数据作对比，利用公式Δn＝n2I(ρ)拟合，结果发现：实验测试的结果和理论实验与理论符合得很好。其中，k0＝2π/λ，r为入射光场的横坐标，ρ为出射光场的横坐标，J0(·)为第一类零阶贝塞尔函数，z为传输距离(可视为比色皿厚度)，φ(r)为相位，ω0是高斯光束的束腰半径。
本发明提供区分热光效应和光电效应对非线性折射率影响的方法，如图2所示，通过热光实验测量折射率变化随入射光功率的关系，与基尔霍夫衍射积分理论进行对比，发现实验和理论符合得很好，表明热光实验测量热致折射率变化的合理性，并且避免了基尔霍夫衍射积分复杂的计算，可见实验操作简单可靠。
本发明基于锑烯纳米材料分散液的热光实验和Z-scan实验分别为热晕和材料特性导致的非线性折射率的变化提供了准确的实验数据，有效地证实热晕效应是导致锑烯分散液非线性折射率改变的主要因素，相比于热晕效应的影响，纳米材料的非线性折射率要小得多。
同时本发明的两种实验技术操作简单，不需要通过研究不同溶剂来探究热效应导致的非线性折射率，缩短了实验周期，减小了溶剂带来的误差，方便测得热光效应的参数，在热光领域有很大的实用价值。
基于锑烯纳米材料分散液非线性折射率的研究，通过两种测量方法，证实了热晕效应的影响占据着主导作用。为证实热晕效应是导致锑烯分散液非线性折射率改变的主要因素，本发明采用下述技术方案：
本发明采用通过探针超声(先)和水浴超声(后)结合的方式制备锑烯薄层悬浮液，将其加入10mm或者5mm厚的石英比色皿中获得热光实验的样品。搭建热光实验平台，632.8nm氦氖激光经过分束器(50:50)，一束光作为参考光入射到光功率计，另一束光通过凸透镜将光束聚焦到比色皿中心位置，最后由CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件图像传感器)接收。
为明确材料特性导致的非线性折射率的变化，本发明采用下述技术方案：
搭建Z-scan实验平台，先前的样品是盛放在1mm厚的石英比色皿，然而为了排除溶剂对非线性折射率的影响，本发明将锑烯分散液悬涂在1mm厚的玻璃片的中心，真空干燥后样品制备完成。
实施例
一种热晕效应测量非线性折射率的方法，包括以下步骤：
(1)取一锑块0.5g于研钵中进行研磨成，同时缓慢加入无水乙醇，研磨1.5-2.5h后锑粉均匀分散其中，再将锑粉溶液放置于玻璃瓶进行探针超声和水浴超声各8-10h，获得锑烯-乙醇分散液，其中锑烯的厚度为4.8nm；
(2)加入适当量的锑烯-乙醇分散液于10mm厚的比色皿中，做好实验前样品准备；
(3)按照图1搭建实验平台，氦氖激光(λ＝633nm)经过分光镜(50:50)，一束光作为参考光入射到光功率计，另一束光通过凸透镜将光束聚焦到比色皿中心位置，最后由CCD接收图样；
(4)基于文献【Laser-induced thermal blooming in C60-toluene,2004,Journalof Modern Optics,51,1663】中折射率变化和光束展宽的关系，计算出折射率变化Δn为10-5，相关实验数据在附图中列出(详见表1)，其中P为入射功率，ω(z)为CCD靶面测得的束腰半径，Δθ为热致光束展宽；
(5)基于10mm和5mm厚的比色皿，通过热光实验测量折射率变化随入射光功率的关系，与基尔霍夫衍射积分理论(文献【Characterization of Self-Phase Modulation inLiquid Crystals on Dye-Doped Polymer Films,1999,Jpn.J.Appl.Phys.38,5971】)进行对比，发现实验和理论符合得很好(图2)，表明热光实验测量热致折射率变化的合理性。
(6)通过折射率变化和入射光强的关系n2＝Δn/I，热致非线性折射率为～10- 7cm2/W。此外，由于同一入射强度对10mm厚度中的样品温度改变小于5mm样品的温度，因而10mm的比色皿的热致非线性折射率绝对值要小于5mm的热致非线性折射率绝对值(图3)。
表1实验数据
为了明确非线性折射率仅仅是溶剂或纳米材料的贡献，还是溶剂和纳米材料共同的结果，因而本发明还引入了Z-scan闭孔实验，其实验图如图4所示。
为了排除溶剂对非线性折射率的影响，本发明将锑烯分散液悬涂在1mm厚的玻璃片的中心，真空干燥后样品制备完成。归一化透过率的测量结果如图5所示。结果表明：锑烯材料的非线性折射率约为10-16cm2/W。相比于热晕效应引起的非线性折射率，锑烯的非线性折射率要小得多。足以见得热效应在非线性折射率占据着举足轻重的作用，是不能忽略的，更不能将热效应的贡献归功于纳米材料的作用。
本发明记录了光斑随时间变化的历程。当t＝0时，出现高斯光斑(如图6(a))；t＝0.09s时，出现对称的同心圆(图6(b))；t＝1.02s时，同心圆下陷(图6(c))。
本发明给出了热晕效应在纳米材料分散液的作用机理。如图7(a)，当高斯激光束通过比色皿时，光束中心的液体介质比周边吸收更多的辐射，这导致中心处的分子密度降低，使得横向密度分布遵循高斯光束的轮廓，并且介质的折射率相应地改变，0因而出现对称的同心圆光斑；如图7(b)，随着吸收进一步增多，锑烯材料向周围液体传递热量，会出现许多微型气泡，由于向上的热对流，分子随机地自我定向，这导致同心圆图案坍塌。通过热源效应的机制分析，进一步说明热效应在激光与锑烯分散液中传输中是不可避免的，而且热致非线性折射率是非常重要的。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (6)
1.一种热晕效应测量非线性折射率的方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)制备锑烯-乙醇分散液，将锑烯-乙醇分散液置于比色皿中；
2)搭建测量平台，氦氖激光经过分光镜，一束光作为参考光入射到光功率计，另一束光通过凸透镜将光束聚焦到比色皿中心位置，最后由CCD接收图样；将衰减器置于氦氖激光和分光镜之间；
3)根据检测结果计算非线性折射率；
4)验证步骤3)计算的非线性折射率。
2.根据权利要求1所述的一种热晕效应测量非线性折射率的方法，其特征在于：步骤1)中，所述的制备锑烯-乙醇分散液是将锑块研磨后加入无水乙醇，继续研磨后将锑粉溶液先探针超声，后水浴超声，最后获得锑烯-乙醇分散液。
3.根据权利要求2所述的一种热晕效应测量非线性折射率的方法，其特征在于：所述的继续研磨为1.5-2.5h，所述的探针超声和水浴超声各8-10h。
4.根据权利要求1所述的一种热晕效应测量非线性折射率的方法，其特征在于：步骤2)中，所述的氦氖激光波长λ＝633nm。
5.根据权利要求1所述的一种热晕效应测量非线性折射率的方法，其特征在于：步骤3)中，所述的根据检测结果计算非线性折射率，包括如下步骤：
3.1)通过下述公式计算非线性光束发散半角θnl和折射率的变化率Δn：
联立公式和其中θ0为初始光束发散半角，为折射率随温变变化的梯度，Pa是被分散液吸收的光功率，ω为入射到比色皿的光斑半径，κ是热导率，则Δn＝Δθω/4L或Δn＝(θnl-θ0)ω/4L，L为比色皿的厚度；
3.2)计算非线性折射率
通过实验测得Δθ和ω，获得折射率的变化为10-5；通过折射率的变化率Δn和入射光强I的关系n2＝Δn/I，则得到非线性折射率。
6.根据权利要求1所述的一种热晕效应测量非线性折射率的方法，其特征在于：步骤4)中，所述的验证步骤3)计算的非线性折射率是通过热光实验测量折射率变化随入射光功率的关系，与基尔霍夫衍射积分理论进行对比，包括如下步骤：
首先，用Origin画图软件导入不同厚度比色皿情况下测得的折射率变化和对应的入射光功率实验数据，并作图；
其次，基于基尔霍夫衍射积分理论，与测得的实验数据作对比，利用公式Δn＝n2I(ρ)拟合，其中，k0＝2π/λ，r为入射光场的横坐标，ρ为出射光场的横坐标，J0(·)为第一类零阶贝塞尔函数，z为传输距离，φ(r)为相位，ω0是高斯光束的束腰半径。
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