CN110596043A - 一种非线性折射率测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种非线性折射率测量装置及方法，其中所述测量装置包括激光器、光分束器装置及测量相机；所述激光器用于提供激光输出；所述激光器输出的激光经由所述光分束器装置进行分束，分为两束平行光束；所述两束平行光束射入待测量晶体，并产生干涉条纹；所述测量相机用于测量所述干涉条纹移动的距离。本申请用以解决现有技术结构复杂、造价高及测量可靠稳定，并且也能够对厚介质的非线性折射率进行测量。

Description

一种非线性折射率测量装置及方法

技术领域

本申请涉及折射率测量技术领域，特别涉及一种非线性折射率测量装置及方法。

背景技术

在一般情况下，晶体材料的折射率是与入射光的强度无关的。但是，在入射光的强度非常高时，例如采用脉冲激光、飞秒激光等光源，材料的折射率的变化与光强成正比，形成了非线性折射率效应。非线性折射率的产生原因非常复杂，主要包含以下几种因素：第一、热效应。晶体材料在激光光束通过的部分，由于对激光的吸收而产生热效应，形成局域区域的温度升高。材料的折射率一般随着温度的升高而增加，因而在光束的中心温度较高的区域形成折射率较高，而在周边无光照的区域折射率较低，从而形成热透镜（正透镜）效应。另外，激光的加热使得材料的中心部分膨胀而产生应力，应力的不均匀也会带来折射率的改变，这种现象被称为光弹效应。以上两种因素被统称为光的热透镜效应。热透镜效应的响应速度较慢，一般在秒至几十秒量级。

除了上述热效应，此外还有光折变效应。铁电晶体例如铌酸锂、钽酸锂等材料在受到光照后会产生光激发的载流子的扩散现象，从而形成在晶体材料中的与光强相关的电场分布。铁电晶体同时是一种电光晶体，在电场作用下折射率会发生改变，从而形成空间折射率的改变。这种光折变效应产生的一般是负透镜，响应时间一般在毫秒至秒量级。

再者，还有光学克尔效应。光学克尔效应是一种三阶非线性光学效应。光克尔效应的产生机理是材料的能级上的粒子数发生了改变，或者原子的电子云分布在光场作用下发生了改变。光克尔效应需要入射光的强度非常高才能观察到，一般需要皮秒或飞秒激光在瞬态下观察到克尔效应，用于进行超快激光的锁模等。光克尔效应的响应时间非常快，在飞秒至纳秒量级。

测量非线性折射率的办法有双光耦合位相光栅法、非线性干涉法、z扫描法等。其中采用最为广泛的是z扫描方法（z-scan)方法 。z扫描方法是将激光光束聚焦在很小的一点上，通过在焦点前后移动晶体材料，测量聚焦光束通过材料后光场形状和光强度的变化来计算非线性折射率。z扫描方法对于厚度较薄的介质较为适用，在介质厚度较厚时，由于焦点完全在晶体的厚度范围内，移动焦点对于光斑的改变并不明显，因此一般需要对晶体移动较大的距离，在z方向移动晶体时会在横向的x-y方向产生偏移。晶体的x-y表面的形变、缺陷等在偏移下会对测量结果产生非常大的影响，造成数据分析的困难和测量结果的不准确。为了避免这个问题，人们在z扫描基本原理的基础上进行了改变，例如采用双光束进行扫描。这种双光束扫描方法采用两个波长不同的激光束同轴入射到晶体上，通过一束较强激光束改变材料折射率，通过另外一束较弱激光对折射率进行探测（称为探测光）。

同样采用两束光对非线性折射率进行测量的还有双光束干涉方法。这种方法采用分光镜、反射镜对一束光进行分光，分成的两束光中有一束通过晶体而另一束不通过晶体，然后再将两束光进行干涉测量。

上述这些对z扫描的改良方案均存在结构复杂、造价高的特点，例如通过两束不同波长激光的扫描方案，需要两个独立的激光器提供光源；双光束干涉的方式采用多个光学元件在空间分光方式将两束激光分成完全独立的两个光路，在没有非线性晶体存在的情况下，这种干涉仪本身的稳定性就受到周边环境极大的影响，例如环境温度的变化、振动等对两束激光光程的改变将影响干涉条纹的变化。另外，在测量厚度较厚、口径较小的晶体时，由于z扫描方法需要沿纵向移动晶体，对于较厚的晶体需要移动较大的距离，容易产生横向的偏移而影响测量结果。z-扫描的信号本身已经非常微弱，信号起伏变化一般仅有采集到平均光强的百分之几，晶体表面的变形、缺陷等一旦在纵向移动过程中进入激光光束之内，将对测量结果造成较大的影响，对测量数据分析的难度加大。并且在移动较大距离后激光光束的口径已经超出晶体口径，令z扫描的方案不能进行。因此通常将较厚晶体进行切割抛光，形成较薄的样品后再进行z扫描，这无疑增加了测试的成本及时间长度。

为了提高z-扫描的灵敏度，需要构建干涉仪测量，但结构复杂的干涉仪往往带来较大的噪声。

发明内容

本申请提供一种非线性折射率测量装置及方法，用以解决现有技术结构复杂、造价高及测量可靠稳定，并且也能够对厚介质的非线性折射率进行测量。

为了解决上述技术问题，本申请的第一方面提供一种非线性折射率测量装置，用于测量晶体在入射光照射下的非线性折射率，

所述测量装置包括激光器、光分束器装置及测量相机；

所述激光器用于提供激光输出；

所述激光器输出的激光经由所述光分束器装置进行分束，分为两束平行光束；

所述两束平行光束射入待测量晶体，并产生干涉条纹；

所述测量相机用于测量所述干涉条纹移动的距离。

可选的，

所述光分束器装置包括一个光学透明介质体；

所述光学透明介质体的第一表面形成第一折射光学元件，所述光学透明介质体的与所述第一表面相对设置的第二表面形成第二折射光学元件；

所述第一表面设有光栅结构，所述光栅结构包括间隔排列的矩形凸起部和矩形凹陷部；

所述光栅结构形成所述第一折射光学元件。

可选的，

所述矩形凸起部形成的凸起光栅的衍射效率由下公式得出：

其中，m为衍射的阶数，为调整的位相。

可选的，

位相由下列公式得出：

其中，为入射激光波长，1为空气的折射率，n为所述光透明介质体的折射率；

衍射角度θ由下列公式得出：

其中，为入射激光波长，m为衍射的阶数。

可选的，

所述第二表面设有多个折射区间，以便所述发散角不同的多束激光，分别经过对应的折射区间折射而形成平行光束输出；

所述折射区间包括平面区间、上侧折射区间、下侧折射区间；

所述平面区间位于所述第二表面的中心及其四周位置，以便垂直于所述第二表面的激光束经由所述平面区间水平输出；

所述上侧折射区间位于所述平面区间的上方，所述下侧折射区间位于所述平面区间的下方，以便与所述第二表面成适当入射角的激光束，分别经由对应的所述上侧折射区间和所述下侧折射区间水平输出。

可选的，

所述上侧折射区间和所述下侧折射区间均设有间隔设置的锥形凸起部和锥形凹陷部。

可选的，

所述测量装置还包括强度控制器，所述强度控制器包括第一强度控制器和第二强度控制器；

经由所述光分束器装置输出的两束平行光束，经过所述第一强度控制器发生同比例衰减；

经由所述第一强度控制器输出的衰减的两束平行光束，经过所述第二强度控制器后，使得其中一束光束再次发生衰减。

可选的，

所述第一强度控制器包括半波片和偏振片；

由所述半波片对激光偏振态进行旋转后进入所述偏振片，进而通过调整激光的偏振方向产生衰减。

可选的，

所述第二强度控制器为一透镜，所述透镜包括设置增透膜或不镀膜的第一区域、及设置具有适当反射率的介质膜的第二区域；

由所述偏振片输出的两束衰减后的平行光束，分别射向所述第一区域和所述第二区域。

为解决上述技术问题，本申请的另一方面提供一种非线性折射率测量方法，用于测量晶体在入射光照射下的非线性折射率，包括如下步骤：

射出激光；

对射出的激光进行分束，分为两束平行光束；

所述两束平行光束射入待测量晶体，并产生干涉条纹；

测量所述干涉条纹移动的距离；

根据所述干涉条纹移动的距离及光强的大小，基于预定策略获得所述非线性折射率。

可选的，

所述对射出的激光进行分束，分为两束平行光束，包括：

先对入射的激光进行角度分束，输出发散角不同的两束激光；

然后再对所述发散角不同的两束激光进行偏折，输出所述两束平行光束。

可选的，

所述测量方法还包括：

经过分束形成的两束平行光束先发生同比例衰减；

然后再使得衰减后的两束平行光束，其中一束再次发生衰减，另外一束保持不变。

可选的，

光学透明介质体的第一表面形成有第一折射光学元件，所述第一表面设有光栅结构，所述光栅结构包括间隔排列的矩形凸起部和矩形凹陷部；所述光栅结构形成所述第一折射光学元件；

所述先对入射的激光进行角度分束，包括：

入射的激光通过所述第一折射光学元件进行角度分束。

可选的，

光学透明介质体的第二表面形成有第二折射光学元件；所述第二表面设有多个折射区间；所述折射区间包括上侧折射区间、下侧折射区间；

所述然后再对所述发散角不同的两束激光进行偏折，输出所述两束平行光束，包括：

一束经过角度分束的光束，与第二表面成适当的入射角，经由所述上侧折射区间发生折射后水平输出；

另一束经过角度分束的光束，与第二表面成适当的入射角，经由所述下侧折射区间发生折射后水平输出。

可选的，

所述根据所述干涉条纹移动的距离及光强的大小，基于预定策略获得所述非线性折射率，包括：

干涉条纹间距为：

其中，为激光的波长，ｄ为两束激光之间的距离；D为 激光束距离相机之间的距离；

非线性折射率系数通过 表示，折射率的变化量 与光功率密度 的关系为：

当两束激光的强度差为时，两束激光经过非线性晶体后的位相差为：

为非线性晶体的厚度， 为激光的波长。

在本申请中，所述测量装置包括激光器、光分束器装置及测量相机；所述激光器用于提供激光输出；所述激光器输出的激光经由所述光分束器装置进行分束，分为两束平行光束；所述两束平行光束射入待测量晶体，并产生干涉条纹；所述测量相机用于测量所述干涉条纹移动的距离。

在上述结构设计中，光分束器装置可以为二元光学元件，通过二元光学元件产生两束平行激光光束通过非线性晶体，并通过测量相机（CCD测量相机）对经过晶体材料后的干涉条纹进行测量，获得晶体的非线性折射率。本装置通过二元光学元件产生两束相距很近的平行光束，这种产生双光束的方式缩减了普通光学棱镜、透镜分光产生双光束的体积；在两束平行光束在晶体中传输时，由于非线性折射率对光束位相的调制效应，双光束的干涉条纹会发生移动及变形，通过CCD相机对干涉条纹进行采集可获得非线性变化的信息，进而计算出非线性折射率系数。双光束干涉条纹受到折射率的变化影响产生移动，这种移动非常敏感，从而能够具有较高灵敏度。尤其是对于介质厚度较厚、口径较小的晶体材料，采用普通z-scan方法具有较大困难，而本方法的实施相对简单。

同理，本申请提供的一种非线性折射率测量方法，其技术效果与上文相同，在此不再赘述。

附图说明

图1为本申请一种示例性实施例示出的一种非线性折射率测量装置的功能框图；

图2为本申请一种示例性实施例示出的一种非线性折射率测量装置结构示意图；

图3为杨氏双孔干涉原理示意图；

图4为本申请一种示例性实施例示出的光分束器装置的功能框图；

图5为本申请一种示例性实施例示出的光分束器装置的结构示意图；

图6为本申请一种示例性实施例示出的第二折射光学元件的原理示意图；

图7为本申请一种示例性实施例示出的第一强度控制器的结构示意图；

图8为本申请一种示例性实施例示出的第二强度控制器的结构示意图；

图9为工业相机拍摄的本申请一种示例性实施例示出的一种非线性折射率测量装置中非线性折射率很小时的视图；

图10为工业相机拍摄的本申请一种示例性实施例示出的一种非线性折射率测量装置中非线性折射率较大时的视图；

图11位图9和图10拼接起来时的视图。

其中，部件名称与附图标记对应关系为：

激光器1；

光分束器装置2；第一折射光学元件201；矩形凸起部2011；矩形凹陷部；2012；第二折射光学元件202；平面区间2021；上侧折射区间2022；锥形凸起部；2022a；锥形凹陷部2022b；下侧折射区间2023；

测量相机3；

第一强度控制器4；半波片401；偏振片402；

第二强度控制器5；第一区域501；第二区域；502；

待测晶体6。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

请参考图1和图2，图1为本申请一种示例性实施例示出的一种非线性折射率测量装置的功能框图；图2为本申请一种示例性实施例示出的一种非线性折射率测量装置结构示意图。

在本申请一种实施例中，一种非线性折射率测量装置，用于测量晶体在入射光照射下的非线性折射率， 测量装置包括激光器1、光分束器装置2及测量相机3；激光器1用于提供激光输出；激光器1输出的激光经由光分束器装置2进行分束，分为两束平行光束；两束平行光束射入待测量晶体，并产生干涉条纹；测量相机3用于测量干涉条纹移动的距离。

需要说明的是，在图1中，图1中示出的分束器也就是本文中介绍的光分束器装置，图1中的光强控制也就是本文中介绍的强度控制器，图中的ccd也就是本文中介绍的测量相机。

在上述实施例中，激光器1提供高强度的激光输出，输出的激光经整形系统后成为一束较细的基模高斯型分布的激光束。上述激光束通过光分束器装置2分为相邻很近的两束平行光束，通过强度控制器调整两者的光强后，再进入待测晶体6产生非线性折射率改变现象。两束激光的光强不一样导致两者的位相变化不一致。两束激光在空间传输一段距离后，由于高斯光束在空间传输的衍射效应，每束激光各自的口径发生扩大，相互彼此重叠和干涉，并在测量相机上对干涉图样进行记录。

在上述结构设计中，光分束器装置2可以为二元光学元件，通过二元光学元件产生两束平行激光光束通过待测晶体6，并通过测量相机3（CCD测量相机）对经过晶体材料后的干涉条纹进行测量，获得晶体的非线性折射率。本装置通过二元光学元件产生两束相距很近的平行光束，这种产生双光束的方式缩减了普通光学棱镜、透镜分光产生双光束的体积；在两束平行光束在晶体中传输时，由于非线性折射率对光束位相的调制效应，双光束的干涉条纹会发生移动及变形，通过CCD相机对干涉条纹进行采集可获得非线性变化的信息，进而计算出非线性折射率系数。双光束干涉条纹受到折射率的变化影响产生移动，这种移动非常敏感，从而能够具有较高灵敏度。尤其是对于介质厚度较厚、口径较小的晶体材料，采用普通z-scan方法具有较大困难，而本方法的实施相对简单。

在本申请一种实施例中，可以对光分束装置做出进一步示例性说明。具体的，请参考图4、图5和图6，图4为本申请一种示例性实施例示出的光分束器装置的功能框图；图5为本申请一种示例性实施例示出的光分束器装置的结构示意图；图6为本申请一种示例性实施例示出的第二折射光学元件的原理示意图。

在上述结构设计中，本申请提供的光分束结构，也就是光分束器装置2包括第一折射光学元件201和第二折射光学元件202；射入第一折射光学元件201进行角度分束，输出发散角不同的多束激光；发散角不同的多束激光射入第二折射光学元件202进行偏折，输出平行的多束激光。

在上述结构设计，可以进一步对第一折射光学元件201和第二折射光学元件202的结构做出说明。比如，如图4和图5所示，光分束器装置2包括一个光学透明介质体；光学透明介质体的第一表面形成第一折射光学元件201，光学透明介质体的与第一表面相对设置的第二表面形成第二折射光学元件202。

上述结构设计，使得一个光学介质体实现了两个光学元件的集成设计，因而能够进一步减少零部件的数量，使得结构更紧凑，因而可靠性也更高。

进一步的，如图5所示，第一表面设有光栅结构，光栅结构包括间隔排列的矩形凸起部2011和矩形凹陷部2012；光栅结构形成第一折射光学元件201。

具体如图5所示，第一折射光学元件201和第二折射光学元件202通过其表面面型的改变或者体内的折射率变化对出射光进行位相调制。

如图5所示，第一折射光学元件201和第二折射光学元件202通过表面形貌的改变对光的位相进行调制，产生分束与偏折效果，总体为一束光分为平行的多数光的效果。光学透明介质体的基底材料可以是玻璃、聚合物或晶体等多种透明介质。如图5所示，通过一块光学透明介质体的两个平行面的面型改变形成了两个ROE单元，采用一块介质可以实现两个ROE效果，也就是形成本申请的第一折射光学元件201和第二折射光学元件202。

更具体的，第一折射光学元件201的表面由光栅型的矩形凸起部2011和矩形凹陷 部2012构成，其光栅周期Λ沿纸面内的分束角度散开方向排列，矩形凸起部2011与矩形凹 陷部2012的相对高度差d决定了调制的位相。当基底材料折射率为n时，位相由下式决定：

其中入射激光波长为，空气折射率为1。根据光栅方程，衍射角度由下式决定：

其中m为衍射的阶数。

矩形凸起光栅的衍射效率由下式决定：

当时，零级衍射强度为0，正负1级衍射强度最高并且强度相等，衍射效率达到了 81%，形成两束分光效果。当时，+1、0和-1级衍射强度最高并且强度相等，这三级衍 射效率为87%，形成了三束分光效果。当表面形态调制为其他构型时，可以获得相似或更好 的效果，具体设计方法可以采用蒙特卡洛法或退火模拟算法进行计算。

在本申请的一种实施例中，还可以对第二折射光学元件202的结构做出示例性说明。比如5所示，第二表面设有多个折射区间，以便发散角不同的多束激光，分别经过对应的折射区间折射而形成平行光束输出。

进一步的，折射区间包括平面区间2021、上侧折射区间2022、下侧折射区间2023；平面区间2021位于第二表面的中心及其四周位置，以便垂直于第二表面的激光束经由平面区间2021水平输出。

上侧折射区间2022位于平面区间2021的上方，下侧折射区间2023位于平面区间2021的下方，以便与第二表面成适当入射角的激光束，分别经由对应的上侧折射区间2022和下侧折射区间2023水平输出。

进一步的，如图5所示，上侧折射区间2022和下侧折射区间2023均设有间隔设置的锥形凸起部2022a和锥形凹陷部2022b。

我们可以对上述结构设计的原理做出进一步说明。

以上述三束分光为例，第二折射光学元件202的设计采用分区折射的方式，使不同入射角度的光以相互平行方式出射。

如图6所示，入射的两束光束在介质中传输，分别以不同角度入射到界面。界面根 据光束位置具有与光束的相对角度差异，当入射光束垂直于介质表面时，出射光束的方向 不发生改变；当入射光束的角度与介质不垂直时，其角度发生偏折，偏折角根据斯涅尔公 式给出：

例如，当界面与水平夹角为θ，入射光束与水平夹角度时，介质折射率n=1.5，图 中的角度关系具有如下公式：

上述超越方程，可获得两个解：度和度。因此，采用这两个角度都可以 获得平行的光束出射。可以采用光束覆盖一个平面的方式使其发生转折，也可类似菲涅尔 透镜的构成方式。第二折射光学元件202所示的多个平面使其发生转折。

在本申请一种实施例中，可以对强度控制器做出进一步的示例性说明。具体的，如图7和图8所示，图7为本申请一种示例性实施例示出的第一强度控制器的结构示意图；图8为本申请一种示例性实施例示出的第二强度控制器的结构示意图。

测量装置还包括强度控制器，强度控制器包括第一强度控制器4和第二强度控制器5；经由光分束器装置输出的两束平行光束，经过第一强度控制器4发生同比例衰减；经由第一强度控制器4输出的衰减的两束平行光束，经过第二强度控制器5后，使得其中一束光束再次发生衰减。

进一步的，如图7所示，第一强度控制器4包括半波片401和偏振片402；由半波片401对激光偏振态进行旋转后进入偏振片402，进而通过调整激光的偏振方向产生衰减。

进一步的，如图8所示，第二强度控制器5为一透镜，透镜包括设置增透膜或不镀膜的第一区域501、及设置具有适当反射率的介质膜的第二区域502；由偏振片402输出的两束衰减后的平行光束，分别射向第一区域501和第二区域502。

我们可以对上述两个强度控制器的工作原理和过程做出说明。

强度控制器的作用是用来调整两束光的强度，本申请具有两个强度控制器，其中第一强度控制器4对两束光的强度同比例衰减，达到同时控制两束光强度的作用；第二强度控制器5对一束光不衰减，对另一束光具有一定比例系数的衰减作用。

如图7所示，第一强度控制器4由半波片401对激光偏振态进行旋转后进入偏振片402（格兰棱镜），通过调整激光的偏振方向产生衰减的效果。也可以采用其他方式，例如采用镀不同厚度的金属膜进行衰减的方式。

第二强度控制器5的作用是使两束光产生强度差异，其构成方式可如图8所示。将一面镜子（也就是本文中的所说的透镜）分成了两个区域，两束光分别通过两束区域，其中第一区域501镀对激光增透膜或不镀膜；第二区域502对激光镀具有一定反射率的介质膜，例如反射率为50%，这样这束激光将被衰减为原来的50%。

在本申请中，可以进一步对本申请的采用的原理做出进一步说明。具体的，请参考图3，图3为杨氏双孔干涉原理示意图。

本发明的技术方案的原理如图3所示。两束相隔很近的两束激光束的干涉在原理上可简化为杨氏双孔干涉。杨氏双孔干涉具有两个相隔很近的小孔，当当杨氏双孔干涉两个小孔出射光的位相发生相对变化时，在屏幕上的干涉条纹会发生变化。

如图3所示，在屏上距离中心位置为的地方的点与小孔的距离分别是和两者 的光程差：

根据上式可获得干涉的明暗条纹位置分别为：

其中

干涉条纹间距为：

如图3所示，如果在其中一个小孔上通过增加折射率的方式改变出射光的位相，两个小 孔的位相差的相对变化为, 这个每变化一个,干涉条纹的明暗就变化一个周期， 或者说条纹移动一个周期。

非线性晶体的折射率变化与光强相关，非线性折射率系数通过表示，折射率的变 化量与光功率密度的关系为：

因此，当两束激光的强度差为时，两束激光经过非线性晶体后的位相差为：

这里为非线性晶体的厚度，为激光的波长。

下边，本文将对本申请的测量效果做出说明。具体的，请参考图2、图9、图10和图11，图9为工业相机拍摄的本申请一种示例性实施例示出的一种非线性折射率测量装置中非线性折射率很小时的视图；图10为工业相机拍摄的本申请一种示例性实施例示出的一种非线性折射率测量装置中非线性折射率较大时的视图；图11位图9和图10拼接起来时的视图。

如图9所示，其中激光波长为532nm，两束激光的束腰半径为，经分束后中 心距离为,通过光强控制器后一束光的强度是另一束光强度的50%。通过晶体后传输 50mm进入CCD。通光强控制器整体调控输入两束光的强度，在输入光强很弱时，产生的非线 性折射率很小，CCD上的两束激光干涉条纹如下图所示，光斑和条纹均不发生变形。

如图10所示，当逐渐增加光强时，由于非线性折射率作用，两束强度不一样的激光束产生相对位相差并在干涉条纹上表现为条纹的移动。

如图11所示，将两张图片进行拼接对比，可看到条纹的移动情况，根据条纹移动的 距离和光强的大小，可根据公式对非线性折射率系数进行计算。计算如下：

当入射的两个光束的波长为532nm时，两束激光各自的束腰半径为,相距为, 激光束腰距离测量相机的距离时，干涉条纹的间距为：

其中的一束的光功率密度为，另一束的光功率密度为,两者具有功率密度之差 。当非线性折射率系数，通过上述公式可计算两束光的折射率差为

晶体长度为10mm时，两者之间的位相差为：

也就是说，两者的干涉条纹相对于功率相等的两束激光的干涉条纹，移动了接近两个周期。

本申请的另一方面，还提供一种非线性折射率测量方法，用于测量晶体在入射光照射下的非线性折射率，具体的，包括如下步骤：

射出激光；

对射出的激光进行分束，分为两束平行光束；

两束平行光束射入待测量晶体，并产生干涉条纹；

测量干涉条纹移动的距离；

根据干涉条纹移动的距离及光强的大小，基于预定策略获得非线性折射率。

在上述实施例中，对射出的激光进行分束，分为两束平行光束，包括：

先对入射的激光进行角度分束，输出发散角不同的两束激光；

然后再对发散角不同的两束激光进行偏折，输出两束平行光束。

在上述实施例中，经过分束形成的两束平行光束先发生同比例衰减；

然后再使得衰减后的两束平行光束，其中一束再次发生衰减，另外一束保持不变。

在上述实施例中，光学透明介质体的第一表面形成有第一折射光学元件，第一表面设有光栅结构，光栅结构包括间隔排列的矩形凸起部和矩形凹陷部；光栅结构形成第一折射光学元件；先对入射的激光进行角度分束，包括：入射的激光通过第一折射光学元件进行角度分束。

在上述实施例中，光学透明介质体的第二表面形成有第二折射光学元件；第二表面设有多个折射区间；折射区间包括上侧折射区间、下侧折射区间；

然后再对发散角不同的两束激光进行偏折，输出两束平行光束，包括：

一束经过角度分束的光束，与第二表面成适当的入射角，经由上侧折射区间发生折射后水平输出；

另一束经过角度分束的光束，与第二表面成适当的入射角，经由下侧折射区间发生折射后水平输出。

在上述实施例中，根据干涉条纹移动的距离及光强的大小，基于预定策略获得非线性折射率，包括：

干涉条纹间距为：

其中，为激光的波长，ｄ为两束激光之间的距离；D为 激光束距离相机之间的距离；

非线性折射率系数通过 表示，折射率的变化量 与光功率密度 的关系为：

当两束激光的强度差为 时，两束激光经过非线性晶体后的位相差为：

为非线性晶体的厚度， 为激光的波长。

需要说的是，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的测量方法，其测量过程中所使用的装置和结构及相应的技术效果，可以参考上文中测量装置的各种实施例介绍，在此不再赘述。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (14)

1.一种非线性折射率测量装置，用于测量晶体在入射光照射下的非线性折射率，其特征在于，

所述测量装置包括激光器、光分束器装置及测量相机；

所述激光器用于提供激光输出；

所述激光器输出的激光经由所述光分束器装置进行分束，分为两束平行光束；

所述两束平行光束射入待测量晶体，并产生干涉条纹；

所述测量相机用于测量所述干涉条纹移动的距离。

2.如权利要求1所述的非线性折射率测量装置，其特征在于，

所述光分束器装置包括一个光学透明介质体；

所述光学透明介质体的第一表面形成第一折射光学元件，所述光学透明介质体的与所述第一表面相对设置的第二表面形成第二折射光学元件；

所述第一表面设有光栅结构，所述光栅结构包括间隔排列的矩形凸起部和矩形凹陷部；

所述光栅结构形成所述第一折射光学元件。

3.如权利要求2所述的非线性折射率测量装置，其特征在于，

所述矩形凸起部形成的凸起光栅的衍射效率由下公式得出：

其中，m为衍射的阶数，为调整的位相。

4.如权利要求3所述的非线性折射率测量装置，其特征在于，

位相由下列公式得出：

其中，为入射激光波长，1为空气的折射率，n为所述光透明介质体的折射率；

衍射角度θ由下列公式得出：

其中，为入射激光波长，m为衍射的阶数。

5.如权利要求2所述的非线性折射率测量装置，其特征在于，

所述第二表面设有多个折射区间，以便所述发散角不同的多束激光，分别经过对应的折射区间折射而形成平行光束输出；

所述折射区间包括平面区间、上侧折射区间、下侧折射区间；

所述平面区间位于所述第二表面的中心及其四周位置，以便垂直于所述第二表面的激光束经由所述平面区间水平输出；

所述上侧折射区间位于所述平面区间的上方，所述下侧折射区间位于所述平面区间的下方，以便与所述第二表面成适当入射角的激光束，分别经由对应的所述上侧折射区间和所述下侧折射区间水平输出。

6.如权利要求5所述的非线性折射率测量装置，其特征在于，

所述上侧折射区间和所述下侧折射区间均设有间隔设置的锥形凸起部和锥形凹陷部。

7.如权利要求1-6任一项所述的非线性折射率测量装置，其特征在于，

所述测量装置还包括强度控制器，所述强度控制器包括第一强度控制器和第二强度控制器；

经由所述光分束器装置输出的两束平行光束，经过所述第一强度控制器发生同比例衰减；

经由所述第一强度控制器输出的衰减的两束平行光束，经过所述第二强度控制器后，使得其中一束光束再次发生衰减。

8.如权利要求7所述的非线性折射率测量装置，其特征在于，

所述第一强度控制器包括半波片和偏振片；

由所述半波片对激光偏振态进行旋转后进入所述偏振片，进而通过调整激光的偏振方向产生衰减。

9.如权利要求7所述的非线性折射率测量装置，其特征在于，

所述第二强度控制器为一透镜，所述透镜包括设置增透膜或不镀膜的第一区域、及设置具有适当反射率的介质膜的第二区域；

由所述偏振片输出的两束衰减后的平行光束，分别射向所述第一区域和所述第二区域。

10.一种非线性折射率测量方法，用于测量晶体在入射光照射下的非线性折射率，其特征在于，包括如下步骤：

射出激光；

对射出的激光进行分束，分为两束平行光束；

所述两束平行光束射入待测量晶体，并产生干涉条纹；

测量所述干涉条纹移动的距离；

根据所述干涉条纹移动的距离及光强的大小，基于预定策略获得所述非线性折射率；

所述根据所述干涉条纹移动的距离及光强的大小，基于预定策略获得所述非线性折射率，包括：

干涉条纹间距为：

其中，为激光的波长，ｄ为两束激光之间的距离；D为 激光束距离相机之间的距离；

非线性折射率系数通过 表示，折射率的变化量 与光功率密度 的关系为：

当两束激光的强度差为 时，两束激光经过非线性晶体后的位相差为：

为非线性晶体的厚度， 为激光的波长。

11.如权利要求10所述的非线性折射率测量方法，其特征在于，

所述对射出的激光进行分束，分为两束平行光束，包括：

先对入射的激光进行角度分束，输出发散角不同的两束激光；

然后再对所述发散角不同的两束激光进行偏折，输出所述两束平行光束。

12.如权利要求10所述的非线性折射率测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括：

经过分束形成的两束平行光束先发生同比例衰减；

然后再使得衰减后的两束平行光束，其中一束再次发生衰减，另外一束保持不变。

13.如权利要求10所述的非线性折射率测量方法，其特征在于，

光学透明介质体的第一表面形成有第一折射光学元件，所述第一表面设有光栅结构，所述光栅结构包括间隔排列的矩形凸起部和矩形凹陷部；所述光栅结构形成所述第一折射光学元件；

所述先对入射的激光进行角度分束，包括：

入射的激光通过所述第一折射光学元件进行角度分束。

14.如权利要求10所述的非线性折射率测量方法，其特征在于，

光学透明介质体的第二表面形成有第二折射光学元件；所述第二表面设有多个折射区间；所述折射区间包括上侧折射区间、下侧折射区间；

所述然后再对所述发散角不同的两束激光进行偏折，输出所述两束平行光束，包括：

一束经过角度分束的光束，与第二表面成适当的入射角，经由所述上侧折射区间发生折射后水平输出；

另一束经过角度分束的光束，与第二表面成适当的入射角，经由所述下侧折射区间发生折射后水平输出。