CN110749552B - 确定材料二阶非线性极化率的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种确定材料二阶非线性极化率的系统及方法。确定材料二阶非线性极化率的系统包括激光光源、偏振调制器、光线收集器、偏振探测器和控制器。所述控制器可以根据所述测试数据得出所述待测试样品的二阶非线性极化率。所述确定材料二阶非线性极化率的系统既可以直接测试百纳米级厚度的材料，又可以根据所述光学系统的测试结果绘制材料二阶非线性极化率拟合曲线。进一步，所述确定材料二阶非线性极化率的系统可以通过材料二阶非线性极化率拟合曲线得出不同的二阶非线性极化参数之间的比值关系和相位关系，避免了对绝对效率的多次测量。

Description

确定材料二阶非线性极化率的系统及方法
技术领域
本申请涉及光学技术领域，特别是涉及一种确定材料二阶非线性极化率的系统及方法。
背景技术
在光学技术领域中，材料二阶非线性极化率一直是很重要的测试参数。目前，有很多种测量材料二阶非线性极化率的方法，但是对于材料二阶非线性极化率的测量会存在很大的误差。
比如Maker条纹法：当一束激光入射到非线性光学介质板后，且后者绕着垂直于激光束的轴旋转时，由于波矢失配随样品旋转角度发生变化，因此二倍频强度就会随着基频光的入射角而发生变化，即形成Maker条纹。除了通过旋转非线性光学介质板来获得Maker条纹，也可以使激光入射到楔形非线性光学晶体上，当平移楔形晶体板时，由于波矢失配随样品厚度发生变化，因此二倍频强度就会发生变化，也可以形成Maker条纹。在获得Maker条纹后，通过求解Maker条纹的包络函数，获取包络函数的最大值并与标准样品(例如KDP)进行对比，即可测得二阶非线性极化率。待测样品与标准样品的二阶非线性极化率比值dr可以表示为
Figure GDA0002627450140000011
其中
Figure GDA0002627450140000012
与lc分别为标准样品和待测样品的相干长度，可计算得出，I(KDP)和I分别为标准样品和待测样品的Maker条纹包络函数最大值，R为与折射率有关的参量。由此可以知道，Maker条纹法测量二阶非线性极化率需要先实验上获取样品的Maker条纹，之后计算得出Maker条纹包络函数最大值，最后带入公式求解。
再比如，Kurtz粉末技术。Kurtz粉末技术测量二阶非线性极化率是一种简单、快捷的方式，但是精确度较低，是一种半定量方式。Kurtz粉末技术测量的基本操作是先将待测样品研磨为粉末，粉末颗粒大小要保持一致。假设颗粒半径均为r，再将粉末填充到体积为V的样品盒中，利用激光激发粉末的二倍频，记录二倍频强度，之后再与标准样品粉末(例如KDP粉末)的二倍频强度作对比，求得二阶非线性极化率。待测样品与标准样品的二阶非线性极化率比值dr可以表示为
Figure GDA0002627450140000021
其中I(KDP)与I分别表示标准样品和待测样品的二倍频强度，需要注意的是标准样品的粉末颗粒大小要与待测样品保持一致。
Kurtz粉末技术精确度较差，但是可以定性判断样品的二倍频特性，通过绘制粉末半径大小与二倍频强度的关系，可以将样品分为三类：(1)无二倍频特性样品：无二倍频信号；(2)相位匹配样品：二倍频强度随颗粒半径增加而增强，最后恒定；(3)非相位匹配样品：二倍频强度先随颗粒半径增加而增强，之后降低。
再比如效率测量法：效率测量法采用解析的方式，将实验求得的二倍频转化效率代入以下解析公式，从而求解二阶非线性极化率。对于基模高斯光束，其激发的二倍频的效率表达式为
Figure GDA0002627450140000022
其中n1和n2分别为基频信号和二倍频信号所对应材料的折射率，λ1为基频信号波长，c为光速，ε0为真空介电常数，Δk为波矢失配数，l为晶体长度，I为激发光强，χ(2)为需要求解的求解二阶非线性极化率。原则上只要测得二倍频转化效率和晶体长度l以及激发光强I，就可以得到二阶非线性极化率。但如果对晶体长度的测量误差与样品的二倍频相干长度相当，将会引起很大的误差。
由上述可知，传统的对于材料二阶非线性极化率的测量方法会存在很大的误差，并且没有一种全面的测量材料二阶非线性极化率的测量方法。
发明内容
基于此，有必要针对传统的对于材料二阶非线性极化率的测量方法会存在很大的误差，并且没有一种全面的测量材料二阶非线性极化率的测量方法的问题，提供一种确定材料二阶非线性极化率的系统及方法。
一种光学系统，包括：
激光光源，产生初始基频光；
偏振调制器，所述初始基频光输入至所述偏振调制器，从所述偏振调制器输出基频偏振光，所述基频偏振光照射待测试样品以产生二倍频光；
光线收集器，用于收集所述基频偏振光和所述二倍频光并将所述基频偏振光滤除以输出所述二倍频光；以及
偏振探测器，检测所述二倍频光的偏振态以及所述二倍频光的光强，所述偏振态包括所述二倍频光的极角和所述二倍频光的椭偏角。
一种确定材料二阶非线性极化率的系统，包括：
激光光源，产生初始基频光；
偏振调制器，所述初始基频光输入至所述偏振调制器，从所述偏振调制器输出基频偏振光，所述基频偏振光照射待测试样品以产生二倍频光；
光线收集器，用于收集所述基频偏振光和所述二倍频光并将所述基频偏振光滤除以输出所述二倍频光；
偏振探测器，检测所述二倍频光的偏振态以及所述二倍频光的光强，所述偏振态包括所述二倍频光的极角和所述二倍频光的椭偏角；以及
控制器，分别与所述激光光源、所述偏振调制器、所述光线收集器和所述偏振探测器连接；所述控制器用于对所述待测试样品进行多次测试，每一次测试均对应得出一组测试数据组，根据所述基频光的波长、所述基频偏振光的极角以及所述测试数据组得出所述待测试样品的二阶非线性极化率；所述测试数据组中包括所述二倍频光的极角、所述二倍频光的椭偏角以及所述二倍频光的光强。
一种确定材料二阶非线性极化率的方法，包括以下步骤：
S100，提供待测试样品，确定所述待测试样品的切向以及所述待测试样品的厚度；
S200，采用上述任一项所述的确定材料二阶非线性极化率的系统对所述待测试样品进行多组光学测试，并记录每一组所述光学测试中采用的基频光的光强实验值和基频光的极角实验值；同时记录每一组所述光学测试中激发所述待测试样品所产生的二倍频光的光强实验值、二倍频光的极角实验值、二倍频光的椭偏角实验值；
S300，将所述待测试样品的切向、所述待测试样品的厚度、每一组所述基频光的光强实验值、每一组所述基频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的椭偏角实验值和每一组极化率尝试解输入至光学参数模拟计算模块；
S400，所述光学参数模拟计算模块拟合形成材料二阶非线性极化率拟合曲线，从所述材料二阶非线性极化率拟合曲线中得出材料二阶非线性极化率。
本申请中提供一种确定材料二阶非线性极化率的系统及方法。确定材料二阶非线性极化率的系统包括激光光源、偏振调制器、光线收集器、偏振探测器和控制器。所述控制器可以根据所述测试数据得出所述待测试样品的二阶非线性极化率。所述确定材料二阶非线性极化率的系统既可以直接测试百纳米级厚度的材料(块材或者薄膜)，又可以根据所述光学系统的测试结果绘制材料二阶非线性极化率拟合曲线。进一步，所述确定材料二阶非线性极化率的系统可以通过材料二阶非线性极化率拟合曲线得出不同的二阶非线性极化参数之间的比值关系和相位关系，避免了对绝对效率的多次测量。
附图说明
图1为本申请一个实施例中提供的光学系统的结构示意图；
图2为本申请一个实施例中提供的确定材料二阶非线性极化率的系统结构示意图；
图3为本申请一个实施例中提供的确定材料二阶非线性极化率的方法的流程图；
图4为本申请一个实施例中提供的二倍频产生原理的结构示意图；
图5为本申请一个实施例中提供的x切配置铌酸锂的测试原理示意图；
图6为本申请一个实施例中提供的相位匹配和相位失配下二倍频效率示意图；
图7为本申请一个实施例中提供的二阶非线性极化率在铌酸锂薄膜二倍频过程中的作用原理；
图8(a)为本申请一个实施例中提供的基频波极角为90°时，材料二倍频的绝对转化效率；图8(b)为本申请一个实施例中通过光学参数模拟计算模块拟合求解出材料的二阶非线性极化率的模拟曲线；
图9(a)和(b)为二倍频波长为350nm和500nm情况下二倍频信号偏振态对基频波极角的依赖关系；图9(c)和(d)为通过光学参数模拟计算模块拟合求解出材料的二阶非线性极化率的模拟曲线。
附图标号说明：
光学系统10 确定材料二阶非线性极化率的系统20 激光光源100
偏振调制器200 第一棱镜210 半波片220 第一多倍物镜230
光线收集器300 第二多倍物镜310 滤色片320
偏振探测器400 组合透镜410 四分之一波片411 第二棱镜412
透镜413 信号探测器420 控制器500
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
请参阅图1，本申请提供一种光学系统10，包括激光光源100、偏振调制器200、光线收集器300、偏振探测器400。
所述激光光源100用于产生初始基频光，所述初始基频光的波长可调。具体的所述激光光源100可以为可调谐激光器。所述激光光源100的出光方向与所述光学系统10中其他结构器件的设置位置有关。
所述偏振调制器200设置于所述激光光源100与待测试样品之间。所述偏振调制器200作用于所述初始基频光产生基频偏振光，并将所述基频偏振光照射到所述待测试样品。所述基频偏振光激发所述待测试样品产生二倍频光。所述基频偏振光的极角可调。所述偏振调制器200可以调整所述初始基频光的光学参数，使得所述待测试样品可以被不同类型的所述初始基频光/所述基频偏振光激发。
所述光线收集器300设置于激发所述待测试样品产生所述二倍频光的一侧。所述光线收集器300用于收集经所述待测试样品传递出的光线(经所述待测试样品传递出的光线包括所述基频偏振光和所述二倍频光)，并将所述基频偏振光滤除。所述光线收集器300可以包括多个光结构器件。
所述偏振探测器400用于检测所述二倍频光的偏振态以及所述二倍频光的光强，所述偏振态包括所述二倍频光的极角和所述二倍频光的椭偏角。所述偏振探测器400同样可以包括多个光结构器件。具体所述偏振探测器400的摆放位置，取决于二倍频光的传播方向。
本实施例中，所述激光光源100、所述偏振调制器200、所述光线收集器300和所述偏振探测器400的摆放位置并不具体限定，只要能够实现对所述待测试样品的光学参数的测试即可。本实施例中，所述光学系统10可以测试任意厚度的材料(块材或者薄膜)，但要求样品厚度值精确，样品厚度越精确测试结果误差越小。所述光学系统10可以避免由于晶体厚度的测量误差与待测试样品的二倍频相干长度相当而引起的误差。所述光学系统10可以广泛应用到材料的二阶非线性极化率的测量中，从而实现简单的系统，测试出高准确率的二阶非线性极化率。
在一个实施例中，所述偏振调制器200包括：第一棱镜210、半波片220和第一多倍物镜230。
所述第一棱镜210可以为格兰-泰勒棱镜，设置于所述激光光源100与所述待测试样品之间，用于将所述激光光源100产生的所述基频光变为线偏振光；
所述半波片220设置于所述第一棱镜210与所述待测试样品之间。所述半波片220用于调节所述线偏振光的极角。
所述第一多倍物镜230具体的所述第一多倍物镜230可以为5倍物镜、10倍物镜、20倍物镜、30倍物镜、40倍物镜或者更大。所述第一多倍物镜230设置于所述半波片220与所述待测试样品之间，用于将所述线偏振光聚焦于所述待测试样品。
本实施例中，所述偏振调制器200包括了所述第一棱镜210、所述半波片220和所述第一多倍物镜230。当然所述偏振调制器200还可以由其他的光学结构组成。同时所述偏振调制器200中的光学结构的位置关系也并不限定，只要能够实现光线的传播即可。
在一个实施例中，所述光线收集器300包括：第二多倍物镜310和滤色片320。
所述第二多倍物镜310具体的第二多倍物镜310可以为比如5倍物镜、10倍物镜、20倍物镜、30倍物镜、40倍物镜、60倍物镜或者更大。所述第二多倍物镜310设置于激发所述待测试样品产生所述二倍频光的一侧，用于收集经所述待测试样品传递出的光线。
所述滤色片320，设置于所述第二多倍物镜310和所述偏振探测器400之间，用于将所述基频偏振光滤除，并将所述二倍频光传输至所述偏振探测器400。
本实施例中，所述光线收集器300包括了所述第二多倍物镜310和所述滤色片320。当然，所述光线收集器300还可以由其他的光学结构组成。同时，也并不限定所述光线收集器300的位置关系，只要能够实现二倍频光线的收集即可。
在一个实施例中，所述偏振探测器400包括：组合透镜410和信号探测器420。
所述组合透镜410，设置于所述滤色片320将所述基频偏振光滤除后的一侧，用于对所述二倍频光信号进行检偏和聚焦。所述信号探测器420设置于所述组合透镜410对所述二倍频光信号进行检偏和聚焦之后的一侧。所述信号探测器420用于获取所述二倍频光的极角、所述二倍频光的椭偏角以及所述二倍频光的光强。
本实施例中，所述偏振探测器400包括了所述组合透镜410和所述信号探测器420。当然，所述偏振探测器400还可以由其他的光学结构组成。同时，也并不限定所述偏振探测器400的位置关系，只要能够实现二倍频光线的角度、强度等光学参数的探测即可。
在一个实施例中，所述组合透镜410包括四分之一波片411、第二棱镜412(所述第二棱镜可以为格兰-泰勒棱镜)和透镜413。所述四分之一波片411、所述第二棱镜412和所述透镜413按照光的传输方向依次排列。所述四分之一波片411与所述第二棱镜412构成检偏计，共同用于对二倍频光偏振态的检测。所述透镜413用于聚焦所述二倍频光信号。
在一个实施例中，所述待测试样品为x切向、y切向或者z切向中的任意一种。在一个实施例中，所述待测试样品为薄膜或者块材，比如所述待测试样品可以为厚度为200nm的铌酸锂薄膜、偏硼酸钡(BBO)块材或薄膜、磷酸二氢钾(KDP)块材或薄膜等一系列表面平整的非线性晶体样品。
请参阅图2，本申请还提供一种确定材料二阶非线性极化率的系统20，包括：激光光源100、偏振调制器200、光线收集器300、偏振探测器400和控制器500。
所述激光光源100用于产生初始基频光，所述初始基频光的波长可调。
所述偏振调制器200设置于所述激光光源100与待测试样品之间。所述偏振调制器200作用于所述基频光产生基频偏振光，并将所述基频偏振光照射到所述待测试样品，所述基频偏振光激发所述待测试样品产生二倍频光。所述基频偏振光的极角可调。
所述光线收集器300设置于激发所述待测试样品产生所述二倍频光的一侧，用于收集经所述待测试样品传递出的光线(包括所述基频偏振光和所述二倍频光)，并将所述基频偏振光滤除。
所述偏振探测器400用于检测所述二倍频光的偏振态以及所述二倍频光的光强，所述偏振态包括所述二倍频光的极角和所述二倍频光的椭偏角。
所述控制器500分别与所述激光光源100、所述偏振调制器200、所述光线收集器300和所述偏振探测器400连接。所述控制器500用于对所述待测试样品进行多次测试，每一次测试均对应得出一组测试数据组，根据所述基频光的波长、所述基频偏振光的极角以及所述测试数据组得出所述待测试样品的二阶非线性极化率。所述测试数据组中包括所述二倍频光的极角、所述二倍频光的椭偏角以及所述二倍频光的光强。
具体的，所述控制器500分别与所述激光光源100和所述偏振调制器200连接，用于获取所述基频光的波长、所述基频偏振光的极角。所述控制器500分别与所述光线收集器300和所述偏振探测器400连接，用于所述二倍频光的偏振态以及所述二倍频光的光强。
本实施例中，在上述光学系统10的基础上增加了所述控制器500。所述控制器500可以根据所述测试数据得出所述待测试样品的二阶非线性极化率。所述确定材料二阶非线性极化率的系统20既可以直接测试百纳米级厚度的材料(块材或者薄膜)，又可以根据所述光学系统10的测试结果绘制材料二阶非线性极化率拟合曲线。进一步，所述确定材料二阶非线性极化率的系统20可以通过材料二阶非线性极化率拟合曲线得出不同的二阶非线性极化参数之间的比值关系和相位关系，避免了对绝对效率的多次测量。
在一个实施例中，所述控制器500包括光学参数模拟计算模块，所述光学参数模拟计算模块基于有限元算法或者基于时域有限差分算法，并结合麦克斯韦方程组实现光学参数的模拟计算。
所述光学参数模拟计算模块可以基于有限元算法进行仿真计算。所述光学参数模拟计算模块可以基于时域有限差分算法进行仿真计算。当然可以理解，所述光学参数模拟计算模块还可以采用其他仿真算法来实现。采用其他仿真算法来实现时，该模块的输入仍然包括所述待测试样品的切向、所述待测试样品的厚度、每一组所述基频光的光强实验值、每一组所述基频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的椭偏角实验值和每一组极化率尝试解中的至少一种或多种。采用其他仿真算法来实现时，该模块的输出仍然包括材料二阶非线性极化率拟合曲线、材料二阶非线性极化率之间的绝对值的比值或者材料二阶非线性极化率之间的相位关系。
请参阅图3，本申请还提供一种确定材料二阶非线性极化率的方法，包括以下步骤：
S100，提供待测试样品，确定所述待测试样品的切向以及所述待测试样品的厚度。
本步骤中所述待测试样品可以为薄膜、块材或者其他的固体形态的材料。所述待测试样品的厚度为10nm至20毫米。更优的，所述待测试样品的厚度为100nm-800nm。所述待测试样品的厚度对后续光学参数模拟计算模块的建立有影响。在所述光学参数模拟计算模块中200nm的待测试样品薄膜可以精确到几纳米。
S200，采用上述任一项所述的确定材料二阶非线性极化率的系统20(如图2所示)对所述待测试样品进行多组光学测试，并记录每一组所述光学测试中采用的基频光的光强实验值和基频光的极角实验值。同时记录每一组所述光学测试中激发所述待测试样品所产生的二倍频光的光强实验值、二倍频光的极角实验值、二倍频光的椭偏角实验值。
本步骤中，记录的五种实验值用于建立基础的试验曲线，可以指导后续材料二阶非线性极化率拟合曲线的建立。本步骤中，记录的五种实验值也可以用于验证后续所述材料二阶非线性极化率拟合曲线的误差是否在合适范围内。
S300，将所述待测试样品的切向、所述待测试样品的厚度、每一组所述基频光的光强实验值、每一组所述基频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的椭偏角实验值和每一组极化率尝试解输入至光学参数模拟计算模块。
本步骤中，所述极化率尝试解结合经验值，进一步采用最小二乘法、奇异值分解法、蒙特卡罗法以及Tikhnow中的任意一种得出，所述极化率尝试解可能会经过多次迭代变化。在不同切型的所述待测试样品中，所述极化率尝试解的类型不同，所述极化率尝试解的具体类型可以根据合理的推断得出。
S400，所述光学参数模拟计算模块拟合形成材料二阶非线性极化率拟合曲线，从所述材料二阶非线性极化率拟合曲线中得出材料二阶非线性极化率。
本步骤中，所述光学参数模拟计算模块基于有限元算法或者基于时域有限差分算法，并结合麦克斯韦方程组实现光学参数的模拟计算。从所述材料二阶非线性极化率拟合曲线中得出材料二阶非线性极化率。其中，材料二阶非线性极化率包括多种不同的极化参数、不同的所述极化参数之间的比值关系以及不同的所述极化参数之间的相位关系。
本申请实施中所涉及的所述确定材料二阶非线性极化率的方法，采用光学参数模拟计算模块计算二阶非线性极化率，计算结果更为精确。本申请中所述确定材料二阶非线性极化率的方法可以还原实际实验中存在的薄膜干涉、双折射效应等复杂问题。所述确定材料二阶非线性极化率的方法可以采用现有的测量技术将厚度精确测量到0.1nm。所述确定材料二阶非线性极化率的方法不需要对晶体厚度的测量误差与样品的二倍频相干长度作比较，本申请的测量方法不会引起不必要的误差。所述确定材料二阶非线性极化率的方法可以测得二阶非线性极化率的绝对值，还可以基于二倍频的偏振信息获得二阶非线性极化率之间的相位关系，更有利于对测试样品的性质进行分析。
在一个实施例中，所述确定材料二阶非线性极化率的方法，还包括：
根据所述光学测试中，每一组基频光的光强实验值、每一组基频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的椭偏角实验值得出材料二阶非线性极化率实验曲线；
判断所述材料二阶非线性极化率拟合曲线的误差是否在预设误差范围内，所述预设误差范围为0.5％-5％。可选的，所述预设误差范围为1％、1.2％、1.8％、2.4％或者3.8％。
本步骤中，所述材料二阶非线性极化率拟合曲线的误差等于|模拟效率-实验效率|/实验效率*100％。其中拟合效率为从所述材料二阶非线性极化率拟合曲线上取点，计算该拟合点的二倍频光功率与该拟合点的基频光功率的比值。实验效率为从材料二阶非线性极化率实验曲线上取点，计算该实验点的二倍频光功率与该试验点的基频光功率的比值。光功率等于光强乘以光斑面积。
若所述材料二阶非线性极化率拟合曲线的误差不在所述预设误差范围内，则调整所述极化率尝试解，对所述材料二阶非线性极化率拟合曲线进行修正。
本步骤中，若所述材料二阶非线性极化率拟合曲线的误差在所述预设误差范围内，则所述材料二阶非线性极化率拟合曲线合格，可以得出正确合理的所述极化参数之间的比值关系以及所述极化参数之间的相位关系。若所述材料二阶非线性极化率拟合曲线的误差不在所述预设误差范围内，则调整所述极化率尝试解，对所述材料二阶非线性极化率拟合曲线进行修正。具体的修正步骤为，调整迭代所述极化率尝试解的数值，直至计算得出的所述材料二阶非线性极化率拟合曲线的误差在所述预设误差范围内。
在一个实施例中，所述确定材料二阶非线性极化率的方法中，所述材料二阶非线性极化率最多包括27个极化参数。具体可参见后文中27个所述极化参数的描述。所述材料二阶非线性极化率包括所述极化参数之间的比值关系以及所述极化参数之间的相位关系。具体可参见下文S440、S441、S441a中给出的比值关系或者相位关系。
在一个实施例中，所述光学参数模拟计算模块结合非线性晶体中的二阶非线性极化强度的计算公式：
Figure GDA0002627450140000121
根据公式(1)计算所述材料二阶非线性极化率
Figure GDA0002627450140000122
其中，下标i，j，k分别为笛卡尔坐标分量，
Figure GDA0002627450140000123
为二阶非线性极化强度的i分量，其决定了二倍频光的i偏振分量的产生，Ej为基频光的j偏振分量，Ek为基频光的k偏振分量，ε0为真空介电常数，等于8.85×10-12F/m。
本实施例中，根据公式(1)：
Figure GDA0002627450140000124
可以得出27个二阶非线性极化参数
Figure GDA0002627450140000125
如下所示：
Figure GDA0002627450140000126
Figure GDA0002627450140000127
由于对后两个表示入射基频光的偏振分量的下角标来说具有置换不变性，即交换两个下角标的位置参数性质保持不变，存在yz＝zy,xy＝yx,zx＝xz，因此二阶非线性极化率的27个元素可以简化表示为18个独立元素。简单来说，根据置换不变性可以将27个二阶非线性极化参数转化为18个独立的二阶非线性极化参数。
在一个实施例中，所述
Figure GDA0002627450140000131
变化为以下的矩阵：
Figure GDA0002627450140000132
其中，x,y,z分别为i,j,k在笛卡尔坐标系中的坐标分量，
Figure GDA0002627450140000133
Figure GDA0002627450140000134
为18个独立的所述极化参数，
Figure GDA0002627450140000135
为二阶非线性极化强度的x分量，其决定了二倍频光的x偏振分量的产生，
Figure GDA0002627450140000136
为二阶非线性极化强度的y分量，其决定了二倍频光的y偏振分量的产生，
Figure GDA0002627450140000137
为二阶非线性极化强度的z分量，其决定了二倍频光的z偏振分量的产生，Ex为基频光的x偏振分量，Ey为基频光的y偏振分量，Ez为基频光的z偏振分量。ε0为真空介电常数，等于8.85×10-12F/m。
在一个实施例中，所述待测试样品的切向为x切向，所述待测试样品的厚度方向是x向，光传输方向是x向，y和z是偏振方向。
基频线偏振光正入射到晶体表面上，并且沿着x轴传输，此时只可能存在y，z基频偏振分量，矩阵变换为：
Figure GDA0002627450140000138
矩阵(1-1)可以变为等式形式为：
Figure GDA0002627450140000139
所述步骤S300包括：
S310，在所述基频光只有y偏振向入射时，设定所述极化率尝试解
Figure GDA0002627450140000141
和
Figure GDA0002627450140000142
的实验值，向所述光学参数模拟计算模块中输入：所述待测试样品的厚度、每一组所述基频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的椭偏角实验值和所述极化率尝试解
Figure GDA0002627450140000143
和
Figure GDA0002627450140000144
的实验值。
在所述S310中只有y偏振入射的情况下，Ez＝0，二倍频的y偏振分量只与
Figure GDA0002627450140000145
相关，二倍频的z偏振分量只与
Figure GDA0002627450140000146
相关，结合二倍频的效率以及偏振信息利用本方案即可推算出
Figure GDA0002627450140000147
和
Figure GDA0002627450140000148
的绝对值以及相位依赖关系。
S320，在所述基频光只有z偏振向入射时，分别设定所述极化率尝试解
Figure GDA0002627450140000149
和
Figure GDA00026274501400001410
的实验值，向所述光学参数模拟计算模块中输入：所述待测试样品的厚度、每一组所述基频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的椭偏角实验值和所述极化率尝试解
Figure GDA00026274501400001411
和
Figure GDA00026274501400001412
的实验值。
在所述S320中，只有z偏振入射的情况下，Ey＝0，二倍频的y偏振分量只与
Figure GDA00026274501400001413
相关，二倍频的z偏振分量只与
Figure GDA00026274501400001414
相关，结合二倍频的效率以及偏振信息利用本方案即可推算出
Figure GDA00026274501400001415
和
Figure GDA00026274501400001416
的绝对值以及相位依赖关系。
S330，在所述基频光既有y分量又有z分量时，分别设定所述极化率尝试解
Figure GDA00026274501400001417
和
Figure GDA00026274501400001418
的实验值，向所述光学参数模拟计算模块中输入：所述待测试样品的厚度、每一组所述基频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的椭偏角实验值和所述极化率尝试解
Figure GDA00026274501400001419
和
Figure GDA00026274501400001420
的实验值。
在所述S330中，入射基频光既有y分量又有z分量时，除了上述4个非线性极化率外，二倍频还与
Figure GDA00026274501400001421
和
Figure GDA00026274501400001422
有关。同理利用本申请的技术方案结合二倍频的效率以及偏振信息
Figure GDA00026274501400001423
和
Figure GDA00026274501400001424
这六个二阶非线性极化率的绝对值以及相位关系都可以得出。
所述步骤S400包括：
S410，通过所述S310得出材料二阶非线性极化率
Figure GDA00026274501400001425
和
Figure GDA00026274501400001426
的拟合曲线；
S420，通过所述S320得出材料二阶非线性极化率
Figure GDA00026274501400001427
和
Figure GDA00026274501400001428
的拟合曲线；
S430，通过所述S330得出材料二阶非线性极化率
Figure GDA0002627450140000151
和
Figure GDA0002627450140000152
的拟合曲线；
S440，根据上述得出的所述材料二阶非线性极化率的拟合曲线，得出x切向所述待测试样品的所述极化参数
Figure GDA0002627450140000153
和
Figure GDA0002627450140000154
之间的比值关系以及所述极化参数
Figure GDA0002627450140000155
和
Figure GDA0002627450140000156
之间的相位关系。
比如具体的，对于S410中的
Figure GDA0002627450140000157
和
Figure GDA0002627450140000158
他们之间的关系可以表示为
Figure GDA0002627450140000159
其中
Figure GDA00026274501400001510
为
Figure GDA00026274501400001511
和
Figure GDA00026274501400001512
的之间的比值关系，δzyy为
Figure GDA00026274501400001513
和
Figure GDA00026274501400001514
的之间的相位关系。
在一个实施例中，所述待测试样品的切向为y切向，所述待测试样品的厚度方向是y向，光传输方向是y向，x和z是偏振方向。
基频线偏振光正入射到晶体表面上，并且沿着y轴传输，此时只可能存在x基频偏振分量和z基频偏振分量，矩阵变换为：
Figure GDA00026274501400001515
矩阵(1-2)可以变为等式形式为：
Figure GDA00026274501400001516
所述步骤S300包括：
S311，在所述基频光只有x偏振向入射时，设定所述极化率尝试解
Figure GDA00026274501400001517
和
Figure GDA00026274501400001518
的实验值，向所述光学参数模拟计算模块中输入：所述待测试样品的厚度、每一组所述基频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的椭偏角实验值和所述极化率尝试解
Figure GDA00026274501400001519
和
Figure GDA00026274501400001520
的实验值。
在所述S311中，只有x偏振入射的情况下，二倍频的x偏振分量只与
Figure GDA0002627450140000161
相关，二倍频的z偏振分量只与
Figure GDA0002627450140000162
相关，结合二倍频的效率以及偏振信息利用本方案即可推算出
Figure GDA0002627450140000163
和
Figure GDA0002627450140000164
的绝对值以及相位依赖关系。
S321，在所述基频光只有z偏振向入射时，分别设定所述极化率尝试解
Figure GDA0002627450140000165
和
Figure GDA0002627450140000166
的实验值，向所述光学参数模拟计算模块中输入：所述待测试样品的厚度、每一组所述基频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的椭偏角实验值和所述极化率尝试解
Figure GDA0002627450140000167
和
Figure GDA0002627450140000168
的实验值。
在所述S321中，只有z偏振入射的情况下，二倍频的x偏振分量只与
Figure GDA0002627450140000169
相关，二倍频的z偏振分量只与
Figure GDA00026274501400001610
相关，结合二倍频的效率以及偏振信息利用本方案即可推算出
Figure GDA00026274501400001611
和
Figure GDA00026274501400001612
的绝对值以及相位依赖关系。
S331，在所述基频光既有x分量又有z分量时，分别设定所述极化率尝试解
Figure GDA00026274501400001613
和
Figure GDA00026274501400001614
的实验值，向所述光学参数模拟计算模块中输入：所述待测试样品的厚度、每一组所述基频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的椭偏角实验值和所述极化率尝试解
Figure GDA00026274501400001615
和
Figure GDA00026274501400001616
的实验值。
在所述S331中，当入射基频光既有x分量又有z分量时，除了上述4个非线性极化率外，二倍频还与
Figure GDA00026274501400001617
和
Figure GDA00026274501400001618
有关。同理利用本申请的技术方案结合二倍频的效率以及偏振信息
Figure GDA00026274501400001619
和
Figure GDA00026274501400001620
这六个二阶非线性极化率的绝对值以及相位关系都可以得出。
所述步骤S400包括：
S411，通过所述S311得出材料二阶非线性极化率
Figure GDA00026274501400001621
和
Figure GDA00026274501400001622
的拟合曲线；
S421，通过所述S321得出材料二阶非线性极化率
Figure GDA00026274501400001623
和
Figure GDA00026274501400001624
的拟合曲线；
S431，通过所述S331得出材料二阶非线性极化率
Figure GDA00026274501400001625
和
Figure GDA00026274501400001626
的拟合曲线；
S441，根据上述得出的所述材料二阶非线性极化率的拟合曲线，得出x切向所述待测试样品的所述极化参数
Figure GDA00026274501400001627
和
Figure GDA00026274501400001628
之间的比值关系以及所述极化参数
Figure GDA00026274501400001629
和
Figure GDA00026274501400001630
之间的相位关系。
比如，对于S411中的
Figure GDA00026274501400001631
和
Figure GDA00026274501400001632
他们之间的关系可以表示为
Figure GDA0002627450140000171
其中
Figure GDA0002627450140000172
为
Figure GDA0002627450140000173
和
Figure GDA0002627450140000174
的之间的比值关系，δzxx为
Figure GDA0002627450140000175
和
Figure GDA0002627450140000176
的之间的相位关系。
在一个实施例中，所述待测试样品的切向为z切向，所述待测试样品的厚度方向是z向，光传输方向是z向，x和y是偏振方向。
基频线偏振光正入射到晶体表面上，并且沿着z轴传输，此时只可能存在x基频偏振分量和y基频偏振分量，矩阵变换为：
Figure GDA0002627450140000177
矩阵(1-3)可以变为等式形式为：
Figure GDA0002627450140000178
所述步骤S300包括：
S311a，在所述基频光只有x偏振向入射时，设定所述极化率尝试解
Figure GDA0002627450140000179
和
Figure GDA00026274501400001710
的实验值，向所述光学参数模拟计算模块中输入：所述待测试样品的厚度、每一组所述基频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的椭偏角实验值和所述极化率尝试解
Figure GDA00026274501400001711
和
Figure GDA00026274501400001712
的实验值。
在所述S311a中，只有x偏振入射的情况下，二倍频的x偏振分量只与
Figure GDA00026274501400001713
相关，二倍频的y偏振分量只与
Figure GDA00026274501400001714
相关，结合二倍频的效率以及偏振信息利用本方案即可推算出
Figure GDA00026274501400001715
和
Figure GDA00026274501400001716
的绝对值以及相位依赖关系。
S321a，在所述基频光只有y偏振向入射时，分别设定所述极化率尝试解
Figure GDA00026274501400001717
和
Figure GDA00026274501400001718
的实验值，向所述光学参数模拟计算模块中输入：所述待测试样品的厚度、每一组所述基频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的椭偏角实验值和所述极化率尝试解
Figure GDA0002627450140000181
和
Figure GDA0002627450140000182
的实验值。
在所述S321a中，只有y偏振入射的情况下，二倍频的x偏振分量只与
Figure GDA0002627450140000183
相关，二倍频的y偏振分量只与
Figure GDA0002627450140000184
相关，结合二倍频的效率以及偏振信息利用本方案即可推算出
Figure GDA0002627450140000185
和
Figure GDA0002627450140000186
的绝对值以及相位依赖关系。
S331a，在所述基频光既有x分量又有y分量时，分别设定所述极化率尝试解
Figure GDA0002627450140000187
和
Figure GDA0002627450140000188
的实验值，向所述光学参数模拟计算模块中输入：所述待测试样品的厚度、每一组所述基频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的椭偏角实验值和所述极化率尝试解
Figure GDA0002627450140000189
和
Figure GDA00026274501400001810
的实验值。
在所述S331a中，当入射基频光既有x分量又有y分量时，除了上述4个非线性极化率外，二倍频还与
Figure GDA00026274501400001811
和
Figure GDA00026274501400001812
有关。同理利用本申请的技术方案结合二倍频的效率以及偏振信息
Figure GDA00026274501400001813
和
Figure GDA00026274501400001814
这六个二阶非线性极化率的绝对值以及相位关系都可以得出。
所述步骤S400包括：
S411a，通过所述S311a得出材料二阶非线性极化率
Figure GDA00026274501400001815
和
Figure GDA00026274501400001816
的拟合曲线；
S421a，通过所述S321a得出材料二阶非线性极化率
Figure GDA00026274501400001817
和
Figure GDA00026274501400001818
的拟合曲线；
S431a，通过所述S331a得出材料二阶非线性极化率
Figure GDA00026274501400001819
和
Figure GDA00026274501400001820
的拟合曲线；
S441a，根据上述得出的所述材料二阶非线性极化率的拟合曲线，得出x切向所述待测试样品的所述极化参数
Figure GDA00026274501400001821
和
Figure GDA00026274501400001822
之间的比值关系以及所述极化参数
Figure GDA00026274501400001823
和
Figure GDA00026274501400001824
之间的相位关系。
比如，对于S411a中的
Figure GDA00026274501400001825
和
Figure GDA00026274501400001826
他们之间的关系可以表示为：
Figure GDA00026274501400001827
其中
Figure GDA00026274501400001828
为
Figure GDA00026274501400001829
和
Figure GDA00026274501400001830
的之间的比值关系，δyxx为
Figure GDA00026274501400001831
和
Figure GDA00026274501400001832
的之间的相位关系。
在一个实施例中，经过上述经历上述S310-S330、S311-S331、S311a-S331a三种情形，除
Figure GDA0002627450140000191
以外所有的二阶非线性极化率绝对值以及相位关系都可以得出。实际对比一下可以看出求出了15个二阶非线性极化参数。最后，对于所述待测试样品为x切向的S310-S330中，通过搜集其他方向出射的x偏振倍频信号强度，结合已知的
Figure GDA0002627450140000192
与
Figure GDA0002627450140000193
即可求得
Figure GDA0002627450140000194
对于所述待测试样品为y切向的S311-S331中，通过搜集其他方向出射的y偏振倍频信号强度，结合已知的
Figure GDA0002627450140000195
与
Figure GDA0002627450140000196
即可求得
Figure GDA0002627450140000197
对于所述待测试样品为z切向的S311a-S331a，通过搜集其他方向出射的z偏振倍频信号强度，结合已知的
Figure GDA0002627450140000198
与
Figure GDA0002627450140000199
即可求得
Figure GDA00026274501400001910
最终，所有18个独立的二阶非线性极化参数都可以得出。
在一个具体的实施例中，对x切的所述待测试样品的二阶非线性极化率进行测试。请参阅图4，提供了二倍频产生原理的示意图。光强为E，频率为ω的单色平面波入射到一个二阶非线性极化率χ(2)非零的晶体上,在晶体中产生的二阶非线性极化强度：
P(2)＝ε0χ(2)E2 公式(2)
这个极化强度将向外辐射频率为E的电场，这就是二倍频的发生过程。
请参阅图5，图5为x切配置铌酸锂(铌酸锂LiNbO3)。e为晶体光轴方向，传输方向为k，基频光正入射到晶体界面上。
铌酸锂LiNbO3晶体中的二阶非线性极化强度可以表示为上述的公式(1)。对于图5所示的x切配置的铌酸锂而言，二倍频极化强度与基频电场关系的矩阵形式为：
Figure GDA00026274501400001911
矩阵(2)可写作以下的公式(3)：
Figure GDA00026274501400001912
上式表明，基频波入射分量(Eo和Ee)将在二阶非线性极化率χ(2)各个分量的作用下，转换为不同分量的二倍频信号，通过对基频波和二倍频的相关分析可以计算出二阶非线性极化率的每个分量。
请参阅图6，不考虑晶体对光的吸收与散射，基频光到二倍频的转换需要满足动量守恒定律，如以下的公式(4)，即：
Figure GDA0002627450140000201
当Δk＝0时，n(2ω)＝n(ω)，即为相位匹配条件，此时入射基频光才能最大化转化为二倍频，但是由于自然界物质通常存在色散，因此通常n(2ω)≠n(ω)，此时n(2ω)≠n(ω)，即发生相位失配，对于相位失配在二倍频中所引起的结果，我们引入相干长度进行分析，相干长度定义以下的公式(5)：
Figure GDA0002627450140000202
其物理含义为：当基频光入射晶体后，每经过lc奇数倍长度时，二倍频强度会出现最大值；每经过lc偶数倍长度时，二倍频强度会出现最小值。在正常色散情况下，lc约为几微米到100微米。
图6相位匹配和相位失配下二倍频效率示意图。图中可以看出在Δk＝0和Δk≠0的情况下，二倍频效率与晶体长度的关系。Δk是波矢失配量，Δk＝2k2ω-kω。
在x切铌酸锂薄膜的二倍频过程中，如上述公式(3)中所示，分别有四个二阶非线性极化率起作用：
Figure GDA0002627450140000203
和
Figure GDA0002627450140000204
特别地，
1.当入射基频光的方位角α为90°(e光入射)时，
Figure GDA0002627450140000205
只有
Figure GDA0002627450140000206
起作用，此时出射的二倍频只有e光(φ＝90°且ξ＝0°)；
2.当入射基频光的方位角α为0°(o光入射)时，
Figure GDA0002627450140000207
此时
Figure GDA0002627450140000208
和
Figure GDA0002627450140000209
起作用；
3.当入射基频光的方位角α在0°到90°之间时，
Figure GDA00026274501400002010
Figure GDA00026274501400002011
四个二阶非线性极化率同时起作用。
在后两种情况下，出射的二倍频均为椭圆偏振光(同时包含o分量和e分量)。
求解过程：
在求解二阶非线性极化率时，我们利用光学参数模拟计算模块对实验结果进行拟合计算。
步骤一、在α为90°的配置下，二倍频过程只和
Figure GDA0002627450140000211
相关，因此我们可以利用在此配置下的二倍频转化效率拟合得到铌酸锂
Figure GDA0002627450140000212
的绝对值；
步骤二、在其他配置下，我们通过对二倍频偏振态的拟合，一次性得到
Figure GDA0002627450140000213
Figure GDA0002627450140000214
分别和
Figure GDA0002627450140000215
的比值关系。
步骤三、由
Figure GDA0002627450140000216
的绝对值和其他二阶非线性极化率与
Figure GDA0002627450140000217
的比值关系，可以得到所有二阶非线性极化率的数值。
请参阅图7，图7提供了二阶非线性极化率在铌酸锂薄膜二倍频过程中的作用原理。图7中结构为SiO2基底上的铌酸锂(LN)薄膜，薄膜厚度在百纳米量级。二倍频2ω的偏振态随基频光ω偏振态的改变而改变，并且二者的偏振态不同。基频光是一束线偏振光，基频光的极角α可变，以顺时针为正；二倍频为椭圆偏振光，二倍频的偏振态由二倍频光的极角φ和二倍频光的椭偏角ξ来描述。
具体的，基频光的极角α描述基频光偏振方向与y轴的夹角，以顺时针方向旋转为正。二倍频的极角φ描述二倍频椭圆偏振长轴与y轴的夹角，以顺时针方向旋转为正。二倍频的椭偏角ξ描述二倍频椭圆偏振态的椭圆程度，等于0时，为线偏振光。
基于二倍频偏振信息测量铌酸锂薄膜二阶非线性极化率的测量方法：
具体实验可以采用图2所示的基于二倍频偏振信息测量铌酸锂薄膜样品二阶非线性极化率的光路结构示意图。
所述确定材料二阶非线性极化率的系统20可以但并不限制为采用以下的光学结构实现。所述激光光源100采用可调谐飞秒激光器。所述第一棱镜210采用格兰-泰勒棱镜，格兰-泰勒棱镜用于起偏，即将激光变为线偏振光。所述半波片220用于调节线偏振光的极角，可以对极角实现任意角度的调节。所述第一多倍物镜230为10倍物镜(0.25N.A.)。所述待测试样品为铌酸锂薄膜样品。所述第二多倍物镜310为20倍物镜(0.4N.A.)。所述滤色片320用于将所述基频偏振光滤除，具体滤除的频率范围依赖于实验所用基频光的波长。所述四分之一波片411、所述第二棱镜412(可以为格兰-泰勒棱镜)和所述透镜413共同组成组合透镜410，用于对所述二倍频光信号进行检偏和聚焦。所述信号探测器420用于获取二倍频光的极角、二倍频光的椭偏角以及二倍频光的光强。
采用所述确定材料二阶非线性极化率的系统20实现铌酸锂薄膜样品二阶非线性极化率的测量步骤包括：
步骤一、可调谐飞秒激光器被用作产生基频信号，飞秒激光经过格兰泰-勒棱镜(所述第一棱镜210)变为线偏振光。
步骤二、线偏振光的极角由一个消色差半波片(所述半波片220)调谐。
步骤三、使用10倍物镜(0.25N.A.)将基频信号聚焦到铌酸锂薄膜样品上以激发二倍频，另一个20倍物镜(0.4N.A.)用于信号收集。
步骤四、通过滤色片(所述滤色片320)将基频信号完全过滤，只剩余二倍频信号。
步骤五、二倍频信号经过由可旋转四分之一波片、所述第二棱镜412和所述信号探测器420，获取二倍频信号的偏振信息与强度信息并记录。所述透镜413用于聚焦二倍频信号。
步骤六、将所获取的二倍频偏振信息以及强度信息，输入至所述光学参数模拟计算模块进行拟合计算，获取铌酸锂薄膜样品的二阶非线性极化率。在利用光学参数模拟计算模块进行拟合时，激光功率、样品厚度、折射率等参数与实验保持完全一致。
基于二倍频偏振信息测量铌酸锂薄膜二阶非线性极化率的测量结果分析：
请参阅图8，图8(a)为基频波极角α为90°时样品二倍频的绝对转化效率。图8(b)为通过光学参数模拟计算模块拟合求解出的
Figure GDA0002627450140000221
其中图8(a)中样点为实验值，实线为基于拟合
Figure GDA0002627450140000222
的模拟值，模拟与实验呈现良好的一致性。
请参阅图9，图9中的(a)和(b)为二倍频波长为350nm和500nm情况下二倍频信号偏振态对基频波极角的依赖关系。图9中的(c)和(d)为通过光学参数模拟计算模块拟合求解出的
Figure GDA0002627450140000223
分别与
Figure GDA0002627450140000224
绝对值的比值与相位关系。
Figure GDA0002627450140000225
分别与
Figure GDA0002627450140000226
绝对值的比值可以表示为下述公式(6)所示：
Figure GDA0002627450140000231
Figure GDA0002627450140000232
分别与
Figure GDA0002627450140000233
之间的相位关系可以参阅图9(d)。其中图9中(a)和(b)的样点为实验值，实线为基于图9中(c)和(d)求解结果的模拟值，模拟与实验值符合良好。
本申请中基于二倍频偏振信息测量铌酸锂薄膜二阶非线性极化率与传统方法相比的优势分析：
数据处理上的优势：
1、求解二阶非线性极化率的过程中：传统方法依靠于解析公式进行拟合计算，计算过程中存在较多近似。而本申请中所述确定材料二阶非线性极化率的方法，采用光学参数模拟计算模块计算二阶非线性极化率，计算结果更为精确。本申请中所述确定材料二阶非线性极化率的方法可以还原实际实验中存在的薄膜干涉、双折射效应等复杂问题。
2、在涉及到二倍频转换效率的拟合时，需要精确知道待测样品的厚度。传统方法中能够测试的样品均为微米或毫米级别，很难提高测量精度，如果对晶体厚度的测量误差与样品的二倍频相干长度相当，将会引起很大的误差。而对于本申请中所述确定材料二阶非线性极化率的方法中所测量的样品而言，厚度为百纳米级。本申请可以采用现有的测量技术将厚度精确测量到0.1nm，本申请中不需要对晶体厚度的测量误差与样品的二倍频相干长度作比较，本申请的测量方法不会引起不必要的误差。
3、采用本申请中所述确定材料二阶非线性极化率的方法，不仅可以测得二阶非线性极化率的绝对值，还可以基于二倍频的偏振信息获得二阶非线性极化率之间的相位关系，更有利于对测试样品的性质进行分析。
测试系统上的优势：
1、传统测试系统中Maker条纹法以及Kurtz粉末技术均为相对测量，需要与KDP等标准样品进行比较。Maker条纹法中条纹的形成需要依靠波矢失配，因此样品厚度需要大于待测材料的相干长度(微米以上)，而粉末法需要样品为粉末状，且测量误差较大，以上两种方法均不能对所述确定材料二阶非线性极化率的系统20中所测试的百纳米级厚度的薄膜样品进行直接测量。
2、传统测试系统中的效率测量法为绝对测量法，依据二倍频的绝对转化效率和解析公式的关系求解二阶非线性极化率。但是求解每一个二阶非线性极化率时都必须精确地了解光束的模式、空间结构、聚焦状况以及是否实现相位匹配等，十分繁琐。而本申请中所述确定材料二阶非线性极化率的系统20只需要求解一次绝对效率以获得二阶非线性极化率
Figure GDA0002627450140000241
的绝对值，之后由二倍频的偏振态确定其他二阶非线性极化率与
Figure GDA0002627450140000242
绝对值的比值以及相位关系，从而获得所有的二阶非线性极化率，避免了对绝对效率的多次测量。
参阅上述实施例中，本申请提供的确定材料二阶非线性极化率的系统及方法可以实现以上x切向材料二阶非线性极化率的测量，同样可以实现y切向和z切向材料二阶非线性极化率的测量，在此不再一一赘述。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光学系统，其特征在于，包括：
激光光源(100)，产生初始基频光；
偏振调制器(200)，所述初始基频光输入至所述偏振调制器(200)，从所述偏振调制器(200)输出基频偏振光，所述基频偏振光照射待测试样品以产生二倍频光；
光线收集器(300)，用于收集所述基频偏振光和所述二倍频光并将所述基频偏振光滤除以输出所述二倍频光；以及
偏振探测器(400)，检测所述二倍频光的偏振态以及所述二倍频光的光强，所述偏振态包括所述二倍频光的极角和所述二倍频光的椭偏角；
其中，所述光线收集器(300)包括：
第二多倍物镜(310)；以及
滤色片(320)，设置于所述第二多倍物镜(310)和所述偏振探测器(400)之间；
所述偏振探测器(400)包括：
组合透镜(410)，对经所述光线收集器(300)输出的所述二倍频光进行检偏和聚焦；
所述组合透镜(410)包括：按照光的传输方向依次排列的四分之一波片(411)、第二棱镜(412)和透镜(413)。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述偏振探测器(400)还包括：
信号探测器(420)，从滤波、检偏和聚焦后的所述二倍频光中获取所述二倍频光的极角、所述二倍频光的椭偏角以及所述二倍频光的光强。
3.一种确定材料二阶非线性极化率的系统，其特征在于，包括：
激光光源(100)，产生初始基频光；
偏振调制器(200)，所述初始基频光输入至所述偏振调制器(200)，从所述偏振调制器(200)输出基频偏振光，所述基频偏振光照射待测试样品以产生二倍频光；
光线收集器(300)，用于收集所述基频偏振光和所述二倍频光并将所述基频偏振光滤除以输出所述二倍频光；
偏振探测器(400)，检测所述二倍频光的偏振态以及所述二倍频光的光强，所述偏振态包括所述二倍频光的极角和所述二倍频光的椭偏角；以及
控制器(500)，分别与所述激光光源(100)、所述偏振调制器(200)、所述光线收集器(300)和所述偏振探测器(400)连接；所述控制器(500)用于对所述待测试样品进行多次测试，每一次测试均对应得出一组测试数据组，根据所述基频光的波长、所述基频偏振光的极角以及所述测试数据组得出所述待测试样品的二阶非线性极化率；所述测试数据组中包括所述二倍频光的极角、所述二倍频光的椭偏角以及所述二倍频光的光强；
其中，得出所述待测试样品的二阶非线性极化率的具体步骤包括：
结合非线性晶体中的二阶非线性极化强度的计算公式：
Figure FDA0002627450130000021
计算所述待测试样品的二阶非线性极化率
Figure FDA0002627450130000022
其中，下标i，j，k分别为笛卡尔坐标分量，Pi (2)为二阶非线性极化强度的i分量，其决定了二倍频光的i偏振分量的产生，Ej为基频光的j偏振分量，Ek为基频光的k偏振分量，ε0为真空介电常数，等于8.85×10-12F/m；
所述
Figure FDA0002627450130000023
变化为以下的矩阵：
Figure FDA0002627450130000031
其中，x,y,z分别为i,j,k在笛卡尔坐标系中的坐标分量，
Figure FDA0002627450130000032
Figure FDA0002627450130000033
为18个独立的极化参数，
Figure FDA0002627450130000034
为二阶非线性极化强度的x分量，其决定了二倍频光的x偏振分量的产生，
Figure FDA0002627450130000035
为二阶非线性极化强度的y分量，其决定了二倍频光的y偏振分量的产生，
Figure FDA0002627450130000036
为二阶非线性极化强度的z分量，其决定了二倍频光的z偏振分量的产生，Ex为基频光的x偏振分量，Ey为基频光的y偏振分量，Ez为基频光的z偏振分量。
4.根据权利要求3所述的确定材料二阶非线性极化率的系统，其特征在于，所述控制器(500)包括光学参数模拟计算模块，所述光学参数模拟计算模块基于有限元算法或者基于时域有限差分算法，并结合麦克斯韦方程组实现光学参数的模拟计算。
5.一种确定材料二阶非线性极化率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100，提供待测试样品，确定所述待测试样品的切向以及所述待测试样品的厚度；
S200，采用如权利要求3-4中任一项所述的确定材料二阶非线性极化率的系统对所述待测试样品进行多组光学测试，并记录每一组所述光学测试中采用的基频光的光强实验值和基频光的极角实验值；同时记录每一组所述光学测试中激发所述待测试样品所产生的二倍频光的光强实验值、二倍频光的极角实验值、二倍频光的椭偏角实验值；
S300，将所述待测试样品的切向、所述待测试样品的厚度、每一组所述基频光的光强实验值、每一组所述基频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的椭偏角实验值和每一组极化率尝试解输入至光学参数模拟计算模块；
S400，所述光学参数模拟计算模块拟合形成材料二阶非线性极化率拟合曲线，从所述材料二阶非线性极化率拟合曲线中得出材料二阶非线性极化率。
6.根据权利要求5所述的确定材料二阶非线性极化率的方法，其特征在于，还包括：
根据所述光学测试中，每一组基频光的光强实验值、每一组基频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的椭偏角实验值得出材料二阶非线性极化率实验曲线；
判断所述材料二阶非线性极化率拟合曲线的误差是否在预设误差范围内，所述预设误差范围为0.5％-5％；
若所述材料二阶非线性极化率拟合曲线的误差不在所述预设误差范围内，则调整所述极化率尝试解，对所述材料二阶非线性极化率拟合曲线进行修正。
7.根据权利要求6所述的确定材料二阶非线性极化率的方法，其特征在于，所述光学参数模拟计算模块结合非线性晶体中的二阶非线性极化强度的计算公式：
Figure FDA0002627450130000041
计算所述材料二阶非线性极化率
Figure FDA0002627450130000042
其中，下标i，j，k分别为笛卡尔坐标分量，Pi (2)为二阶非线性极化强度的i分量，其决定了二倍频光的i偏振分量的产生，Ej为基频光的j偏振分量，Ek为基频光的k偏振分量，ε0为真空介电常数，等于8.85×10-12F/m；
所述
Figure FDA0002627450130000043
变化为以下的矩阵：
Figure FDA0002627450130000051
其中，x,y,z分别为i,j,k在笛卡尔坐标系中的坐标分量，
Figure FDA0002627450130000052
Figure FDA0002627450130000053
为18个独立的极化参数，
Figure FDA0002627450130000054
为二阶非线性极化强度的x分量，其决定了二倍频光的x偏振分量的产生，
Figure FDA0002627450130000055
为二阶非线性极化强度的y分量，其决定了二倍频光的y偏振分量的产生，
Figure FDA0002627450130000056
为二阶非线性极化强度的z分量，其决定了二倍频光的z偏振分量的产生，Ex为基频光的x偏振分量，Ey为基频光的y偏振分量，Ez为基频光的z偏振分量。
8.根据权利要求7所述的确定材料二阶非线性极化率的方法，其特征在于，所述待测试样品的切向为x切向，所述待测试样品的厚度方向是x向，光传输方向是x向，y和z是偏振方向；所述步骤S300包括：
S310，在所述基频光只有y偏振向入射时，设定所述极化率尝试解
Figure FDA0002627450130000057
和
Figure FDA0002627450130000058
的实验值，向所述光学参数模拟计算模块中输入：所述待测试样品的厚度、每一组所述基频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的椭偏角实验值和所述极化率尝试解
Figure FDA0002627450130000059
和
Figure FDA00026274501300000510
的实验值；
S320，在所述基频光只有z偏振向入射时，分别设定所述极化率尝试解
Figure FDA00026274501300000511
和
Figure FDA00026274501300000512
的实验值，向所述光学参数模拟计算模块中输入：所述待测试样品的厚度、每一组所述基频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的椭偏角实验值和所述极化率尝试解
Figure FDA0002627450130000061
和
Figure FDA0002627450130000062
的实验值；
S330，在所述基频光既有y分量又有z分量时，分别设定所述极化率尝试解
Figure FDA0002627450130000063
和
Figure FDA0002627450130000064
的实验值，向所述光学参数模拟计算模块中输入：所述待测试样品的厚度、每一组所述基频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的椭偏角实验值和所述极化率尝试解
Figure FDA0002627450130000065
和
Figure FDA0002627450130000066
的实验值；
所述步骤S400包括：
S410，通过所述S310得出材料二阶非线性极化率
Figure FDA0002627450130000067
和
Figure FDA0002627450130000068
的拟合曲线；
S420，通过所述S320得出材料二阶非线性极化率
Figure FDA0002627450130000069
和
Figure FDA00026274501300000610
的拟合曲线；
S430，通过所述S330得出材料二阶非线性极化率
Figure FDA00026274501300000611
和
Figure FDA00026274501300000612
的拟合曲线；
S440，根据上述得出的所述材料二阶非线性极化率的拟合曲线，得出x切向所述待测试样品的所述极化参数
Figure FDA00026274501300000613
和
Figure FDA00026274501300000614
之间的比值关系以及所述极化参数
Figure FDA00026274501300000615
和
Figure FDA00026274501300000616
之间的相位关系。
9.根据权利要求7所述的确定材料二阶非线性极化率的方法，其特征在于，所述待测试样品的切向为y切向，所述待测试样品的厚度方向是y向，光传输方向是y向，x和z是偏振方向；所述步骤S300包括：
S311，在所述基频光只有x偏振向入射时，设定所述极化率尝试解
Figure FDA00026274501300000617
和
Figure FDA00026274501300000618
的实验值，向所述光学参数模拟计算模块中输入：所述待测试样品的厚度、每一组所述基频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的椭偏角实验值和所述极化率尝试解
Figure FDA00026274501300000619
和
Figure FDA00026274501300000620
的实验值；
S321，在所述基频光只有z偏振向入射时，分别设定所述极化率尝试解
Figure FDA00026274501300000621
和
Figure FDA0002627450130000071
的实验值，向所述光学参数模拟计算模块中输入：所述待测试样品的厚度、每一组所述基频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的椭偏角实验值和所述极化率尝试解
Figure FDA0002627450130000072
和
Figure FDA0002627450130000073
的实验值；
S331，在所述基频光既有x分量又有z分量时，分别设定所述极化率尝试解
Figure FDA0002627450130000074
和
Figure FDA0002627450130000075
的实验值，向所述光学参数模拟计算模块中输入：所述待测试样品的厚度、每一组所述基频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的椭偏角实验值和所述极化率尝试解
Figure FDA0002627450130000076
和
Figure FDA0002627450130000077
的实验值；
所述步骤S400包括：
S411，通过所述S311得出材料二阶非线性极化率
Figure FDA0002627450130000078
和
Figure FDA0002627450130000079
的拟合曲线；
S421，通过所述S321得出材料二阶非线性极化率
Figure FDA00026274501300000710
和
Figure FDA00026274501300000711
的拟合曲线；
S431，通过所述S331得出材料二阶非线性极化率
Figure FDA00026274501300000712
和
Figure FDA00026274501300000713
的拟合曲线；
S441，根据上述得出的所述材料二阶非线性极化率的拟合曲线，得出x切向所述待测试样品的所述极化参数
Figure FDA00026274501300000714
和
Figure FDA00026274501300000715
之间的比值关系以及所述极化参数
Figure FDA00026274501300000716
和
Figure FDA00026274501300000717
之间的相位关系。
10.根据权利要求7所述的确定材料二阶非线性极化率的方法，其特征在于，所述待测试样品的切向为z切向，所述待测试样品的厚度方向是z向，光传输方向是z向，x和y是偏振方向；所述步骤S300包括：
S311a，在所述基频光只有x偏振向入射时，设定所述极化率尝试解
Figure FDA00026274501300000718
和
Figure FDA00026274501300000719
的实验值，向所述光学参数模拟计算模块中输入：所述待测试样品的厚度、每一组所述基频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的椭偏角实验值和所述极化率尝试解
Figure FDA0002627450130000081
和
Figure FDA0002627450130000082
的实验值；
S321a，在所述基频光只有y偏振向入射时，分别设定所述极化率尝试解
Figure FDA0002627450130000083
和
Figure FDA0002627450130000084
的实验值，向所述光学参数模拟计算模块中输入：所述待测试样品的厚度、每一组所述基频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的椭偏角实验值和所述极化率尝试解
Figure FDA0002627450130000085
和
Figure FDA0002627450130000086
的实验值；
S331a，在所述基频光既有x分量又有y分量时，分别设定所述极化率尝试解
Figure FDA0002627450130000087
和
Figure FDA0002627450130000088
的实验值，向所述光学参数模拟计算模块中输入：所述待测试样品的厚度、每一组所述基频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的光强实验值、每一组所述二倍频光的极角实验值、每一组所述二倍频光的椭偏角实验值和所述极化率尝试解
Figure FDA0002627450130000089
和
Figure FDA00026274501300000810
的实验值；
所述步骤S400包括：
S411a，通过所述S311a得出材料二阶非线性极化率
Figure FDA00026274501300000811
和
Figure FDA00026274501300000812
的拟合曲线；
S421a，通过所述S321a得出材料二阶非线性极化率
Figure FDA00026274501300000813
和
Figure FDA00026274501300000814
的拟合曲线；
S431a，通过所述S331a得出材料二阶非线性极化率
Figure FDA00026274501300000815
和
Figure FDA00026274501300000816
的拟合曲线；
S441a，根据上述得出的所述材料二阶非线性极化率的拟合曲线，得出x切向所述待测试样品的所述极化参数
Figure FDA00026274501300000817
和
Figure FDA00026274501300000818
之间的比值关系以及所述极化参数
Figure FDA00026274501300000819
和
Figure FDA00026274501300000820
之间的相位关系。
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