CN110940644A - 一种二阶非线性光学测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二阶非线性光学测试装置及其测试方法，所述装置通过激光单元以预设角度小于90°向待测样品发射入射光，待测样品经入射光照射后产生反射光，该反射光为入射光的倍频光，然后利用检测单元接收反射光，并对反射光的信号强度进行检测，得到待测样品表面的二阶非线性光学信息。本发明适用于测试对激光有较强吸收的样品，本发明激光以预设角度入射待测样品，激光仅在待测样品的表面产生反射，避免了待测样品对激光的吸收；另外，本发明激光可以以小于90°的不同入射角入射待测样品，测试不同入射角的反射光信号强度，得到不同入射角待测样品的表面二阶非线性光学信息，测量结果更加可靠，方便快捷。

Description

一种二阶非线性光学测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及光谱仪器技术领域，尤其是涉及一种二阶非线性光学测试装置及测试方法。

背景技术

非线性光学效应，是一种重要的非线性光学效应，具有非线性光学效应的材料能够对不同波长的激光进行变频得到新波长激光。由于非线性光学技术能够获得特殊用途的新波长激光，从而扩展激光器的可调谐范围，因此，该技术在光通讯、激光雷达、卫星测距、激光化学、激光医学等领域有着广泛的应用。

研究及寻找新的非线性光学材料已成为目前非线性光学领域的研究热点。通过测试待测材料的倍频性能可以判断其非线性光学性能，现有测量非线性光学效应的装置都是利用激光激发待测材料，通过探测器对透过样品产生的光信号进行检测，分析样品是否具有倍频效应以及倍频能力的强弱。但是，对于本身对激光光源或信号光有较强吸收的待测材料，比如磷锗锌晶体(简称ZGP晶体)，则通过这种方法无法测试到真实的信号光强度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种二阶非线性光学测试装置及测量方法，能够解决现有对激光光源或信号光有较强吸收的待测材料的非线性光学性能检测准确度低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种二阶非线性光学测试装置，包括：

激光单元，用于以预设角度向待测样品单元发射入射光，所述预设角度小于90°；

待测样品单元，包括样品架和放置在所述样品架上的待测样品，所述入射光经过所述待测样品后产生反射光，所述反射光为入射光的倍频光；

检测单元，用于接收所述反射光，并对所述反射光的信号强度进行检测，得到待测样品表面的二阶非线性光学信息。

作为本发明再进一步的方案：所述光学测试装置还包括：

光隔离器，设置在所述激光单元和所述待测样品之间的光路上，所述光隔离器镀有对入射光波长的增透膜。

作为本发明再进一步的方案：所述光学测试装置还包括：

第一分光棱镜，设置在所述光隔离器和所述待测样品之间的光路上，所述第一分光棱镜镀有所述入射光波长的增透膜。

作为本发明再进一步的方案：所述光学测试装置还包括：

第二分光棱镜，设置在所述待测样品和所述检测单元之间的光路上，所述第二分光棱镜镀有所述入射光波长和所述反射光波长的增透膜。

作为本发明再进一步的方案：所述检测单元包括光电探测器和数据采集器；

所述光电探测器接收所述反射光，确定所述反射光的信号强度，并将所述信号强度转化为电信号；

所述数据采集器接收所述电信号，并将所述电信号转化为数字信号。

作为本发明再进一步的方案：所述激光单元为纳秒、皮秒或者飞秒的激光器，所述激光器出射的激光的波段为红外光波段、可见光波段或者紫外光波段。

作为本发明再进一步的方案：所述样品架上设置有两个旋转的长臂，所述两个长臂的一端均与所述样品架活动连接，所述激光单元和所述检测单元分别设置在两个长臂的另一端，且设置所述检测单元的长臂与所述反射光的光路重合。

本发明还提供一种应用于上述任一种所述的二阶非线性光学测试装置的测试方法，所述方法包括：

将入射光以预设角度射向待测样品，所述预设角度小于90°；

经过所述待测样品反射，得到反射光，所述反射光为入射光的倍频光；

对所述反射光的信号强度进行检测，得到待测样品表面的二阶非线性光学信息。

作为本发明再进一步的方案：对待测样品的反射光的信号强度进行检测之前，所述方法还包括：

去除掉所述待测样品的反射光以外的光波。

作为本发明再进一步的方案：对所述反射光的信号强度进行检测的具体方法为：

接收所述待测样品的反射光，获取反射光的信号强度；

将反射光的信号强度转化为电信号，再将该电信号转化为数字信号。

本发明的有益效果包括但不限于：

(1)本发明提供的二阶非线性光学测试装置，通过激光单元以预设角度向待测样品单元发射入射光，其中预设角度小于90°，待测样品单元内的待测样品经入射光照射后产生反射光，该反射光为入射光的倍频光，然后利用检测单元接收反射光，并对反射光的信号强度进行检测，得到待测样品表面的二阶非线性光学信息。本发明光学测试装置通过测试激光以预设角度射向待测样品后是否产生倍频激光，以及产生的倍频激光的强度大小来判断待测样品是否具有倍频效应以及倍频能力的强弱。本发明适用于测试对激光有较强吸收的待测样品，一方面，由于本发明激光以预设角度入射待测样品，入射激光仅在待测样品的表面产生反射，避免了待测样品对激光的吸收；另一方面，由于不同的待测样品对于不同入射角的入射光产生的反射光信号强度不同，本发明激光可以以预设角度小于90°入射待测样品，测试不同入射角的反射光信号强度，得到不同入射角的待测样品的表面二阶非线性光学信息，测量结果更加可靠，测量效率高，方便快捷。

(2)进一步地，本发明通过设置的光隔离器对入射光进行过滤，避免了反向光对激光单元的损坏；进一步地，激光单元出射的激光的波段可以为红外光波段、可见光波段或者紫外光波段，使装置可以测试不同波段待测样品的表面二阶非线性光学性能；进一步地，本发明通过设置的第一分光棱镜对入射光进行分离，去除掉入射光以外的光波，使入射光射向待测样品，通过去除其他光波，避免了因为其他光波的影响带来的测量误差，使测量结果更准确；进一步地，本发明通过设置的第二分光棱镜对待测样品反射的反射光进行分离，去除掉入射光和反射光以外的光波，避免了入射光射向激光单元，对激光单元造成损害，同时避免了因为其他光波的影响带来的测量误差，进一步提高了测量的准确性。

(3)进一步地，本发明通过在样品架上设置两个旋转的长臂，分别在两个长臂上设置激光单元和检测单元，旋转长臂的角度，就可以达到连续调节入射角的目的，操作简单；进一步地，本发明通过光电探测器接收待测样品反射的反射光，确定反射光的的信号强度，并将信号强度转化为电信号后传输给数据采集器，数据采集器接收电信号，并将电信号转化为数字信号后与服务器通信，服务器将数字信号转化为待测样品表面的二阶非线性光学信息。本发明操作简单，测量成本低，节省了人力和物力。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种二阶非线性光学测试装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种二阶非线性光学测试方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。

实施例1：

本发明实施例提供了一种二阶非线性光学测试装置，如图1所示，包括激光单元101、待测样品单元102、检测单元103；

激光单元101，用于以预设角度向待测样品单元102发射入射光，预设角度小于90°。

进一步的，激光单元101可以是脉冲纳秒、皮秒或者飞秒的激光器，本发明实施例对此不做限定。激光单元101出射的激光的波段可以为红外光波段、可见光波段或者紫外光波段。通过这种设置，使本发明装置可以测试不同波段待测样品的二阶非线性光学性能，扩大了本发明的使用范围。

其中，预设角度为入射光射向待测样品的入射角，本实施例中入射角可以在小于90°范围内调节，以测量不同入射角下待测样品的表面二阶非线性光学性能。

待测样品单元102，包括样品架和放置在样品架上的待测样品，入射光经过待测样品后产生反射光，该反射光为入射光的倍频光。

其中，待测样品可以是粉末或者晶体，待测样品放置在样品架上，样品架通光面上全部选用对反射光的波段高透的玻璃片。入射光射向待测样品后产生反射光，反射光的反射角与入射角相同。

进一步的，样品架上设置有两个旋转的长臂，两个长臂的一端均与样品架活动连接，激光单元101和检测单元103分别设置在两个长臂的另一端，且设置检测单元103的长臂与反射光的光路重合。

通过这种设置，调节长臂的角度，就可以对入射角进行连续调节。另外，在样品架上显示入射角，使测量结果更加精确，操作方便快捷。同时，样品架将入射角数据实时传输给服务器。

检测单元103，用于接收反射光，并对反射光的信号强度进行检测，得到待测样品表面的二阶非线性光学信息。

进一步的，检测单元103包括光电探测器和数据采集器；

光电探测器接收反射光，确定反射光的信号强度，并将信号强度转化为电信号；

数据采集器接收电信号，并将电信号转化为数字信号，然后与服务器通信，服务器获取数字信号，并结合入射角数据，得到不同入射角下待测样品表面的二阶非线性光学信息。

进一步的，本实施例光学测试装置还包括：

光隔离器，设置在激光单元101和待测样品之间的光路上，光隔离器镀有对入射光波长的增透膜。光隔离器能够过滤入射光，避免了反向光对激光单元101造成损坏，延长了装置的使用寿命。

进一步的，本实施例光学测试装置还包括：

第一分光棱镜，设置在光隔离器和待测样品之间的光路上，第一分光棱镜镀有入射光波长的增透膜。第一分光棱镜对激光单元101发射的入射光进行分离，去除掉入射光以外的光波，使入射光射向待测样品，通过去除其他光波，避免了因为其他光波的影响带来的测量误差，使测量结果更准确。

进一步的，本实施例光学测试装置还包括：

第二分光棱镜，设置在待测样品和检测单元103之间的光路上，第二分光棱镜镀有入射光波长和反射光波长的增透膜。第二分光棱镜对待测样品的反射光进行分离，去除掉待测样品的入射光和反射光以外的光波，避免了入射光射向激光单元101，对激光单元101造成损害，同时避免了因为其他光波的影响带来的测量误差，进一步提高了测量的准确性。

本发明提供的二阶非线性光学测试装置，通过激光单元101以预设角度向待测样品单元102发射入射光，其中预设角度小于90°，待测样品单元102内的待测样品经入射光照射后产生反射光，该反射光为入射光的倍频光，然后利用检测单元103接收反射光，并对反射光的信号强度进行检测，得到待测样品表面的二阶非线性光学信息。本发明光学测试装置通过测试激光以预设角度射向待测样品后是否产生倍频激光，以及产生的倍频激光的强度大小来判断待测样品是否具有倍频效应以及倍频能力的强弱。本发明适用于测试对激光有较强吸收的待测样品，一方面，由于本发明激光以预设角度入射待测样品，入射激光仅在待测样品的表面产生反射，避免了待测样品对激光的吸收；另一方面，由于不同的待测样品对于不同入射角的入射光产生的反射光信号强度不同，本发明激光可以以预设角度小于90°范围内入射待测样品，测试不同入射角的反射光信号强度，得到不同入射角的待测样品的表面二阶非线性光学信息，测量结果更加可靠，测量效率高，方便快捷。

实施例2：

本实施例提供了一种二阶非线性光学测试装置。其中待测样品为福建福晶科技股份有限公司的磷锗锌晶体。

激光单元101选择纳秒激光器，输出高峰值功率的1064nm的脉冲入射光。

光隔离器，镀有1064nm波长的增透膜，防止方向光进入激光器，保护激光器。

第一分光棱镜，镀有1064nm波长的增透膜，用于分离1064nm的入射光和其他杂散光。

待测样品单元102，包括样品架和样品架上放置的磷锗锌晶体，样品架上设置有两个旋转的长臂，两个长臂的一端均与样品架活动连接。激光器、光隔离器、第一分光棱镜依次设置在样品架的一个长臂上，光电探测器、第二分光棱镜依次设置在样品架的另一个长臂上，且调节该长臂与反射光路重合，且在样品架上显示入射角的数值。

通过第一分光棱镜的入射光以小于90°范围内连续可调的入射角射向磷锗锌晶体。波长为1064nm的入射光射向磷锗锌晶体表面后，变为波长为532nm的反射光。

第二分光棱镜，镀有532nm和1064nm波长的增透膜，用于分离532nm的反射光、1064nm的入射光与其他杂散光。

光电探测器选择美国THORLABS提供的DET025A，测定波长范围为400-1100ns。光电探测器测定经过第二分光棱镜后的532nm光的强度，光电探测器将光信号转变为电信号，实时传输给数据采集器。

数据采集器，同步激光单元101的输出激光信号，采集光电探测器的信号，并将电信号数据转化为数字信号同步传送给服务器，服务器得出磷锗锌晶体表面的二阶非线性光学信息。

结果分析，信号的强弱变化表明待测样品表面的二阶非线性光学性能。

本发明提供的二阶非线性光学测试装置，通过激光单元101以预设角度向待测样品单元102发射入射光，其中预设角度小于90°，待测样品单元102内的待测样品经入射光照射后产生反射光，该反射光为入射光的倍频光，然后利用检测单元103接收反射光，并对反射光的信号强度进行检测，得到待测样品表面的二阶非线性光学信息。本发明光学测试装置通过测试激光以预设角度射向待测样品后是否产生倍频激光，以及产生的倍频激光的强度大小来判断待测样品是否具有倍频效应以及倍频能力的强弱。本发明适用于测试对激光有较强吸收的待测样品，一方面，由于本发明激光以预设角度入射待测样品，入射激光仅在待测样品的表面产生反射，避免了待测样品对激光的吸收；另一方面，由于不同的待测样品对于不同入射角的入射光产生的反射光信号强度不同，本发明激光可以以预设角度小于90°范围内入射待测样品，测试不同入射角的反射光信号强度，得到不同入射角的待测样品的表面二阶非线性光学信息，测量结果更加可靠，测量效率高，方便快捷。

实施例3：

本实施例提供了另一种二阶非线性光学测试装置。其中待测样品同样选用福建福晶科技股份有限公司的磷锗锌晶体。

激光单元101选择纳秒激光器，输出高峰值功率的2μm的脉冲入射光。

光隔离器，镀有2μm波长的增透膜，防止方向光进入激光器，保护激光器。

第一分光棱镜，镀有2μm波长的增透膜，用于分离2μm的入射光和其他杂散光。

待测样品单元102，包括样品架和样品架上放置的磷锗锌晶体，样品架上设置有两个旋转的长臂，两个长臂的一端均与样品架活动连接。激光器、光隔离器、第一分光棱镜依次设置在样品架的一个长臂上，光电探测器、第二分光棱镜依次设置在样品架的另一个长臂上，且调节该长臂与反射光路重合，且在样品架上显示入射角的数值。

通过第一分光棱镜的入射光以小于90°范围内连续可调的入射角射向磷锗锌晶体。波长为2μm的红外波段激光通过磷锗锌晶体后，变为波长为1μm的反射光。

第二分光棱镜，镀有1μm和2μm波长的增透膜，用于分离1μm的反射光、2μm的入射光与其他杂散光。

其他同实施例2。

结果分析，信号的强弱变化表明样品表面的二阶非线性光学性能。

本发明提供的二阶非线性光学测试装置，通过激光单元101以预设角度向待测样品单元102发射入射光，其中预设角度小于90°，待测样品单元102内的待测样品经入射光照射后产生反射光，该反射光为入射光的倍频光，然后利用检测单元103接收反射光，并对反射光的信号强度进行检测，得到待测样品表面的二阶非线性光学信息。本发明光学测试装置通过测试激光以预设角度射向待测样品后是否产生倍频激光，以及产生的倍频激光的强度大小来判断待测样品是否具有倍频效应以及倍频能力的强弱。本发明适用于测试对激光有较强吸收的待测样品，一方面，由于本发明激光以预设角度入射待测样品，入射激光仅在待测样品的表面产生反射，避免了待测样品对激光的吸收；另一方面，由于不同的待测样品对于不同入射角的入射光产生的反射光信号强度不同，本发明激光可以以预设角度小于90°范围内入射待测样品，测试不同入射角的反射光信号强度，得到不同入射角的待测样品的表面二阶非线性光学信息，测量结果更加可靠，测量效率高，方便快捷。

实施例4：

本发明另一实施例提供一种应用于上述任一种所述的二阶非线性光学测试装置的测试方法，如图2所示，本实施例方法包括：

步骤201、将入射光以预设角度射向待测样品，预设角度小于90°。

具体地，上述输出的入射光可以是脉冲纳秒、皮秒或者飞秒的激光，本发明实施例对此不做限定。且入射光可以是红外光波段、可见光波段或紫外光波段的激光。通过这种设置，使本发明方法可以测试不同波段待测样品的二阶非线性光学性能，扩大了本发明的适用范围。

其中，预设角度为入射光射向待测样品的入射角，本实施例中入射角可以在小于90°范围内调节，以测量不同入射角下待测样品的表面二阶非线性光学性能。

步骤202、经过待测样品反射，得到反射光，反射光为入射光的倍频光。

其中，入射光射向待测样品后产生反射光，反射光的反射角与入射角相同。

优选的，入射光以预设角度射向待测样品之前，本实施例方法还包括：

去除掉入射光以外的光波。

本发明通过对入射光进行分离，去除掉入射光以外的光波，使入射光射向待测样品，避免了因为其他光波的影响带来的测量误差，使测量结果更准确。

步骤203、对反射光的信号强度进行检测，得到待测样品表面的二阶非线性光学信息。

具体的，步骤203为：接收待测样品的反射光，获取反射光的信号强度；

将反射光的信号强度转化为电信号，再将该电信号转化为数字信号。然后与服务器通信，得到待测样品表面的二阶非线性光学信息。

进一步的，对待测样品的反射光的信号强度进行检测之前，本实施例方法还包括：

去除掉待测样品的反射光以外的光波。

本发明通过对待测样品的反射光进行分离，去除掉待测样品的反射光以外的光波，避免了因为其他光波的影响带来的测量误差，进一步提高了测量的准确性。

本发明提供的二阶非线性光学测试方法，首先将入射光以预设角度射向待测样品，经过待测样品反射，得到反射光，其中反射光为入射光的倍频光，最后对反射光的信号强度进行检测，得到待测样品表面的二阶非线性光学信息。本发明光学测试方法通过测试激光以预设角度射向待测样品后是否产生倍频激光，以及产生的倍频激光的强度大小来判断待测样品是否具有倍频效应以及倍频能力的强弱。本发明适用于测试对激光有较强吸收的待测样品，一方面，由于本发明激光以预设角度入射待测样品，入射激光仅在待测样品的表面产生反射，避免了待测样品对激光的吸收；另一方面，由于不同的待测样品对于不同入射角的入射光产生的反射光信号强度不同，本发明激光可以以预设角度小于90°范围内入射待测样品，测试不同入射角的反射光信号强度，得到不同入射角的待测样品的表面二阶非线性光学信息，测量结果更加可靠，测量效率高，方便快捷。

以上所述，仅是本发明的几个实施例，并非对本发明做任何形式的限制，虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种二阶非线性光学测试装置，其特征在于，所述光学测试装置包括：

激光单元，用于以预设角度向待测样品单元发射入射光，所述预设角度小于90°；

待测样品单元，包括样品架和放置在所述样品架上的待测样品，所述入射光经过所述待测样品后产生反射光，所述反射光为入射光的倍频光；

检测单元，用于接收所述反射光，并对所述反射光的信号强度进行检测，得到待测样品表面的二阶非线性光学信息。

2.根据权利要求1所述的二阶非线性光学测试装置，其特征在于，所述光学测试装置还包括：

光隔离器，设置在所述激光单元和所述待测样品之间的光路上，所述光隔离器镀有对入射光波长的增透膜。

3.根据权利要求2所述的二阶非线性光学测试装置，其特征在于，所述光学测试装置还包括：

第一分光棱镜，设置在所述光隔离器和所述待测样品之间的光路上，所述第一分光棱镜镀有所述入射光波长的增透膜。

4.根据权利要求1所述的二阶非线性光学测试装置，其特征在于，所述光学测试装置还包括：

第二分光棱镜，设置在所述待测样品和所述检测单元之间的光路上，所述第二分光棱镜镀有所述入射光波长和所述反射光波长的增透膜。

5.根据权利要求1所述的二阶非线性光学测试装置，其特征在于，所述检测单元包括光电探测器和数据采集器；

所述光电探测器接收所述反射光，确定所述反射光的信号强度，并将所述信号强度转化为电信号；

所述数据采集器接收所述电信号，并将所述电信号转化为数字信号。

6.根据权利要求1所述的二阶非线性光学测试装置，其特征在于，所述激光单元为纳秒、皮秒或者飞秒的激光器，所述激光器出射的激光的波段为红外光波段、可见光波段或者紫外光波段。

7.根据权利要求1所述的二阶非线性光学测试装置，其特征在于，所述样品架上设置有两个旋转的长臂，所述两个长臂的一端均与所述样品架活动连接，所述激光单元和所述检测单元分别设置在两个长臂的另一端，且设置所述检测单元的长臂与所述反射光的光路重合。

8.一种二阶非线性光学测试方法，其特征在于，所述方法包括：

将入射光以预设角度射向待测样品，所述预设角度小于90°；

经过所述待测样品反射，得到反射光，所述反射光为入射光的倍频光；

对所述反射光的信号强度进行检测，得到待测样品表面的二阶非线性光学信息。

9.根据权利要求8所述的二阶非线性光学测试方法，其特征在于，对待测样品的反射光的信号强度进行检测之前，所述方法还包括：

去除掉所述待测样品的反射光以外的光波。

10.根据权利要求8所述的二阶非线性光学测试方法，其特征在于，对所述反射光的信号强度进行检测的具体方法为：

接收所述待测样品的反射光，获取反射光的信号强度；

将反射光的信号强度转化为电信号，再将该电信号转化为数字信号。

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