CN112903596B - 一种测量非线性光学系数的z扫描测量装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测量非线性光学系数的z扫描测量装置及测量方法，所述的z扫描测量装置沿激光光束方向包括依次设置的激光光源、激光传输模块、样品台模块和光探测模块；所述的激光传输模块包括沿激光光束方向依次设置的斩波器、第一凸透镜、微孔、第二凸透镜、1/2波片、线性偏振片和第三凸透镜；所述的样品台模块用于固定待测样品并驱动待测样品沿激光光束方向移动；所述的光探测模块包括沿激光光束方向依次设置的余弦矫正器、光电探测器和锁相放大器。用于测量高散射介质的非线性光学吸收系数，可完全克服传统z扫描中开孔模式下光散射和衍射对测量结果的不利影响。

Description

一种测量非线性光学系数的z扫描测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于光学性能测量技术领域，涉及一种z扫描测量装置及测量方法，尤其涉及一种测量非线性光学系数的z扫描测量装置及测量方法。
背景技术
由于非线性光学材料在诸如双光子吸收、饱和吸收体、光限幅开关、光信息处理及激光防护等领域具备巨大的应用前景，因此非线性光学材料备受关注。针对材料的非线性光学特性的准确测量是各项应用的基础。激光Z扫描方法以其操作方便、灵敏度高等特点成为目前非线性光学材料的非线性光学特性的主要表征方法。
CN102692382A公开了一种高灵敏度频域滤波挡板z扫描测量材料非线性的方法，属于非线性光子学材料和非线性光学信息处理领域。本发明的方法中，一透镜的焦点通过另一透镜成像，并于该像点处设置滤波小孔；圆形光阑通过上述两个透镜组成的透镜组成像，在该像平面放置同轴圆形挡板。在脉冲激光作用同时，样品在透镜的焦点附近左右运动，通过测量开孔和挡板、滤波小孔的非线性透过率，确定材料的非线性吸收和非线性折射系数。
CN109406453A公开了一种改进的Z扫描测量方法，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。
CN105092477A公开了一种非线性厚光子学材料的光学非线性测量装置，包括入射光路、测量光路、监测光路、衰减器、CCD探测器和计算机，所述入射光路包括依次设置的可调能量激光器、二分之一波片、偏振片、透镜I、透镜II、小孔I和分束器；所述测量光路包括依次设置的透镜III、电动平移台和小孔II，所述电动平移台上放置有可沿Z方向移动的待测样品或参考标准样品；所述监测光路包括反射镜，所述监测光经反射镜反射后射出监测光路；经测量光路射出的测量光和经监测光路射出的监测光均通过衰减器入射至同一CCD探测器并在CCD探测器上得到一系列测量光斑和监测光斑；所述CCD探测器与计算机电连接，所述CCD探测器上得到的测量光斑和监测光斑传输至计算机。
现有的激光z扫描技术使样品沿一束聚焦的高斯光束方向上移动，通过一枚固定位置的光探测器记录样品在不同位置下的透过率改变，这样的方法对样品的透明度和平整度提出了较高的要求。近年来，得益于微纳加工技术、材料合成技术的长足发展，一系列诸如介质光子晶体、金属微纳阵列结构、纳米级超细粉末等高散射介质也展现出了优异的非线性光学性质。然而，激光穿过高散射介质后产生散射，离轴成分增加，基于现有z扫描技术的非线性光学性能的测量结果极易失真。此外，许多高散射介质还具备非常低的非线性光学响应，需要更高信噪比的z扫描测量手段。
因而，需要针对现有的激光z扫描测量装置及方法进行改进，以精确地对高散射介质的非线性光学特性展开测量。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种测量非线性光学系数的z扫描测量装置及测量方法，用于测量高散射介质的非线性光学吸收系数，可完全克服传统z扫描中开孔模式下光散射和衍射对测量结果的不利影响。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种测量非线性光学系数的z扫描测量装置，所述的z扫描测量装置沿激光光束方向包括依次设置的激光光源、激光传输模块、样品台模块和光探测模块。
所述的激光传输模块包括沿激光光束方向依次设置的斩波器、第一凸透镜、微孔、第二凸透镜、1/2波片、线性偏振片和第三凸透镜。
所述的样品台模块用于固定待测样品并驱动待测样品沿激光光束方向移动。
所述的光探测模块包括沿激光光束方向依次设置的余弦矫正器、光电探测器和锁相放大器。
由于激光z扫描的信号采集需要克服高散射介质对轴上光线强散射和衍射的特性，为了解决这一技术难题，本发明提供了一种z扫描测量装置，主要用于测量高散射介质的非线性光学吸收系数，可完全克服传统z扫描中开孔模式下光散射和衍射对测量结果的不利影响。需要说明的是，本发明提供的z扫描测量装置尤其适用于高散射介质，所谓的“高散射介质”是指透射/反射光在折射反射定律规定的方向外有额外的散射强度分布的介质，包括但不限于介质光子晶体、金属微纳阵列结构和纳米级超细粉末等。但需要理解的是，本发明提供的z扫描测量装置的应用场景不限于高散射介质。
本发明提供的z扫描测量装置中各部件均发挥了各自的功能，同时各个部件相互配合进一步提升了测量结果的准确性，具体而言：
(1)在激光传输模块中，斩波器用于调制激光频率。第一凸透镜用于汇聚激光光束于微米级的微孔处，微孔用于滤除激光光束的高空间频率部分，第二凸透镜用于准直激光，第一凸透镜、微孔和第二凸透镜构成的光学模组实现了光束整形的功能，测量准确度得以提升，因此本发明可选用任意的激光光源输入展开非线性光学系数测量。1/2波片用于旋转激光偏振角度，线性偏振片和1/2波片用于连续稳定调谐激光功率，相比传统的中性密度镜，可大范围连续且平稳地控制激光激发功率。第三凸透镜用于聚焦激光用于后续z扫描测量。
(2)在光探测模块中，余弦矫正器用于收集待测样品后方180度立体角内的散射光和衍射光，使用余弦矫正器采集信号，可完全克服传统z扫描中开孔模式下高散射介质中光散射、衍射对结果的不利影响；光电探测器用于采集余弦矫正器所收集的全部光线；锁相放大器用于放大硅基光电探测器的电信号。使用斩波器配合锁相放大器，可极大提升测量信噪比，获得弱光条件下的非线性光学系数测量。
需要说明的是，本发明所涉及的各类部件均为现有技术所公开，包括斩波器、1/2波片、线性偏振片、余弦矫正器、光电探测器和锁相放大器均为本领域常用设备，其结构为本领域技术人员所公知，本发明的主要发明点不在于各部件的具体结构，而在于各部件之间的相互配合，也即本发明所要保护的是整个装置的结构，而非其中某一个部件的结构。因此，现有技术中公开的斩波器、1/2波片、线性偏振片、余弦矫正器、光电探测器和锁相放大器等只要满足测量要求均可用于本发明中。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的激光光源为飞秒再生放大器。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的激光传输模块还包括位于线性偏振片和第三凸透镜之间的光阑。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的样品台模块包括电动平台和移动设置于所述电动平台上的样品支架，所述的待测样品固定于样品支架上，所述的样品支架带动待测样品沿电动平台移动。
优选地，所述的样品台模块的中心处与第三凸透镜的距离为第三凸透镜的焦距。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的激光传输模块和样品台模块均固定在光学平台或光学面包板上。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的光探测模块固定于样品支架上，随待测样品一同在电动平台上移动。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的z扫描测量装置还包括控制采集模块，所述的控制采集模块电性连接所述的样品支架，所述的控制采集模块用于控制样品支架的移动步长。
优选地，所述的控制采集模块与锁相放大器电性连接，所述的控制采集模块用于接收锁相放大器传输的探测信号。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的斩波器和光电探测器分别通过不同的同轴信号传输线接入所述的锁相放大器。
第二方面，本发明提供了一种测量非线性光学系数的z扫描测量方法，采用第一方面所述的z扫描测量装置测量非线性光学系数，所述的z扫描测量方法包括：
设定斩波器的频率并旋转1/2波片调节激光功率，设定样品台模块的移动步长和扫描重复次数，测量得到待测样品的透过率，并进行归一化处理；根据激光光束的瑞利长度、第三凸透镜焦点处的中心光强、待测样品厚度、待测样品的位置坐标和归一化后的透过率，计算得到待测样品的非线性光学吸收系数。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的z扫描测量方法具体包括如下步骤：
(Ⅰ)测量第三凸透镜焦点处的束腰半径，并根据束腰半径计算激光光束的瑞利长度；设定斩波器的频率并旋转1/2波片调节激光功率，在第三凸透镜焦点处测量激光光束的中心光强；
(Ⅱ)通过控制采集模块设定样品支架的移动步长和扫描的重复次数，运行测试程序，测量得到待测样品的透过率，并进行归一化处理；
(Ⅲ)根据瑞利长度、中心光强、待测样品厚度、待测样品的位置坐标和归一化后的透过率，计算得到待测样品的非线性光学吸收系数；
优选地，步骤(Ⅰ)中，所述的瑞利长度的计算公式见式(1)：
其中，Z0为瑞利长度，ω0为束腰半径，λ为激光波长；
优选地，步骤(Ⅲ)中，所述的非线性光学吸收系数的计算公式见式(2)：
其中，T(x)为归一化后的透过率，β0为非线性光学吸收系数，I0为中心光强，Leff为待测样品的厚度，x为待测样品的位置坐标，Z0为瑞利长度。
所述系统是指设备系统、装置系统或生产装置。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)由于激光z扫描的信号采集需要克服高散射介质对轴上光线强散射和衍射的特性，为了解决这一技术难题，本发明提供了一种z扫描测量装置，主要用于测量高散射介质的非线性光学吸收系数，可完全克服传统z扫描中开孔模式下光散射和衍射对测量结果的不利影响。本发明提供的z扫描测量装置中各部件均发挥了各自的功能，同时各个部件相互配合进一步提升了测量结果的准确性。
(2)在激光传输模块中，斩波器用于调制激光频率。第一凸透镜用于汇聚激光光束于微米级的微孔处，微孔用于滤除激光光束的高空间频率部分，第二凸透镜用于准直激光，第一凸透镜、微孔和第二凸透镜构成的光学模组实现了光束整形的功能，测量准确度得以提升，因此本发明可选用任意的激光光源输入展开非线性光学系数测量。1/2波片用于旋转激光偏振角度，线性偏振片和1/2波片用于连续稳定调谐激光功率，相比传统的中性密度镜，可大范围连续且平稳地控制激光激发功率。第三凸透镜用于聚焦激光用于后续z扫描测量。
(3)在光探测模块中，余弦矫正器用于收集待测样品后方180度立体角内的散射光和衍射光，使用余弦矫正器采集信号，可完全克服传统z扫描中开孔模式下光散射、衍射对结果的不利影响；光电探测器用于采集余弦矫正器所收集的全部光线；锁相放大器用于放大硅基光电探测器的电信号。使用斩波器配合锁相放大器，可极大提升测量信噪比，获得弱光条件下的非线性光学系数测量。
附图说明
图1为本发明一个具体实施方式提供的Z扫描测量装置的结构示意图；
图2为本发明应用例提供的Z扫描后的归一化透过率图。
其中，1-斩波器；2-第一凸透镜；3-微孔；4-第二凸透镜；5-1/2波片；6-线性偏振片；7-第三凸透镜；8-电动平台；9-样品支架；10-余弦矫正器；11-光电探测器；12-锁相放大器；13-计算机。
具体实施方式
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种测量非线性光学系数的z扫描测量装置，如图1所示，所述的z扫描测量装置包括沿激光光束方向包括依次设置的激光光源、激光传输模块、样品台模块和光探测模块。
激光光源为飞秒再生放大器。
激光传输模块包括沿激光光束方向依次设置的斩波器1、第一凸透镜2、微孔3、第二凸透镜4、1/2波片5、线性偏振片6、光阑和第三凸透镜7(光阑图中未示出)。在激光传输模块中，斩波器1用于调制激光频率。第一凸透镜2用于汇聚激光光束于微米级的微孔3处，微孔3用于滤除激光光束的高空间频率部分，第二凸透镜4用于准直激光，第一凸透镜2、微孔3和第二凸透镜4构成的光学模组实现了光束整形的功能，测量准确度得以提升。1/2波片5用于旋转激光偏振角度，线性偏振片6和1/2波片5用于连续稳定调谐激光功率，相比传统的中性密度镜，可大范围连续且平稳地控制激光激发功率。第三凸透镜7用于聚焦激光用于后续z扫描测量。
样品台模块用于固定待测样品并驱动待测样品沿激光光束方向移动。具体地，样品台模块包括电动平台8和移动设置于所述电动平台8上的样品支架9，待测样品固定于样品支架9上，样品支架9带动待测样品沿电动平台8移动。样品台模块的中心处与第三凸透镜7的距离为第三凸透镜7的焦距。
激光传输模块和样品台模块均固定在光学平台或光学面包板上。
光探测模块包括沿激光光束方向依次设置的余弦矫正器10、光电探测器11和锁相放大器12。光探测模块固定于样品支架9上，随待测样品一同在电动平台8上移动。斩波器1和光电探测器11分别通过不同的同轴信号传输线接入锁相放大器12。余弦矫正器10用于收集待测样品后方180度立体角内的散射光和衍射光，使用余弦矫正器10采集信号，可完全克服传统z扫描中开孔模式下光散射、衍射对结果的不利影响；光电探测器11用于采集余弦矫正器10所收集的全部光线；锁相放大器12用于放大硅基光电探测器11的电信号。使用斩波器1配合锁相放大器12，可极大提升测量信噪比，获得弱光条件下的非线性光学系数测量。
z扫描测量装置还包括控制采集模块，所述的控制采集模块电性连接所述的样品支架9，控制采集模块用于控制样品支架9的移动步长。控制采集模块与锁相放大器12电性连接，控制采集模块用于接收锁相放大器12传输的探测信号。具体地，控制采集模块为计算机13。
在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种测量非线性光学系数的z扫描测量方法，采用一个具体实施方式提供的z扫描测量装置测量非线性光学系数，所述的z扫描测量方法具体包括如下步骤：
(Ⅰ)测量第三凸透镜7焦点处的束腰半径，并根据束腰半径计算激光光束的瑞利长度；设定斩波器1的频率并旋转1/2波片5调节激光功率，在第三凸透镜7焦点处测量激光光束的中心光强；
(Ⅱ)通过控制采集模块设定样品支架9的移动步长和扫描的重复次数，运行测试程序，测量得到待测样品的透过率，并进行归一化处理；
(Ⅲ)根据瑞利长度、中心光强、待测样品厚度、待测样品的位置坐标和归一化后的透过率，计算得到待测样品的非线性光学吸收系数；
优选地，步骤(Ⅰ)中，所述的瑞利长度的计算公式见式(1)：
其中，Z0为瑞利长度，ω0为束腰半径，λ为激光波长；
优选地，步骤(Ⅲ)中，所述的非线性光学吸收系数的计算公式见式(2)：
其中，T(x)为归一化后的透过率，β0为非线性光学吸收系数，I0为中心光强，Leff为待测样品的厚度，x为待测样品的位置坐标，Z0为瑞利长度。
应用例
本应用例提供了一种z扫描测量装置在一个具体测量过程中的应用，以测量金纳米阵列为例，具体的测量过程包括如下步骤：
(1)选择1kHz，800nm，80fs的飞秒再生放大器作为激光光源输入装置的激光传输模块；
(2)选择焦距为300mm的第三凸透镜7，在焦点处测得激光光束的束腰半径为54m，通过式(1)计算瑞利长度Z0为11mm，其中λ为激光波长，为800nm。
(3)设置斩波器1频率为87Hz，通过旋转1/2波片5调节激光功率，第三凸透镜7的焦点处测得光强I0为1.4×107W/cm2；
(4)将厚度Leff为120nm的金纳米阵列放置于样品支架9上，在计算机13内设置设定样品支架9的移动步长和扫描的重复次数，运行计算机13内的控制程序展开测量；
(5)测量得到一系列的透过率，由计算机13程序进行归一化处理，得到不同位置坐标处的归一化后的透过率T(x)(如图2所示)；
(6)将瑞利长度Z0、中心光强I0、待测样品厚度Leff、待测样品的位置坐标x和归一化后的透过率T(x)，代入式(2)中，计算得到金纳米阵列的非线性光学吸收系数β0为15.1cm/W；
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (9)

1.一种测量非线性光学系数的z扫描测量方法，其特征在于，所述的z扫描测量方法具体包括如下步骤：
(Ⅰ)测量第三凸透镜焦点处的束腰半径，并根据束腰半径计算激光光束的瑞利长度；设定斩波器的频率并旋转1/2波片调节激光功率，在第三凸透镜焦点处测量激光光束的中心光强；
所述的瑞利长度的计算公式见式(1)：
其中，Z0为瑞利长度，ω0为束腰半径，λ为激光波长；
(Ⅱ)通过控制采集模块设定样品支架的移动步长和扫描的重复次数，运行测试程序，测量得到待测样品的透过率，并进行归一化处理；
(Ⅲ)根据瑞利长度、中心光强、待测样品厚度、待测样品的位置坐标和归一化后的透过率，计算得到待测样品的非线性光学吸收系数；
所述的非线性光学吸收系数的计算公式见式(2)：
其中，T(x)为归一化后的透过率，β0为非线性光学吸收系数，I0为中心光强，Leff为待测样品的厚度，x为待测样品的位置坐标，Z0为瑞利长度；
所述测量非线性光学系数的z扫描测量方法采用如下的测量非线性光学系数的z扫描测量装置进行；
所述的z扫描测量装置沿激光光束方向包括依次设置的激光光源、激光传输模块、样品台模块和光探测模块；
所述的激光传输模块包括沿激光光束方向依次设置的斩波器、第一凸透镜、微孔、第二凸透镜、1/2波片、线性偏振片和第三凸透镜；所述的激光传输模块还包括位于线性偏振片和第三凸透镜之间的光阑；
所述的样品台模块用于固定待测样品并驱动待测样品沿激光光束方向移动；所述的样品台模块的中心处与第三凸透镜的距离为第三凸透镜的焦距；
所述的光探测模块包括沿激光光束方向依次设置的余弦矫正器、光电探测器和锁相放大器。
2.根据权利要求1所述的z扫描测量方法，其特征在于，所述的激光光源为飞秒再生放大器。
3.根据权利要求1所述的z扫描测量方法，其特征在于，所述的样品台模块包括电动平台和移动设置于所述电动平台上的样品支架，所述的待测样品固定于样品支架上，所述的样品支架带动待测样品沿电动平台移动。
4.根据权利要求1所述的z扫描测量方法，其特征在于，所述的激光传输模块和样品台模块均固定在光学平台或光学面包板上。
5.根据权利要求1所述的z扫描测量方法，其特征在于，所述的光探测模块固定于样品支架上，随待测样品一同在电动平台上移动。
6.根据权利要求1所述的z扫描测量方法，其特征在于，所述的z扫描测量装置还包括控制采集模块，所述的控制采集模块电性连接所述的样品支架，所述的控制采集模块用于控制样品支架的移动步长。
7.根据权利要求1所述的z扫描测量方法，其特征在于，所述的控制采集模块与锁相放大器电性连接，所述的控制采集模块用于接收锁相放大器传输的探测信号。
8.根据权利要求1所述的z扫描测量方法，其特征在于，所述的控制采集模块为计算机。
9.根据权利要求1所述的z扫描测量方法，其特征在于，所述的斩波器和光电探测器分别通过不同的同轴信号传输线接入所述的锁相放大器。
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