CN113608394A - 一种基于截断高斯光束提高空间自相位调制成像效果和非线性光学系数表征准确性的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于截断高斯光束提高空间自相位调制成像效果和非线性光学系数表征准确性的装置，所述装置自左向右依次为激光器、可调光阑、聚焦透镜、非线性光学材料和光场检测系统。光与物质相互作用过程中热致非线性效应和Kerr非线性效应等都会产生自衍射现象。通常，多种效应叠加，会导致衍射环的串扰和模糊不清，这对衍射环的计数产生极大干扰，从而影响材料非线性光学系数的精确测量。本发明采用截断高斯光束作为激励光源，调节光路中光阑大小控制入射光束的光强分布，利用不同非线性光学效应的局域和非局域差异性，将不同形状的衍射环进行分离，明显提高了空间自衍射的成像质量，保证了非线性光学系数表征的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种非线性光学系数表征技术,属于光场调控领域和非线性光学技术领域。
背景技术
近年来，多种二维材料中空间自相位调制效应的发现，引起了广大研究者们的浓厚兴趣 [Y.Liao,C.Song,Y.Xiang,and X.Dai,“Recent advances in spatial self-phase modulation with 2D materials and its applications,”Ann.Phys.(Berlin),532(12),2000322(2020)]。空间自相位调制现象，一般由三阶非线性光学效应引起，如光Kerr效应和热致非线性效应等[S.Xiao,Y.Zhang, Y.Ma,Y.Wang,Y.He,J.Zhang,Y.Jiang,X.Li,R.Yang,J.He,and Y.Wang,“Observation of spatial self-phase modulationinduced via two competing mechanisms,”Opt.Lett.45(10), 2850-2853(2010)]。该效应是指光与物质相互左右过程中，引入的与光强具有相同空间分布的非线性相移导致出射场发生相干叠加，产生衍射条纹的现象[S.D.Durbin,S.M.Arakelian,and Y.R.Shen,“Laser-induced diffraction rings from a nematic-liquid-crystal film,”Opt.Lett.6(9), 411-413(1981)]。且这种衍射条纹的数量紧紧依赖于激发光场的光强分布、材料的非线性响应大小和热对流等因素。因此，空间自相位调制效应产生的衍射图案常被用于材料的非线性光学系数表征。
利用空间自相位调制效应表征材料的非线性折射率系数，通常可以通过计算衍射环数量随入射光强变化的函数关系得到。然而，在衍射环计数过程中，图案中心区域往往模糊不清或衍射环密不可分，这严重影响了衍射环的计数精度[J.Zhang,X.Yu,W.Han,B.Lv,X.Li,S. Xiao,Y.Gao,And J.He,“Broadband spatial self-phase modulation of blackphosphorous,”Opt. Lett.41(8),1704-1707(2016)]。研究发现，这种衍射图案中心模糊的情况，是由空间自衍射过程中，多种非线性光学效应共存，相互干扰造成的。目前，对于多种非线性光学效应共存的空间自衍射现象的研究相对较少，对于多种非线性效应分离的方法则更是鲜有报道。利用空间自相位调制现象表征材料的非线性光学系数，如何有效分离多种共存的非线性效应，提高自衍射条纹计数精度，对参数表征的精度和可靠性有重要的意义。
发明内容
技术问题：
为解决上述问题，本发明提出了一种基于截断高斯光束提高空间自相位调制成像效果和非线性光学系数表征准确性的装置。本发明结合光场调控技术和非线性学效应，通过调控入射光场的振幅分布，实现空间自相位调制过程中，不同非线性光学效应的分离。解决了多种非线性效应共存导致的衍射环计数困难的问题，提升了空间自相位调制效应表征材料光学非线性系数的准确性和可靠性。
技术方案：
为实现上述功能，本发明采用的技术方案如下：一种基于截断高斯光束提高空间自相位调制成像效果和非线性光学系数表征准确性的装置，所述装置自左向右依次为连续光激光器、可调光阑(光截断器)、聚焦透镜、非线性光学材料以及光成像记录系统,所采用的激光器出射光束空间光强分布应为基模高斯光束或近高斯光束，其输出波长和光强条件应当满足能够激发非线性材料的空间自相位调制效应。所用非线性光学材料为二维材料分散液，在所用光源照射下，有明显空间自衍射现象，且在聚焦条件下，存在多种非线性过程，由此产生的多种形状衍射条纹相互叠加。该方法装置简单，理论清晰，成像效果提升明显。
本发明选用的示例光源(下同)为1064nm的红外连续光激光器
本发明选用的光强调制系统为可调光阑，其中心与高斯光束中心重合，以保证光阑在缩放过程中，始终能保证透射光强的柱对称分布，这样，形成的衍射环才能够相对完整和对称。
本发明选用的聚焦透镜为焦距为150mm的正透镜。透镜的作用是聚焦，焦距太长聚焦效果不明显，难以激发衍射细环，太短则成像效果较差。
本发明选用的非线性光学材料为黑磷材料分散液，具有宽波段响应特点。
本发明选用的光束检测系统为激光光束质量分析仪，能够探测激光束的横向光强分布。
本发明提供的一种基于截断高斯光束提高空间自相位调制成像效果和非线性光学系数表征准确性的装置，能够用于分离不同效应引起的空间自衍射现象，进而表征材料的非线性折射率和热光系数等，其具体操作方法如下：
步骤1：根据光路图1搭建表征光路，调整光阑空间位置，保证光阑与光束同轴；
步骤2：调整入射光功率，使得从样品出射的光束有明显衍射环；
步骤3：打开光阑，观察探测器上衍射环形状，记录光强大小和衍射环中细环数量；
步骤4：改变光阑大小，在探测器上能明显观察到细环逐步消失，缩小光阑直至细环完全消失，记录粗环数量；
步骤5：等距增加或减小入射光功率，重复上述步骤3-4；
步骤6：绘制不同功率条件下，衍射环数(包括粗环和细环)随入射光功率的变化曲线，
根据粗环和细环数量随功率变化的曲线斜率计算材料的热光系数和非线性折射率。
已有的关于空间自相位调制效应表征材料非线性折射率的报道，往往会竖直设置光束传播方向，以此消除重力因素和热对流效应对衍射环造成的影响，如图3所示。然而，在衍射环计数时，多种非线性过程激发的不同衍射环在空间进行叠加，造成衍射环的模糊不清，难以精确计数。这将直接导致材料的非线性折射率表征不准确，甚至出现错误结果。尤其对于短波长激发光束，干扰更为明显。针对这些问题，我们分别研究了不同衍射环的形成机理。对于热致非线性效应和Kerr非线性共存的自衍射现象，我们采用水平入射的激光光束，鉴别并区分了热致非线性效应和Kerr非线性效应引起的不同衍射环。如上文所述，热致非线性效应引起的自衍射环受重力和热对流因素影响，光束沿水平方向激发时，产生的衍射环会发生塌缩；Kerr非线性效应激发的空间自衍射环不受重力因素影响，不会发生塌缩现象。根据成环后是否塌缩的现象，能够有效区分不同效应引起的衍射环。另外，热致非线性效应引起的衍射环形状较粗且稀疏，而Kerr非线性效应引起的衍射环形状较细且致密。由此，可轻易区分不同效应激发的衍射环。
激发空间自相位调制过程中，高斯光束激发的非线性相移同样呈高斯型分布，边缘和中心区域会有成对出现的同波矢点，如图2所示，这些点对应的光束从样品出射后相干叠加形成衍射环。在光路中设置光阑，截断入射高斯光束的边缘部分。对于Kerr非线性效应引入的非线性相移，边缘区域光强被遮挡以后，相应的非线性相移亦随之消失，则同波矢点不再成对存在，衍射环消失，如图4(a)所示；对于热致非线性引入的非线性相移，边缘区域光强被遮挡以后，由于热对流效应的存在，遮光区域仍会分布非线性相移，衍射环依旧存在，如图 4(b)所示。调节光阑大小，能够完全消除Kerr非线性效应引起的衍射环，仅剩下粗环，方便衍射环计数。在光路中设置光阑的操作，成功消除了衍射图样中的细环，分离了相干叠加的两种环，为衍射环计数提供了便捷。
有益效果：
相对于现有技术，本发明的优点如下：本发明提出的基于截断高斯光束激发空间自相位调制效应的装置能够鉴别不同非线性效应引起的空间自衍射环，并能够有效消除不同形状衍射环的相互干扰，提高衍射环计数精度，确保非线性系数表征的准确性。本方法原理简单，装置简便，衍射环分离效果明显，对比图5中s＝1.00和s＝0.70两张衍射图，能够发现，本方法能够明显提高衍射图案中心区域的区分度以及衍射环的计数精度。本文提出的方法主要用于解决空间自相位调制过程中，两种衍射环的相互串扰问题。当两种效应共存时，中央区域的衍射条纹会出现相互串扰而密不可分，衍射环进行计数时只能对边缘区域进行精确计数，中央区域无法精确计数，这将直接导致计数精度的下降以及非线性折射率测量的偏差。我们通过消除两种衍射环的相互串扰，明显提高了衍射图案中心区域的辨识度，提高了计数的精度和准确性。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于截断高斯光束提高空间自相位调制成像效果和非线性光学系数表征准确性的装置图；
图2为高斯型光束激发材料的非线性相移分布图；
图3为基模高斯光束沿竖直方向激发空间自相位调制效应产生的衍射图样；
图4为截断高斯光束激发材料的非线性相移分布图，其中(a)和(b)分别为Kerr非线性和热致非线性引入的非线性相移；
图5为截断高斯光束沿水平方向激发空间自相位调制效应，光阑大小不同时，检测到的空间衍射图样。其对应的光阑透过率s依次为s＝1.00，0.99，0.95，0.90，0.85，0.80，0.75 和0.70；
图6为两种形状衍射环在不同激发光功率下的环数变化。
其中：1-激光器，2-可调光阑，3-聚焦透镜，4-非线性光学材料，5-光束质量分析仪。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施方式，详细说明通过调节可调光阑透光率大小，分离不同非线性效应产生的衍射环，优化衍射环计数精度的过程。分别举例基模高斯光束和截断高斯光束激发空间自相位调制的结果，进行对比。
实施例1：参见图1，一种基于截断高斯光束提高空间自相位调制成像效果和非线性光学系数表征准确性的装置，所述装置自左向右依次为连续光激光器1、可调光阑2、聚焦透镜3、非线性光学材料4以及光场检测系统5，所述激光器1出射的激光束空间线型为基模高斯光束或近高斯光束，其输出光场的光强和波长等条件满足激发材料的空间自相位调制效应。
利用空间自相位调制效应测量光学材料的非线性光学参数被广泛用于新型二维材料的光学非线性表征。二维材料的强光学非线性和宽波段响应的特征，使得该表征方法简单、直观且普适。空间自相位调制的原理如图2所示。高斯型或类高斯型光束经过非线性样品时，会引入一个与光强同分布的非线性相移，如图2中虚线所示，图2中实线为非线性相移的空间梯度分布。在相移分布曲线上，具有相同空间梯度的点，如图2中P和Q点，其对应的波矢能够相干叠加，由于光束轴对称分布，使得这种相干叠加产生衍射环。衍射环的数量对应于最大轴上相移的大小。通过调节光功率，记录衍射环的数量变化，能够快速计算材料的非线性折射率系数等。然而，在高功率激光光束照射下，多种非线性效应，如光Kerr非线性效应、热致非线性效应等，会同时出现且相互影响。在这料的非线性表征过程中，衍射环的计数产生了极大的干扰，尤其在衍射图案中心，衍射环分布较为密集，衍射条纹较细，更加难以分离。以黑磷分散液材料为例，可见光和近红外波段照射，都会激发该材料的空间自相位调制效应[J.Zhang,X.Yu,W.Han,B.Lv,X.Li,S.Xiao,Y.Gao,And J.He,“Broadbandspatial self-phase modulation of black phosphorous,”Opt.Lett.41(8),1704-1707(2016)]。采用1064nm 连续光照射时，在光学成像系统上，能明显观察到两种形状的衍射圆环，根据形状可以将其区分为粗、细衍射环。实验发现，这两种衍射环的形成原因有所不同：粗环来自于热致非线性效应，细环来自于Kerr非线性。且粗衍射环受重力和热对流因素影响，当光束水平穿过样品时，粗衍射环会发生塌缩。而细环则不会。另外，根据这两种效应产生范围分别具有非局域和局域的特点，在光路中设置可调光阑，通过调节光阑的孔径大小，可以实现细环的完全消除，为粗环的计数提供了便捷。
将可调光阑完全打开，此时入射到样品内的光束为聚焦后的基模高斯光束，传播经过非线性样品时，激发材料的三阶非线性光学效应。光与物质相互作用引入空间分布的非线性相移，从样品出射的光会产生自衍射现象，自衍射图案被光束检测系统记录。以黑磷分散液为例，1064nm激光经聚焦透镜聚焦以后，产生两种形状的衍射环。两种衍射环空间交叠，难以精确计数，尤其在中心区域，难以分辨。如图3所示。
实施例2：在实施例1的基础上，调节可调光阑的透光孔径大小，即光阑透过率，使得衍射图案中细环完全消除，如图5所示。具体操作如下：
步骤1：调节光阑与光束同轴；
步骤2；打开光阑，调节样品位置，使得光束分析仪上能观察到清晰的衍射图案；
步骤3：对衍射图案中的细环进行计数；
步骤4：缩小可调光阑大小，直至在光束分析仪上观察到细环完全消失；
步骤5：对衍射图案中的粗环进行计数。
应用实施例1：
根据实施例2的操作步骤，可以分别得到所激发的衍射环中粗环和细环的数量。记录此时的衍射图样对应的激发光功率，改变光功率的大小，重复实施例2中的步骤2-5，得到不同光功率条件下，粗环和细环数量随光功率变化的曲线，如图6所示。
根据图6中的计数结果，可以快速计算材料的非线性折射率系数和热光系数分别为：非线性折射率n2＝2.36×10-5cm2/W，热光系数dn/dT＝2.65×10-5K-1。
需要说明的是，上述仅仅是本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述实施例的基础上所做出的任意组合或等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于截断高斯光束提高空间自相位调制成像效果和非线性光学系数表征准确性的装置，其特征在于，所述装置自左向右依次为激光器、可调光阑、聚焦透镜、非线性光学材料以及光场检测系统。
2.根据权利要求1所述的基于截断高斯光束提高空间自相位调制成像效果和非线性光学系数表征准确性的装置，其特征在于，所述激光器输出光束光强横向分布为高斯型或近高斯型入射场，能够激发材料的空间自相位调制效应。
3.根据权利要求2所述的基于截断高斯光束提高空间自相位调制成像效果和非线性光学系数表征准确性的装置，其特征在于，所述可调光阑与入射光束同轴，通光孔径可调。
4.根据权利要求3所述的基于截断高斯光束提高空间自相位调制成像效果和非线性光学系数表征准确性的装置，其特征在于，所述聚焦透镜为弱聚焦正透镜。
5.根据权利要求4所述的基于截断高斯光束提高空间自相位调制成像效果和非线性光学系数表征准确性的装置，其特征在于，所述聚焦透镜为焦距150mm的正透镜。
6.根据权利要求5所述的基于截断高斯光束提高空间自相位调制成像效果和非线性光学系数表征准确性的装置，其特征在于，所述非线性光学材料能够同时激发两种非线性光学效应，即热致非线性效应和Kerr非线性效应，对应地，能够产生粗、细两种形状的空间自衍射条纹。
7.根据权利要求6所述的基于截断高斯光束提高空间自相位调制成像效果和非线性光学系数表征准确性的装置，其特征在于，所述光束检测系统为激光光束质量分析仪，能够探测激光束的横向光强分布。
8.一种基于截断高斯光束提高空间自相位调制成像效果和非线性光学系数表征准确性的方法，其特征在于，所述实施方法如下：
步骤1：设置可调光阑与激光器出射光束同轴同心，光束沿水平方向传播；
步骤2：在光路中设置聚焦透镜，要求透镜同样与光束同轴；
步骤3：将聚焦光束正入射到非线性光学样品上，样品放置于透镜焦点偏前位置处；
步骤4：利用光束分析仪检测激发的空间自衍射图样形状；
步骤5：打开光阑，对衍射细环进行计数；
步骤6：根据光束分析仪上检测到的横向光强分布，缩小光阑透光孔径大小，直至细环完全消除，对粗衍射环进行计数；
步骤7：调节光强，重复上述步骤5-6，根据不同功率下，粗环和细环的数量变化，分别计算非线性材料的热光系数和非线性折射率。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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