CN114112928A - 一种带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统 - Google Patents

一种带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于非线性光学技术领域，具体为一种带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统。本发明系统包括主光路、低温样品腔、电机驱动机构和磁体；低温样品腔内设置有样品和反射式抛物面镜，主光路产生一束离轴入射光，光通过分光片进入低温样品腔，反射式抛物面镜将光以斜入射的形式聚焦到样品表面，出射的信号光被反射式抛物面镜收集变为平行光导出低温样品腔外，进入信号探测器；电机驱动机构驱动主光路中起偏器机构、相位掩膜版机构和检偏器机构等部件以入射光光轴为轴心进行旋转；低温样品腔放置于磁体内，样品的磁场环境受磁体控制。本发明实现了入射光的斜入射激发和信号光的斜出射探测，能够有效地实现非线性系数张量的全参量表征。

Description

一种带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统
技术领域
本发明属于非线性光学技术领域，具体涉及一种带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统。
背景技术
非线性光学谐波效应是一种通过全光学技术测定材料晶格结构、磁性、电子态等信息的有效手段，已经被广泛应用于物理学、化学、材料学等重要的前沿科学领域。近年来，随着前沿科学研究的目标样品越趋于小尺度，以及对材料性质的调控越趋于多样化，常规无显微分辨的非线性光学谐波效应表征研究面临着技术挑战，如何实现拥有显微功能和多维调控手段的非线性光学谐波表征成为了领域内共同的发展方向。目前，显微下的非线性光学谐波表征往往通过高数值孔径的物镜实现，显微成像的分辨率通常能够达到光学衍射极限。在实际的测量表征过程中，使用物镜会引来多个实际操作上的问题：
首先，物镜的尺寸较大，实验中往往采用正入射的光路结构，即入射光正入射到样品表面，一个物镜同时实现入射光的聚焦和信号光的收集。这类结构无法实现所有非线性光学参量的同时表征，下面简单解释其中的原因。
光场与材料的作用可以用以下形式表示：
P＝ε0χ(1)E+ε0χ(2)E2+ε0χ(3)E3+...
其中，P表示材料的极化，E为入射光的电场，ε0为材料的介电常数，χ(1)为材料的一阶线性系数张量，χ(2)为材料的二阶非线性系数张量，χ(3)以此类推。以二阶非线性过程为例，考虑极化P的二阶分量P(2)：
Figure BDA0003375019060000011
ω1和ω2表示两个入射光的光子频率，ω3为出射光的频率，χijk(ω3；ω1，ω2)为一个包含27个张量元的二阶张量，其下标i对应出射光的极化P，j和k对应两个入射光的电场E。实验中，与待测材料相关的是材料的非线性系数张量，即χijk(ω3；ω1，ω2)，它包含27个张量元的完整表达形式为：
Figure BDA0003375019060000021
当二阶非线性光学效应的测量为正入射时，入射光正入射到样品表面，其z方向的电场被抵消为零；同时物镜收集到的信号光为正出射光，其z方向的电场也为零，因此二阶非线性系数张量中包含z方向的张量元将无法被探测到，实验测量只能获得27个张量元中的8个，即：
Figure BDA0003375019060000022
同理，三阶非线性系数张量中的81个张量元，在正入射的光路结构中只能探测到16个，更高阶的非线性过程以此类推。因此，基于物镜正入射的非线性光学测量，在对材料的非线性表征上有极大的局限性。想要在非线性光学效应的测量中获得全参量的表征，则需要采用斜入射的光路结构，这对于体积较为庞大的物镜而言有很大的难度，即使在实验装置中使用两个物镜实现了光路斜入射和信号光收集，在测量时也很难对待测样品实现显微的光学各向异性表征，因为无论是旋转样品还是旋转物镜组，在实际操作上都很难将旋转轴固定在样品的同一位置。
其次，使用物镜的非线性光学实验中，物镜由于色差的存在，其激发和探测的效率通常无法达到最佳状态。由于物镜是由一系列透镜组成的，而透镜对不同波长的光具有不同的折射率(即色散效应)，因此透镜无法将各种波长的光都聚焦在同一个焦面。在非线性光学谐波效应的测量中，入射光的波长和信号光的波长差别极大，实验中往往需要牺牲光的聚焦效率或收集效率才能使用单个物镜进行探测。
不仅如此，物镜很难与低温、强磁场等极端环境相兼容，然而这些极端环境往往能够调控待测样品的本征物性，从而体现在非线性光学谐波效应中。由于物镜中透镜材质的折射率会随着温度的变化而发生改变，因此，室温下能够正常工作的物镜无法在低温下使用。而且，常规物镜的外壳和透镜组的支架不会使用完全无磁的材料，这使物镜在强磁场作用下将会发生移动。同时，物镜中透镜的材质在磁场下会产生法拉第效应，线偏振光在穿过处于磁场中的物镜时，线偏振的角度会发生偏转，甚至由于物镜中各个透镜沿其径向的厚度不同，光在穿过物镜后的偏振度无法保证。不仅如此，物镜的法拉第效应在不同波长和不同磁场下造成的偏转角度都不同，这使得实验测量得到的数据处理极为困难。
综上所述，如何实现非线性光学全参量的探测表征，同时还能兼容低温和磁场的环境，成了目前领域内急需突破的技术难题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供能够在低温强磁场下工作的非线性光学全参量表征系统。
本发明提供的能够在低温强磁场下工作的非线性光学全参量表征系统，是带有低温强磁场调控的，该系统采用相位掩膜版和透镜组形成可绕入射光光轴旋转的离轴入射光，并使用反射式抛物面镜将离轴入射光斜入射聚焦到样品表面，同时收集斜出射的信号光，并且该结构实现了光路的斜入射聚焦，从原理上满足了非线性系数张量的全参量表征，其中，电机驱动机构能够带动同步带轮驱动光学系统中的元件进行旋转，通过选择和设置合适的起偏器与检偏器，能够实现对样品空间各向异性的非线性光学参量表征，将样品放置于低温腔体内，且低温腔体和反射式抛物面镜采用无磁材料制成，能够与低温、强磁场兼容。
本发明提供的带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统，包括主光路、低温样品腔、电机驱动机构和磁体；其中：
所述主光路，包括起偏器机构、第一透镜组透镜、相位掩膜版机构、第二透镜组透镜、分光片、检偏器机构、滤色片和信号探测器；
所述低温样品腔，其内设置有样品和反射式抛物面镜，入射光依次通过所述起偏器机构、所述第一透镜组透镜、所述相位掩膜版机构、第二透镜组透镜后形成离轴入射光，而后所述离轴入射光通过所述分光片进入所述低温样品腔并通过所述反射式抛物面镜将光以斜入射形式聚焦到所述样品表面，出射的信号光再被所述反射式抛物面镜收集，变为平行光导出至所述低温样品腔外，所述平行光通过所述检偏器机构、所述分光片和所述滤色片后进入所述信号探测器，其中所述离轴入射光和所述信号光的光轴所构成的平面为光路结构的入射面；
所述电机驱动机构，用于驱动所述起偏器机构、所述相位掩膜版机构和所述检偏器机构以入射光光轴为轴心进行旋转，以使光路结构中的入射面能够以入射光光轴为轴心进行旋转。
同时本领域技术人员根据需要可以对主光路光学元件进行增、减，对各元件的相对位置、顺序进行的调整，使其依然满足要求，则应属于本发明的保护范围。
进一步地，
所述电机驱动机构，包括电机、联轴器、驱动同步带轮、传动轴和同步带；
所述起偏器机构，包括起偏器和起偏器同步带轮，所述起偏器固定于所述起偏器同步带轮的轴心，所述起偏器同步带轮可带动所述起偏器旋转；
所述相位掩膜版机构，包括相位掩膜版和相位掩膜版同步带轮，所述相位掩膜版固定在所述相位掩膜版同步带轮上，所述相位掩膜版同步带轮中轴垂直通过所述相位掩膜版中心，所述相位掩膜版同步带轮可带动所述相位掩膜版旋转；
所述检偏器机构，包括检偏器和检偏器同步带轮，所述检偏器固定在所述检偏器同步带轮上，所述检偏器与所述信号光同轴，所述起偏器同步带轮、所述相位掩膜版同步带轮和所述检偏器同步带轮的轴心均与所述入射光的光轴同心；
所述电机通过所述联轴器驱动所述传动轴进行旋转，所述传动轴上安装有三个所述驱动同步带轮，三个所述驱动同步带轮分别通过所述同步带与所述起偏器同步带轮、所述相位掩膜版同步带轮和所述检偏器同步带轮连接，且三个所述驱动同步带轮与所述起偏器同步带轮、所述相位掩膜版同步带轮和所述检偏器同步带轮构成相同的传动比。
进一步的，所述电机为步进电机、伺服马达、压电马达、减速电机或无刷电机。
进一步的，所述第一透镜组透镜和所述第二透镜组透镜与所述入射光的光轴同心，所述第一透镜组透镜和所述第二透镜组透镜的焦点相互重合并通过所述相位掩膜版机构的中心，所述离轴入射光的光轴与所述入射光的光轴平行。
再进一步的，所述信号探测器为光电探测器、雪崩光电探测器、单光子计数器、光电倍增管、电子倍增图像传感器或光谱仪。
进一步的，所述反射式抛物面镜的焦点与所述样品面重合，所述反射式抛物面镜的中轴与所述入射光的光轴同心。
进一步的，所述低温样品腔采用液氦、液氮冷媒相变制冷，或采用无液氦制冷机。
进一步的，所述样品为镂空结构或透明材质，以使所述离轴入射光和所述信号光能够穿过所述样品。
进一步的，所述低温样品腔放置于所述磁体内，所述样品环境受到所述磁体的磁场调控，且所述低温样品腔和所述反射式抛物面镜采用无磁材料。
进一步的，所述磁体为磁铁、电磁铁磁体或超导磁体。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
(1)本发明的带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统通过使用相位掩膜版和透镜组形成可绕入射光光轴旋转的离轴入射光，结合反射式抛物面镜，实现了离轴入射光的斜入射聚焦和信号光的斜出射探测，能够简单有效地实现非线性系数张量的全参量表征；
(2)本发明的带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统中使用电机带动同步带轮驱动光学系统中的元件进行旋转，避免了传统斜入射测量中旋转样品或物镜组导致聚焦光斑移动的问题；
(3)本发明的带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统通过使用反射式抛物面镜能够在显微测量的同时，有效避免测量中的色差效应，使入射光的聚焦和信号光的收集效率能同时达到最佳；
(4)本发明的带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统中样品和反射式抛物面镜同时处于低温环境，反射式抛物面镜能够在室温至低温的大温度范围内稳定工作，实现对样品的温度调控测量；
(5)本发明的带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统的反射式抛物面镜使用无磁材料，不会受到外部强磁场作用下的磁力影响，不会产生的法拉第效应，实现对样品的外磁场调控测量。
附图说明
图1为本发明实施例1的带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统的结构示意图。
图2为本发明实施例2的带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统的结构示意图。
图中标记：1-入射光；2-起偏器；3-起偏器同步带轮；4-第一透镜组透镜；5-相位掩膜版；6-相位掩膜版同步带轮；7-第二透镜组透镜；8-离轴入射光；9-分光片；10-样品；11-反射式抛物面镜；12-低温样品腔；13-检偏器；14-检偏器同步带轮；15-信号光；16-滤色片；17-信号探测器；18-磁体；19-电机；20-联轴器；21-驱动同步带轮；22-传动轴；23-同步带；24-飞秒激光器；25-信号光透镜；26-四分之一波片；27-显微分光片；28-照明分光片；29-显微透镜；30-CMOS相机；31-照明透镜；32-照明光源；33-低温样品腔视窗；34-反射式物镜支架；35-样品位移台；36-样品扫描台；37-样品支架；38-液氦冷头；39-低温冷屏。
具体实施方式
实施例1，如图1所示，带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统，包括主光路、低温样品腔12和电机驱动机构。其中：
主光路包括起偏器机构、第一透镜组透镜4、相位掩膜版机构5、第二透镜组透镜7、分光片9、检偏器机构、滤色片16和信号探测器17；低温样品腔12内设置有样品10和反射式抛物面镜11，入射光1依次通过起偏器机构、第一透镜组透镜4、相位掩膜版5、第二透镜组透镜7后形成离轴入射光8，而后离轴入射光8通过分光片9进入低温样品腔12并通过反射式抛物面镜11将光以斜入射形式聚焦到样品10表面，出射的信号光15再被反射式抛物面镜11收集，变为平行光导出至低温样品腔12外，平行光通过检偏器机构、分光片9和滤色片16后进入信号探测器17，其中离轴入射光8和信号光15的光轴所构成的平面为光路结构的入射面；电机驱动机构可驱动起偏器机构、相位掩膜版机构和检偏器机构以入射光1光轴为轴心进行旋转，以使光路结构中的入射面能够以入射光1光轴为轴心进行旋转。
电机驱动机构包括电机19、联轴器20、驱动同步带轮21、传动轴22和同步带23；起偏器机构包括起偏器2和起偏器同步带轮3，起偏器2固定于起偏器同步带轮3的轴心；起偏器同步带轮3可带动起偏器2旋转；相位掩膜版机构包括相位掩膜版5和相位掩膜版同步带轮6，相位掩膜版5固定在相位掩膜版同步带轮6上，相位掩膜版同步带轮6中轴垂直通过相位掩膜版5中心，相位掩膜版同步带轮6可带动相位掩膜版5旋转；检偏器机构包括检偏器13和检偏器同步带轮14，检偏器13固定在检偏器同步带轮14上，检偏器13与信号光15同轴，起偏器同步带轮3、相位掩膜版同步带轮6和检偏器同步带轮14的轴心均与入射光1的光轴同心，电机19通过联轴器20驱动传动轴22进行旋转，传动轴22上安装有三个驱动同步带轮21，三个驱动同步带轮21分别通过同步带23与起偏器同步带轮3、相位掩膜版同步带轮6和检偏器同步带轮14连接；为保证起偏器机构、相位掩膜版机构和检偏器机构能够以同样的角速度进行旋转，三个驱动同步带轮21与起偏器同步带轮3、相位掩膜版同步带轮6和检偏器同步带轮14构成相同的传动比。当起偏器机构、相位掩膜版机构和检偏器机构同时以相同角速度旋转时，信号光15时刻保持通过检偏器13。
所述电机19可以但不限于采用步进电机、伺服马达、压电马达、减速电机、无刷电机等供电后能够实现驱动轴旋转的机电部件。
本实施例1的带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统通过使用反射式抛物面镜11，能够实现入射光1的斜入射激发和信号光15的斜出射探测，并利用同步带轮和电机19，同时旋转起偏器2、相位掩膜版5和检偏器13，实现对样品10各向异性的非线性光学参量表征。
本实施例1中，入射光1为圆偏振光，入射光1进入起偏器2后形成线偏振光。入射光1在进入起偏器2前为圆偏振光，通过选择合适的起偏器2，入射光1通过起偏器2形成线偏振光，起偏器2的线偏振方向可与入射面设定为特定角度，起偏器2的线偏振方向随起偏器机构的旋转而旋转。并且，起偏器2还可以不安装，此时入射光1通过起偏器2机构后保持为圆偏振光。
并且，信号光15在通过检偏器13后，可形成线偏振光，检偏器13的线偏振方向可与入射面设定为特定角度，检偏器13的线偏振方向随起偏器机构的旋转而旋转。同样的，检偏器13也可以不安装，此时信号光15通过检偏器机构后保持原有偏振性。
相位掩膜版5的具体功能为一束平行光正入射到相位掩膜版5后，将产生与入射光1光轴成一定夹角的衍射光。相位掩膜版5包括但不限于采用透射式光栅等具有上述功能的光学元件。
本实施例1中，第一透镜组透镜4和第二透镜组透镜7为两个光学透镜，且二者与入射光1的光轴同心，第一透镜组透镜4和第二透镜组透镜7的焦点相互重合并通过相位掩膜版机构的中心，当一束平行光正入射经过第一透镜组透镜4后，将形成聚焦光，焦点位于相位掩膜版5中心，聚焦光通过相位掩膜版5的中心后产生发散的衍射光，衍射光斑的光轴与入射光1成一定夹角，衍射光斑通过第二透镜组透镜7后，将形成一束离轴入射光8，离轴入射光8的光轴与入射光1的光轴平行。
分光片9的具体功能是对特定波长的光实现一定光强比例的透射和折射。其中，分光片9可根据表征需求选择合适的型号和增、减，以优化光的偏振性。
滤色片16的具体功能是过滤信号光15中特定的波段，保留信号光15中需要探测的波段。其中，滤色片16可根据表征需求选择合适的型号和增、减。
具体的，信号探测器17可以是但不限于光电探测器、雪崩光电探测器、单光子计数器、光电倍增管、电子倍增图像传感器、光谱仪等，且信号探测器17可根据信号光15的强度和波长进行合适的选择。
本实施例1中，反射式抛物面镜11的焦点与样品10面重合，反射式抛物面镜11的中轴与入射光1的光轴同心。
具体的，低温样品腔12的制冷原理包括但不限于液氦、液氮等冷媒相变的制冷，也可采用无液氦制冷机等制冷原理。
样品10为镂空结构或透明材质，以使离轴入射光8和信号光15能够穿过样品10。
本实施例1中，还包括磁体18，低温样品腔12放置于磁体18内，样品10环境受到磁体18的磁场调控，且低温样品腔12和反射式抛物面镜11采用无磁材料，此时，将样品10放置于低温样品腔12内，低温腔室放置于磁体18内，能够实现样品10的低温变温和外磁场调控。其中，低温样品腔12和反射式抛物面镜11采用钛合金、铍铜合金或铝合金，以防止相关机构在磁体18的磁场作用下发生运动。
其中，磁体18包括但不限于磁铁、电磁铁磁体或超导磁体，且电磁铁磁体或超导磁体可根据实验需要使用单组线圈制成的单轴磁体，也可为多组线圈组合制成的多轴磁体。
实施例2，如图2所示，带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统，包括主光路、低温样品腔12、磁体18、电机驱动机构和辅助显微成像光路。
其中，主光路包括飞秒激光器24、入射光1、四分之一波片26、起偏器2、起偏器同步带轮3、第一透镜组透镜4、相位掩膜版5、相位掩膜版同步带轮6、第二透镜组透镜7、离轴入射光8、分光片9、样品10、反射式抛物面镜11、信号光15、滤色片16、信号光透镜25和信号探测器17。
低温样品腔12包括低温样品10视窗、反射式抛物面镜11支架、样品位移台35、样品扫描台36、样品支架37、液氦冷头38、低温样品腔12和低温冷屏39。
电机驱动机构包括步进电机19、联轴器20、驱动同步带轮21、传动轴22和同步带23。
辅助显微成像光路包括显微分光片27、照明分光片28、显微透镜29、CMOS相机30、照明透镜31和照明光源32。
主光路的工作原理如下：飞秒激光器24产生重复频率80MHz、波长800nm的飞秒脉冲激光(即入射光1)，激光偏振方向为线偏振，四分之一波片26的快轴方向与入射光1的偏振方向成45°角，入射光1通过四分之一波片26的中心形成圆偏振光；起偏器2安装于起偏器同步带轮3中心，起偏器同步带轮3的旋转轴与入射光1的光轴重合，入射光1通过第一透镜组透镜4的中心形成聚焦光，焦点位于第一透镜组透镜4的焦点上，相位掩膜版5安装于相位掩膜版同步带轮6中心，相位掩膜版同步带轮6的旋转轴与入射光1的光轴重合，相位掩膜版5的中心与第一透镜组透镜4的焦点重合，聚焦的入射光1通过相位掩膜版5后产生发散的衍射光斑；第二透镜组透镜7与第一透镜组透镜4同心，且两者焦点互相重合，发散的衍射光斑通过第二透镜组透镜7形成离轴入射光8，离轴入射光8为平行光，光轴与入射光1的光轴平行，离轴入射光8通过分光片9继续向前传播，离轴入射光8通过显微分光片27，部分光强被折射进入辅助显微成像光路，另一部分继续向前传播，离轴入射光8通过低温样品腔视窗33进入低温样品腔12，其中样品10为镂空结构或透明材质，离轴入射光8穿过样品10继续向前传播到达反射式抛物面镜11，聚焦在反射式抛物面镜11的焦点上；样品10放置在反射式抛物面镜11的焦点上，离轴入射光8到达样品10，产生发散的信号光15，反射式抛物面镜11收集发散信号光15，形成平行的信号光15，信号光15穿过样品10继续向前传播，信号光15通过低温样品腔视窗33离开低温样品腔12，信号光15通过显微分光片27，部分光强被折射进入辅助显微成像光路，另一部分继续向前传播；检偏器13安装于检偏器同步带轮14上，能够通过信号光15，检偏器同步带轮14的旋转轴与入射光1的光轴重合，信号光15穿过检偏器13，形成投影到检偏器13偏振方向的线偏振光；信号光15到达分光片9，部分光强被折射到达滤色片16，信号光15通过滤色片16过滤800nm波长的基频光，通过非线性光学谐波信号，信号光15通过信号光透镜25聚焦在信号探测器17的信号探测区域。
低温样品腔12的工作原理如下：反射式抛物面镜11支架与反射式抛物面镜11、样品位移台35组装后固定在液氦冷头38上，样品扫描台36安装在样品位移台35上，样品支架37安装在样品扫描台36上，样品10安装在样品支架37上；其中，样品位移台35采用压电马达结构，能够实现空间三个维度各±2.5mm的移动距离，从而使样品10能够实现移动；样品扫描台36采用压电杠杆结构，能够实现空间三个维度各30μm(液氦温度下)的移动，以实现样品10的精确定位和扫描；反射式物镜支架34和样品支架37使用无氧铜材质，以实现好的导热性能；通过往液氦冷头38内注入液氦能够使液氦冷头38达到4.2K的液氦相变温度，样品支架37和液氦冷头38之间通过30根直径0.1mm长度30mm的铜线连接，实现柔性连接和导热，最低温度小于10K。为了减少液氦的消耗，样品10、反射式抛物面镜11、反射式抛物面镜11支架、样品位移台35、样品扫描台36、样品支架37和液氦冷头38全部安装在低温冷屏39内部，低温冷屏39安装在低温样品腔12内，低温样品腔12内部为真空。
将低温样品腔12安装于磁体18内，样品10的位置在磁体18的磁场中心。为了保证低温样品腔12在磁场作用下不会产生移动，反射式抛物面镜11、反射式抛物面镜11支架、低温样品腔12的腔体、低温冷屏39可使用6061-T6铝合金加工制造，样品位移台35和样品扫描台36均可使用金属钛加工制造。
电机驱动机构的工作原理如下：步进电机19为42系列两相步进电机，保持转矩0.2Nm，步距角0.9°。使用时，步进电机19通过联轴器20驱动传动轴22进行旋转，传动轴22上安装有三个同步带轮，三个同步带轮通过同步带23分别与起偏器同步带轮3、相位掩膜版同步带轮6和检偏器同步带轮14连接，三个同步带轮需分别与起偏器同步带轮3、相位掩膜版同步带轮6和检偏器同步带轮14有相同的传动比，步进电机19旋转后将依次带动传动轴22和三个同步带轮旋转，三个同步带轮通过同步带23驱动起偏器同步带轮3、相位掩膜版同步带轮6和检偏器同步带轮14旋转，且旋转的角速度相同。
辅助显微成像光路的工作原理如下：照明光源32产生发散的白光，通过照明透镜31形成准平行光通过照明分光片28，部分准平行光被照明分光片28折射，达到显微分光片27，部分准平行光通过显微分光片27折射到低温样品腔12内，通过反射式抛物面镜11聚焦在样品10的表面，样品10的表面反射出准平行光的，形成照明区域显微图样，由反射式抛物面镜11收集产生显微图样的准平行光，依次经过显微分光片27、照明分光片28，到达显微透镜29，显微透镜29将显微图样的准平行光聚焦到CMOS相机30上，从而实现对样品10表面显微图像的观测；通过移动样品扫描台36能够实现对微米尺度待测样品10的聚焦和定位。
此时，定义离轴入射光8和信号光15组成的平面为样品10的入射面，入射光1的光轴与入射面重合。步进电机19的旋转将使起偏器2、相位掩膜版5和检偏器13绕入射光1光轴旋转，最后形成入射面以入射光1的光轴为旋转轴进行旋转，以实现对样品10表面各向异性的光学激发和信号收集。
其中，信号探测器17的信号测量需与步进电机19形成关联，使步进电机19间隔相同步距旋转后，进行信号的探测。
起偏器2和检偏器13的偏振方向可设置为与入射面垂直或平行，排列组合后有四种情况：起偏器2与入射面垂直，检偏器13与入射面垂直；起偏器2与入射面垂直，检偏器13与入射面平行；起偏器2与入射面平行，检偏器13与入射面垂直；起偏器2与入射面平行，检偏器13与入射面平行。分别在上述四种情况下旋转步进电机19，得到四组非线性光学谐波信号，则能够获得全部的非线性张量元。
本发明的带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统通过使用相位掩膜版5和透镜组形成可绕入射光1光轴旋转的离轴入射光8，结合反射式抛物面镜11，实现了离轴入射光8的斜入射聚焦和信号光15的斜出射探测，能够简单有效地实现非线性系数张量的全参量表征；同时，使用电机19带动同步带轮驱动光学系统中的元件进行旋转，避免了传统斜入射测量中旋转样品10或物镜组导致聚焦光斑移动的问题；且通过使用反射式抛物面镜11能够在显微测量的同时，有效避免测量中的色差效应，使入射光1的聚焦和信号光15的收集效率能同时达到最佳；其中，样品10和反射式抛物面镜11同时处于低温环境，反射式抛物面镜11能够在室温至低温的大温度范围内稳定工作，实现对样品10的温度调控测量；反射式抛物面镜11使用无磁材料，不会受到外部强磁场作用下的磁力影响，不会产生的法拉第效应，实现对样品10的外磁场调控测量。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统，其特征在于，包括主光路、低温样品腔、电机驱动机构；其中：
所述主光路，包括起偏器机构、第一透镜组透镜、相位掩膜版机构、第二透镜组透镜、分光片、检偏器机构、滤色片和信号探测器；
所述低温样品腔，其内设置有样品和反射式抛物面镜，入射光依次通过所述起偏器机构、所述第一透镜组透镜、所述相位掩膜版机构、所述第二透镜组透镜后形成离轴入射光，而后所述离轴入射光通过所述分光片进入所述低温样品腔内，并通过所述反射式抛物面镜将光以斜入射形式聚焦到所述样品表面，出射的信号光再被所述反射式抛物面镜收集，变为平行光导出至所述低温样品腔外；所述平行光通过所述检偏器机构、所述分光片和所述滤色片后进入所述信号探测器；其中所述离轴入射光和所述信号光的光轴所构成的平面为光路结构的入射面；
所述电机驱动机构用于驱动所述起偏器机构、所述相位掩膜版机构和所述检偏器机构以入射光光轴为轴心进行旋转，以使光路结构中的入射面能够以入射光光轴为轴心进行旋转。
2.根据权利要求1所述的带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统，其特征在于，所述电机驱动机构包括电机、联轴器、驱动同步带轮、传动轴和同步带；
所述起偏器机构包括起偏器和起偏器同步带轮，所述起偏器固定于所述起偏器同步带轮的轴心，所述起偏器同步带轮可带动所述起偏器旋转；
所述相位掩膜版机构包括相位掩膜版和相位掩膜版同步带轮，所述相位掩膜版固定在所述相位掩膜版同步带轮上，所述相位掩膜版同步带轮中轴垂直通过所述相位掩膜版中心，所述相位掩膜版同步带轮可带动所述相位掩膜版旋转；
所述检偏器机构包括检偏器和检偏器同步带轮，所述检偏器固定在所述检偏器同步带轮上，所述检偏器与所述信号光同轴，所述起偏器同步带轮、所述相位掩膜版同步带轮和所述检偏器同步带轮的轴心均与所述入射光的光轴同心；
所述电机通过所述联轴器驱动所述传动轴进行旋转，所述传动轴上安装有三个所述驱动同步带轮，三个所述驱动同步带轮分别通过所述同步带与所述起偏器同步带轮、所述相位掩膜版同步带轮和所述检偏器同步带轮连接，且三个所述驱动同步带轮与所述起偏器同步带轮、所述相位掩膜版同步带轮和所述检偏器同步带轮构成相同的传动比。
3.根据权利要求2所述的带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统，其特征在于，所述电机为步进电机、伺服马达、压电马达、减速电机或无刷电机。
4.根据权利要求1所述的带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统，其特征在于，所述第一透镜组透镜和所述第二透镜组透镜与所述入射光的光轴同心，所述第一透镜组透镜和所述第二透镜组透镜的焦点相互重合并通过所述相位掩膜版机构的中心，所述离轴入射光的光轴与所述入射光的光轴平行。
5.根据权利要求1所述的带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统，其特征在于，所述信号探测器为光电探测器、雪崩光电探测器、单光子计数器、光电倍增管、电子倍增图像传感器或光谱仪。
6.根据权利要求1所述的带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统，其特征在于，所述反射式抛物面镜的焦点与所述样品面重合，所述反射式抛物面镜的中轴与所述入射光的光轴同心。
7.根据权利要求1所述的带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统，其特征在于：所述低温样品腔采用液氦、液氮冷媒相变制冷，或采用无液氦制冷机。
8.根据权利要求1所述的带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统，其特征在于，所述样品为镂空结构或透明材质，以使所述离轴入射光和所述信号光能够穿过所述样品。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统，其特征在于，还包括磁体，所述低温样品腔放置于所述磁体内，所述样品环境受到所述磁体的磁场调控，且所述低温样品腔和所述反射式抛物面镜采用无磁材料。
10.根据权利要求9所述的带有低温强磁场调控的非线性光学全参量表征系统，其特征在于，所述磁体为磁铁、电磁铁磁体或超导磁体。
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