CN201222032Y - 基于z扫描的泵浦探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于Z扫描的泵浦探测装置，包括激光光源、分束器，所述分束器把入射激光束分为两束，分别进入泵浦光路和探测光路，所述泵浦光路包括时间延迟部件和凸透镜；所述探测光路包括凸透镜、出射分束器和两个探测器，待测样品位于凸透镜的后焦面上，其特征在于：在所述探测光路的凸透镜之前，设置有相位物体。本实用新型的装置结构简单，测量非常方便可以广泛地应用于非线性光学测量、非线性光子学材料、非线性光学信息处理和光子学器件等研究领域，尤其是非线性光功能材料的测试和改性等关键环节。

Description

基于Z扫描的泵浦探测装置

技术领域

本实用新型涉及一种利用光学手段在来测试或分析材料的装置，具体涉及一种研究材料的非线性光学物理机制以及测量其光学物理参数的装置，属于非线性光子学材料和非线性光学信息处理领域。

背景技术

随着光通信和光信息处理等技术的飞速发展，非线性光学材料的研究显得日益重要。光学逻辑、光学记忆、光三极管、光开关和相位复共轭等功能的实现主要依赖于非线性光学材料的研究进展。光学非线性测量技术是研究非线性光学材料的关键技术之一，其中弄清材料的光学非线性机制，如何准确的确定材料重要的物理参量对于如何应用材料是非常重要的。Z扫描方法(Mansoor Sheik-Bahae，Ali A.Said，Tai-Hui Wei，David J.Hagan，E.W.Van Stryland.“Sensitive measurement of optical nonlinearitiesusing a single beam”，IEEE J.Quantum Elect，26，760-769(1990))是目前最常用的单光束测量材料光学非线性的方法，此方法是在光束畸变测量方法的基础上提出的，其优点是光路简单，处理方法简单，测量精度高，并且可同时测量非线性吸收与折射。但这种方法很难准确地确定材料的光学非线性机制以及材料对应的重要的光学物理参数。

在Z扫描(Z-scan)的基础上，1994年J.Wang等人提出了时间分辨Z-scan技术(J.Wang，M.Sheik-Bahae，A.A.Said，D.J.Hagan，and E.W.VanStryland，“Time-resolved Z-scan measurements of opticalnonlinearities”，J.Opt.Soc.Am.B，11，1009-1017，1994)。这种方法通过对样品出射的不同时刻探测光的位相和强度的变化情况的分析来确定材料光学非线性的机制以及各个能级重要的光学物理参数。但这种方法在测量样品非线性折射随时间变化的特征时比较麻烦，而且误差比较大，具体表现为：(1)测量时需先测量样品的非线性吸收的时间特征，然后再把样品分别放在两个位置进行非线性折射时间特征的测量，最后还要除去非线性吸收的影响。(2)不能同时进行非线性吸收和非线性折射时间特征的测量。由于不同时刻激光的空间分布和能量是不同的，从而会引起较大的测量误差。

因而，需要寻求新的探测方法，以准确地确定材料的光学非线性机制以及材料对应的重要的光学物理参数。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种基于Z扫描的泵浦探测装置，用于光学非线性材料的检测，利用本装置，可以确定材料的光学非线性机制并可同时准确的测量材料重要的非线性光学参数。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种基于Z扫描的泵浦探测装置，包括激光光源、分束器，所述分束器把入射激光束分为两束，分别进入泵浦光路和探测光路，所述泵浦光路包括时间延迟部件和凸透镜；所述探测光路包括凸透镜、出射分束器和两个探测器，待测样品位于凸透镜的后焦面上，在所述探测光路的凸透镜之前，设置有相位物体。

上述技术方案中，所述相位物体位于所述探测光光路中凸透镜的前焦面上。

所述两个探测器分别为第一探测器和第二探测器，在出射分束器和第一探测器之间设置有凸透镜，在出射分束器和第二探测器之间设置有中心和光轴重合的小孔径光阑。

上述技术方案中，所述时间延迟部件由两个反射镜和一个直角棱镜构成，直角棱镜相对反射镜具有直线平移运动的自由度。所述直角棱镜的移动范围为0到22.5cm。

优选的技术方案，所述探测光和泵浦光聚焦到待测样品上的夹角在3°到8°范围内。

采用上述探测装置，可以实现基于Z扫描的泵浦探测，其方法是，把激光束分为两束，光强较强的一束为泵浦光，较弱的一束为探测光，泵浦光经过时间延迟聚焦到待测样品上，使处于基态的非线性样品产生非线性吸收和非线性折射；所述待测样品位于探测光光路中凸透镜的焦平面上，出射的探测光经一分光镜分为两束，一束直接进入第一探测器，另一束通过一个中心和光轴重合的小孔径光阑后进入第二探测器；在所述探测光光路中，凸透镜之前设置有相位物体，其测量步骤为：

①放上待测样品，用两个探测器分别收集不同时刻探测光的能量；

②对上述获得的不同延迟时间的探测光能量曲线进行处理，获得所需的检测材料的光学非线性参数。

上文中，所述步骤②中的处理包括，分别作出开孔归一化的透射能量以及闭孔除以开孔的归一化随延迟时间的变化曲线，其中开孔归一化透射能量随延迟时间的变化曲线只与非线性吸收有关，闭孔除以开孔的归一化随延迟时间的变化曲线与非线性吸收和非线性折射都有关系，对开孔归一化透射能量随延迟时间的变化曲线进行拟合得到有关非线性吸收的光学参量的大小和寿命；在非线性吸收参数已知的情况下，通过对闭孔除以开孔的归一化随延迟时间的变化曲线进行拟合得到非线性折射相关参量的数值。

所述泵浦光的时间延迟通过两个反射镜和一个直角棱镜实现，由反射镜改变泵浦光的方向，调节直角棱镜和反射镜之间的间距，改变泵浦光的行进距离，实现对延迟时间的调节。其中，所述直角棱镜的移动范围为0到22.5cm，对应的时间延迟范围为-200ps到1.3ns。

非线性样品受到泵浦光的激发后处于基态的粒子跃向激发态，粒子布居数分布的变化导致对入射光的非线性吸收和非线性折射响应；又由于粒子布居数随着时间是不断变化的，所以对于不同时刻的探测光产生的影响是不同的，从样品探测光束的位相和强度的变化就可以得知这个时刻样品中的粒子布居情况，通过分析不同时刻的探测光的情况就能够同时测量出样品的非线性吸收和非线性折射时间特性曲线，从而可以确定各个能级的吸收截面和寿命以及折射率体积。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有以下优点：

1.本实用新型的装置结构简单，测量非常方便，没有样品的移动，理论模型简单。

2.采用本实用新型的装置，可以同时完成对非线性吸收和非线性的折射的测量，而基于传统Z扫描方法的泵浦探测装置对非线性吸收和非线性的折射的测量是分别进行的，至少得进行三次测量(焦点，峰位置和谷位置各一次)。

3.由于探测光和泵浦光以一个小的夹角相交，本实用新型对光路的要求低，用探测器接收信号时十分方便。

4.本实用新型的测量装置，可以广泛地应用于非线性光学测量、非线性光子学材料、非线性光学信息处理和光子学器件等研究领域，尤其是非线性光功能材料的测试和改性等关键环节。

附图说明

附图1是本实用新型实施例一中的相位物体示意图；

附图2是本实用新型实施例一中的泵浦探测方法的工作原理图；

附图3是本实用新型实施例一中开孔归一化透过率随延迟时间的变化图；

附图4为本实用新型实施例一中闭孔除以开孔归一化透过滤随延迟时间的变化图。

其中：1、入射激光束；2、分束器；3、探测光路；4、泵浦光路；5、反射镜；6、直角棱镜；7、反射镜；8、凸透镜；9、反射镜；10、相位物体；11、凸透镜；12、待测样品；13、出射分束器；14、小孔径光阑；15、第二探测器；16、凸透镜；17、第一探测器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例一：参见附图2所示，一种基于Z扫描的泵浦探测装置，包括激光光源、分束器2，所述分束器2把入射激光束1分为两束，分别进入泵浦光路4和探测光路3，所述泵浦光路4包括两个反射镜5、7和一个直角棱镜6构成的时间延迟部件和凸透镜8，直角棱镜相对反射镜具有直线平移运动的自由度，移动范围为0到22.5cm；所述探测光路包括凸透镜11、出射分束器13和两个探测器，所述两个探测器分别为第一探测器17和第二探测器15，在出射分束器13和第一探测器17之间设置有凸透镜16，在出射分束器13和第二探测器15之间设置有中心和光轴重合的小孔径光阑14；待测样品12位于凸透镜11的后焦面上，在所述探测光路的凸透镜11的前焦面上，设置有相位物体10；所述探测光和泵浦光聚焦到待测样品上的夹角在3°到8°范围内。

利用分束器2把激光脉冲1分成探测光路3和泵浦光路4，探测光路3经过反射镜9改变方向，透过相位物体10后由凸透镜11聚焦到待测样品12上，经过分束器13后，分成两束光，透射的一束经小孔14后由第二探测器15接收，反射的一束经凸透镜16会聚后由第一探测器17接收；泵浦光路4经过反射镜5，直角棱镜6，反射镜7构成的延迟平台，由凸透镜8聚焦到待测样品12上，使待测样品12处于基态的粒子受到激发跃迁到激发态，粒子布居数分布的变化对探测光路3的吸收和折射产生影响，又由于粒子布居数随时间是不断变化的，前后平移直角棱镜6可以对不同时刻的探测光路3产生不同的影响，并被第二探测器15和第一探测器17接收。

在本实施例中，激光光束为Nd:YAG激光器(Ekspla，PL2143B)倍频以后的532nm激光，脉宽21ps。型号为(Rjp-765energy probe)的两探测器连接在能量计(Rj-7620ENERGY RATIOMETER，Laserprobe)。待测样品为磺化肽睛铜(CuPcTs)，其在532nm处线性吸收很弱，为激发态光学非线性。

具体的检测步骤为：(1)将第一探测器17放在样品12的位置，测量泵浦光的能量。(2)放上样品12，前后平移直角棱镜6，连续记录不同延迟时间的探测光的能量。(3)分别作出开孔归一化的透射能量以及闭孔除以开孔的归一化随延迟时间的变化曲线。

对于CuPcTs非线性测量的实验和理论计算具体过程如下：

在考虑慢变振幅近似和薄样品近似的情况下探测光在样品中传播满足

$\frac{{\∂I}_p}{\∂z^{\′}}=-\mathrm{\Δ\α}{I}_p---\left(1\right)$

$\frac{\mathrm{d\φ}}{{\mathrm{dz}}^{\′}}=\mathrm{k\Δn}---\left(2\right)$

Δn为折射率变化，Δα为吸收系数变化，z′激光在样品中传播的光程。在CuPcTs溶液样品中，

Δα＝σ₀N₀+σ₁N₁    (3)

Δn＝Δη₁N₁    (4)

式中，N₀，N₁分别为基态和第一激发态的粒子布居数；σ₀，σ₁分别为基态和第一激发态的吸收截面；Δη₁为第一激发态的折射体积与基态折射体积的差。

因为在泵探实验中探测光比泵浦光弱了很多倍，所以可以认为激发态上的粒子布据数是由泵光产生的

$\left\{\begin{array}{c}\frac{d{N}_0}{\mathrm{dt}}=-\frac{{\mathrm{\σ}}_0{I}_e}{\mathrm{h\ω}}{N}_0\\ N_1=N_{00}-N_0\end{array}\right.---\left(5\right)$

N₀₀为基态初始的粒子布居数。

泵浦光通过样品每一层后的光强变化为：

$\frac{{\mathrm{dI}}_e}{{\mathrm{dz}}^{\′}}=-({\mathrm{\σ}}_0{N}_0+{\mathrm{\σ}}_1{N}_1)I_e---\left(6\right)$

图3是CuPcTs溶液的泵浦探测的吸收结果曲线。最初，溶液的吸收随着时间的变化而迅速增加，这是主要是由于第一激发态吸收的缘故，说明第一激发态的吸收截面σ₁要比基态的吸收截面σ₀大。当泵浦脉冲光通过样品后，探测光的透过率没有出现恢复，并保持不变出现一段低的不变的透过率。这主要是因为第一激发态的能级寿命很长，粒子布居数不变，并且第一激发态的吸收截面σ₁要比基态的吸收截面σ₀大的缘故。图4为CuPcTs溶液的泵浦探测折射曲线，零延时后出现一段高的不变的透过率是因为第一激发态的折射体积比基态折射体积大并且第一激发态寿命很长的缘故。通过拟合图3中的吸收泵探曲线可以得到第一激发态的吸收截面为σ₁＝89.5×10^-22m²。拟合图4可以得到第一激发态的折射体积为Δη₁＝4.3×10^-21m²。

Claims (6)

1.一种基于Z扫描的泵浦探测装置，包括激光光源、分束器，所述分束器把入射激光束分为两束，分别进入泵浦光路和探测光路，所述泵浦光路包括时间延迟部件和凸透镜；所述探测光路包括凸透镜、出射分束器和两个探测器，待测样品位于凸透镜的后焦面上，其特征在于：在所述探测光路的凸透镜之前，设置有相位物体。

2.根据权利要求1所述的基于Z扫描的泵浦探测装置，其特征在于：所述相位物体位于所述探测光光路中凸透镜的前焦面上。

3.根据权利要求1所述的其于Z扫描的泵浦探测装置，其特征在于：所述两个探测器分别为第一探测器和第二探测器，在出射分束器和第一探测器之间设置有凸透镜，在出射分束器和第二探测器之间设置有中心和光轴重合的小孔径光阑。

4.根据权利要求1所述的基于Z扫描的泵浦探测装置，其特征在于：所述时间延迟部件由两个反射镜和一个直角棱镜构成，直角棱镜相对反射镜具有直线平移运动的自由度。

5.根据权利要求4所述的基于Z扫描的泵浦探测装置，其特征在于：所述直角棱镜的移动范围为0到22.5cm。

6.根据权利要求1所述的基于Z扫描的泵浦探测装置，其特征在于：所述探测光和泵浦光聚焦到待测样品上的夹角在3°到8°范围内。

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