CN202002885U - 双t-po技术测量材料光学非线性的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种双T-PO技术测量材料光学非线性的装置，包括设置于脉冲激光束入射光路上的第一分束器，第一束光的光路上设有第一探测器，第二束光路上设有1/2玻片、偏振片、相位物体、第二分束器，第二分束器分出的一束光路上依次设有第一凸透镜、待测样品、第一小孔光阑和第二探测器，所述待测样品位于第一凸透镜的焦平面上；第二分束器分出的另一束光路上依次设有第二凸透镜、标准样品、第二小孔光阑和第三探测器，所述标准样品位于第二凸透镜的焦平面上。本实用新型光路简单，测量时无需繁琐的数值模拟处理过程，单脉冲测量、样品无需移动，可以同时测量非线性折射的大小和符号，测量结果精确。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种测量材料的光学非线性的装置，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领域技术的飞速发展，非线性光学材料的研究日益重要。具有大的光学非线性系数和超快光响应的材料被认为是用于制造高速光电设备的新兴材料，在光学工程领域，如全光开关等元器件中有着巨大的潜在应用价值。而对光学非线性材料的研究则需要借助于各种光学非线性测量技术。常用的测量方法有Z扫描、4f系统相干成像技术、马赫-曾德干涉法、简并四波混频、三次谐波法、椭圆偏振法、相位物体Z-scan等。其中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 nonlinearities using a single beam”, IEEE J. Quantum Elect, 26, 760-769 (1990) ）具有实验装置简单、灵敏度高、可以同时测量非线性吸收和非线性折射的大小和符号等优点，已成为应用最广泛的一种光学非线性测量方法。但是这种测量方法需要样品在激光传播方向的移动，需要激光多次激发，对薄膜和易损伤的材料不适用。4f相位相干成像系统（G. Boudebs and S. Cherukulappurath, “Nonlinear optical measurements using a 4f coherent imaging system with phase object”, Phys. Rev. A, 69, 053813(2004)）是近年来提出的一种测量材料非线性折射的新方法。利用4f 相位相干成像技术测量非线性折射具有光路简单、灵敏度高、单脉冲测量，无需样品移动、对光源能量稳定性要求不高等优点。但这种方法需要对采集的图像进行比较复杂的处理，而且对CCD的要求比较高，增加了测量方法的成本。相位物体Z-scan（Junyi Yang and Yinglin Song, “Direct observation of the transient thermal lensing effect using the PO Z-scan”, 34, 157-159(2009)）就是在原有传统Z-scan的基础上，在透镜的前焦面的位置加一个相位物体。与传统Z-scan相比，所测量材料非线性折射的结果由传统Z-scan的峰谷特征曲线变成了单峰或单谷特征曲线。和传统Z-scan一样，这种测量方法也需要样品在激光传播方向的移动，需要激光多次激发，容易损伤材料。在PO-Z扫描技术的基础上，发展出了一种更简便的研究材料光学非线性的含相位物体透过率测量技术（T-PO）（Junyi Yang, Xueru Zhang, Yuxiao Wang, Min Shui, Changwei Li, Xiao Jin, and Yinglin Song, “Method with a phase object for measurement of optical nonlinearities”, Optics Letters, 34, 2513-2515(2009)）。通过在远场放置一个小孔，根据所得的归一化非线性透过率经过数值模拟，可以得出样品的三阶非线性折射率。这种方法具有单光束测量、光路简单、可同时测量非线性折射的大小和符号、无需样品的移动等优点。但上述的这些测量装置都需要经过繁琐的数值模拟计算才能得到样品的光学非线性系数。
发明内容
本实用新型的发明目的是提供一种双T-PO测量材料光学非线性的装置，无需繁琐的数值模拟，直接而准确地测量材料的非线性折射。
为达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是：一种双T-PO技术测量材料光学非线性的装置，包括设置于脉冲激光束入射光路上的第一分束器，第一分束器分出的第一束光的光路上设有第一探测器，第一分束器分出的第二束光路上设有1/2玻片、偏振片和相位物体，经所述相位物体出射的光路上设有第二分束器，第二分束器分出的一束光路上依次设有第一凸透镜、待测样品、第一小孔光阑和第二探测器，所述待测样品位于第一凸透镜的焦平面上；第二分束器分出的另一束光路上依次设有第二凸透镜、标准样品、第二小孔光阑和第三探测器，所述标准样品位于第二凸透镜的焦平面上。
采用上述技术方案进行测量时，先由第一分束器将脉冲激光束分为两束，一束为监测光，由第一探测器D1记录。另一束光再经第二分束器分为两束，一束经第一凸透镜聚焦到待测样品上，使待测样品产生光学非线性，另一束经第二凸透镜聚焦到标准样品上，使标准样品产生光学非线性；所述待测样品和标准样品都位于光路中透镜的焦平面上。经标准样品出射的脉冲光通过一个中心和光轴重合的小孔光阑后进入第三探测器；经待测样品出射的脉冲光通过一个中心和光轴重合的小孔光阑后进入第二探测器；在探测光的第一分束器和第二分束器之间的光路中设置有相位物体、1/2玻片，以及一偏振片，测量步骤为：
⑴分别在标准样品光路和待测样品光路中的光强弱的位置放上标准样品和待测样品，用三个探测器测量脉冲光能量，并分别计算出第二探测器所测能量和第三探测器所测能量与第一探测器所测能量的比值；
⑵分别在标准样品光路和待测样品光路的透镜的焦平面位置放上标准样品和待测样品，用三个探测器测量脉冲光能量，并分别计算出第二探测器所测能量和第三探测器所测能量与第一探测器所测能量的比值；
⑶对步骤⑴和⑵中获得的比值进行处理，获得所需的检测材料的光学非线性折射系数。
其中，所述步骤⑶中的处理包括，分别将将步骤⑵中得到的标准样品和待测样品的比值与步骤⑴中得到的比值对应相除，从而得到标准样品和待测样品归一化的非线性透过率，对待测样品和标准样品的归一化的非线性透过率进行简单的数学处理就能得到待测样品的非线性折射系数。
进一步的技术方案，在所述第二分束器和第一凸透镜之间，设置有反射镜，反射镜的角度布置使待测样品所在光路与标准样品所在光路平行设置。
上述技术方案中，所述相位物体的相位延迟为0.25π～0.75π，大小为入射到相位物体上的光斑束腰半径的0.05～0.5倍。
优选的技术方案，当所述相位物体的相位延迟为0.5π，大小为入射光斑束腰半径的0.1倍时，系统对非线性折射的测量精度达到最高。其大小和相位延迟可以根据实际情况调节。
上述技术方案中，所述第一小孔光阑和第二小孔光阑的半径的大小等于相位物体的远场衍射光斑的半径大小。
采用本实用新型的装置进行测量，其原理是，非线性样品受到脉冲光的作用后，材料的吸收和折射性质发生变化，产生光学非线性。在薄样品近似的条件下，能量只与非线性吸收有关，非线性折射对能量的影响可以忽略不计，因为开孔测量的是整个能量的变化，与非线性吸收无关，所以开孔的透过率与材料的非线性吸收相关。另一方面，样品产生的非线性相移随激光的光强的变化而变化。这样，在焦平面处样品就相当于一个变化的相位物体。根据相衬原理，在远场，非线性相移的变化就表现为相位物体衍射光斑内光场振幅的变化，从而就会引起小孔的透过率的变化。另外，振幅的变化与材料非线性的折射符号有关。如果，非线性折射为自聚焦，小孔归一化的透过率就大于1，反之，就小于1。所以，在焦平面位置，无需移动样品，在一个单脉冲的作用下，通过测量整个能量的变化就可以得到样品的非线性吸收系数。通过测量小孔归一化的非线性透过率，就可以得到样品的非线性折射系数以及材料的非线性折射符号。另外理论计算表明，当非线性相移符合 
时，小孔归一化非线性透过率与非线性相移变化可以近似的认为是线性关系，这样通过将待测样品归一化的非线性透过率与标准样品的归一化非线性透过率进行比较，无需数值模拟，就能直接得到待测样品的非线性折射率。
本实用新型用一种全新的思路实现了对光学非线性的测量，同其他非线性光学测量技术相比，具有以下优点：
1. 本实用新型实现了单脉冲测量，测量过程中样品无需移动，解决了待测样品易损伤的问题；
2. 采用本实用新型的装置，其测量方法非常方便，无需繁琐的数值模拟计算；
3. 本实用新型的装置可以同时测量样品非线性折射的大小和非线性折射的符号；
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，可以极大地减少测量成本（无需移动平台和CCD），并能够保证测试参数全面，测试结果准确。
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双T-PO测量材料光学非线性的装置的工作原理图。
附图3是本实用新型实施例一中的归一化非线性透过率T随非线性相移
的变化关系曲线。
其中：1、脉冲激光束；2、第一分束器；3、第一探测器；4、1/2玻片；5、偏振片；6、相位物体；7、第二分束器；8、反射镜；9、第一凸透镜；10、第二凸透镜；11、标准样品；12、待测样品；13、第二小孔光阑；14、第一小孔光阑；15、第三探测器；16、第二探测器。
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，一种双T-PO技术测量材料光学非线性的装置，包括设置于脉冲激光束1入射光路上的第一分束器2，第一分束器2分出的第一束光的光路上设有第一探测器3，第一分束器分出的第二束光路上设有1/2玻片4、偏振片5和相位物体6，其特征在于：经所述相位物体6出射的光路上设有第二分束器7，第二分束器7分出的一束光路上依次设有第一凸透镜9、待测样品12、第一小孔光阑14和第二探测器16，所述待测样品12位于第一凸透镜9的焦平面上；第二分束器7分出的另一束光路上依次设有第二凸透镜10、标准样品11、第二小孔光阑13和第三探测器15，所述标准样品11位于第二凸透镜10的焦平面上；在所述第二分束器7和第一凸透镜9之间，设置有反射镜8，反射镜8的角度布置使待测样品12所在光路与标准样品11所在光路平行设置。
脉冲激光束1由第一分束器2分成两束光，监测光的能量由第一探测器3接收，另外一束光经过1/2玻片4，偏振片5和相位物体6后，由第二分束器7再次分成两束光，一束光由反射镜8反射到第一凸透镜9上，再由第一凸透镜9聚焦到待测样品12上，透射后的光束经过第一小孔光阑14后由第二探测器16接收。另一束光由第二凸透镜10聚焦到标准样品11上，透射后的光束经过第二小孔光阑13后由第三探测器15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-765 energy probe) 的探测器连接在能量计(Rj-7620 ENERGY RATIOMETER, Laserprobe)。待测样品为DMF，标准样品为CS2。
具体的检测步骤为：（1）将标准样品11放在靠近第二凸透镜10的位置，将待测样品12放在靠近第一凸透镜9的位置，利用第三探测器15测量透过第二小孔光阑13的能量，利用第二探测器16测量透过第一小孔光阑14的能量，同时利用第一探测器3测量监测光的能量。将第三探测器15所测得的能量除以第一探测器3测得的能量，得到标准样品的线性能量比值。将第二探测器16所测得的能量除以第一探测器3测得的能量，得到待测样品的线性能量比值。（2）将标准样品11放在第二凸透镜10的焦平面的位置，将待测样品12放在第一凸透镜9的焦平面的位置，利用第三探测器15测量透过第二小孔光阑13的光束能量，利用第二探测器16测量透过第一小孔光阑14的能量，同时利用第一探测器3测量监测光的能量。将第三探测器15所测得的能量除以第一探测器3测得的能量，得到标准样品的非线性能量比值。将第二探测器16所测得的能量除以第一探测器3测得的能量，得到待测样品的非线性能量比值。（3）将步骤（2）中的标准样品的非线性比值除以步骤（1）中的标准样品的线性比值，得到标准样品的归一化非线性透过率。将步骤（2）中的待测样品的非线性比值除以步骤（1）中的待测样品的线性比值，得到待测样品的归一化非线性透过率。（4）根据步骤（3）中得到的标准样品和待测样品的归一化非线性透过率，得出待测样品的非线性折射系数。（5）如果不放置第二小孔光阑13和第一小孔光阑14，则上述步骤（1）-（4）所测量的为待测样品12的非线性吸收。
对于DMF非线性测量的实验和理论计算具体过程如下：
在样品含非线性吸收情况下，有非线性相移
，其中
，
为样品的非线性吸收系数，
为样品处脉冲激光的峰值光强，
为有效样品厚度，T0为样品的线性透过率。当时，由泰勒级数展开有
，这时
可以通过来获得，这里
指没有远场小孔时待测样品归一化非线性透过率。实施例一图3中可以看出，当
时，归一化非线性透过率与非线性相移变化可以近似的认为是线性关系，当=0时，归一化非线性透过率为1。由此可以得到
。这里标准样品和待测样品的轴上峰值光强
相同，所采用的标准样品的非线性吸收可以忽略不计。最终，可以推导得出：
（1）
当待测样品的非线性吸收非常弱可以忽略时，有
,则有：
通过上面的讨论，可以看出，只要得到标准样品和待测样品的归一化非线性透过率，就可以通过公式（1）或（2）获得样品的非线性折射率。
从以往的文献可知标准样品CS2三阶非线性折射率为
。光源为立陶宛EKSPLA 公司的Nd:YAG 532 nm 激光器(PL2143B)产生的 21ps (FWHM)的脉冲激光。输出的激光光束在时间和空间上都近似为高斯分布。两个样品池的厚度都为2mm。透镜的焦距为425mm。PO在532nm的相位延迟为
。小孔和焦平面的距离为D=1.7 m，小孔的半径为Ra=2 mm。在T-PO系统入射面的高斯光束的束腰半径为2.9mm，透镜聚焦后焦点的光斑束腰为
。
首先，将两个样品放在远场，这样可以得到线性的透过率Tlin（D2/D1及D3/D1），然后，将两个样品同时放在透镜的焦平面，得到非线性透过率Tnl。在本实验条件下，测量到两个样品的线性透过率Tlin在小孔存在时都为0.029，无小孔时为0.942。当两个样品处在焦平面，激光能量大约为300 nJ (峰值光强
)时，CS2在小孔存在时的非线性透过率为0.047，开孔的非线性透过率为0.931。DMF在小孔存在时的非线性透过率为0.032，无小孔时的非线性透过率为0.936。则对于CS2和DMF可以得到开孔时归一化的非线性透过率都为
，几乎等于1，这说明CS2和DMF在本实验条件下非线性吸收非常弱，可以忽略。当存在小孔时，CS2的归一化非线性透过率为。而DMF的归一化非线性透过率为
，归一化的非线性透过率大于1，说明非线性折射符号为正。利用公式（2），可以得到DMF的非线性折射率为
，这里认为Leff相等。为了验证这个数值的有效性，利用Z-扫描技术在21ps脉冲作用下对待测样品DMF进行了测量，最终得出的结果为。结果表明利用两种方法所获得的非线性折射率非常吻合。
Claims (5)
1. 一种双T-PO技术测量材料光学非线性的装置，包括设置于脉冲激光束(1)入射光路上的第一分束器(2)，第一分束器(2)分出的第一束光的光路上设有第一探测器(3)，第一分束器分出的第二束光路上设有1/2玻片(4)、偏振片(5)和相位物体(6)，其特征在于：经所述相位物体(6)出射的光路上设有第二分束器(7)，第二分束器(7)分出的一束光路上依次设有第一凸透镜(9)、待测样品(12)、第一小孔光阑(14)和第二探测器(16)，所述待测样品(12)位于第一凸透镜(9)的焦平面上；第二分束器(7)分出的另一束光路上依次设有第二凸透镜(10)、标准样品(11)、第二小孔光阑(13)和第三探测器(15)，所述标准样品(11)位于第二凸透镜(10)的焦平面上。
2. 根据权利要求1所述的双T-PO技术测量材料光学非线性的装置，其特征在于：在所述第二分束器(7)和第一凸透镜(9)之间，设置有反射镜(8)，反射镜(8)的角度布置使待测样品(12)所在光路与标准样品(11)所在光路平行设置。
3. 根据权利要求1所述的双T-PO技术测量材料光学非线性的装置，其特征在于：所述相位物体(6)的相位延迟为0.25π～0.75π，大小为入射到相位物体(6)上的光斑束腰半径的0.05～0.5倍。
4. 根据权利要求1所述的双T-PO测量材料光学非线性的装置，其特征在于：所述相位物体(6)的相位延迟为0.5π，大小为入射到相位物体(6)上的光斑束腰半径的0.1倍。
5. 根据权利要求1所述的双T-PO测量材料光学非线性的装置，其特征在于：所述第一小孔光阑(14)和第二小孔光阑(13)的半径的大小等于相位物体(6)的远场衍射光斑的半径大小。
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