CN207937345U - 一种同轴无夹角泵浦探测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种同轴无夹角的泵浦探测仪，用于光学非线性的检测，把激光束分为两束，其光强大的一束为泵浦光，光强弱的一束为探测光，泵浦光经过时间延迟聚焦到待测非线性样品上，使处于基态的非线性样品产生非线性吸收；探测光经过一个同心挡板后由透镜会聚到待测非线性样品上，出射的泵浦光被第二个同心挡板遮挡，探测光经过第二个挡板后全部进入探测器；探测光路中透镜前面的挡板和透镜后面的挡板到透镜的距离符合透镜成像规律，且透镜前面挡板的半径大于泵浦光的反射镜半径，后挡板的半径能够全部挡住泵浦光，并能使探测光全部通过；无需偏振片及滤光片就能实现泵浦光和探测光同轴测量材料瞬态光学非线性吸收动力学。

Description

一种同轴无夹角泵浦探测仪

技术领域

本实用新型涉属于非线性光子学材料和非线性光学信息处理领域，具体涉及一种测量非线性光子学材料光学物理参数的泵浦探测仪。

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。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 nonlinearities using asingle 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的确定材料的光学非线性机制以及材料对应重要的光学物理参数。

在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.Van Stryland,“Time-resolved Z-scanmeasurements of optical nonlinearities”,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。另外该方法虽然采用的是同轴泵浦探测的方式，但是该方法的同轴泵浦探测方法利用偏振片或者滤光片，针对不同波长的激光需要更换对应的偏振片或者滤光片，另外该种方法且该种方法对偏振片或者滤光片的参数要求非常高，否则实验结果误差很大。如果利用偏振片，则泵浦光和探测光之间的夹角只能为90°。如利用滤光片，则两个光路的激光波长不能相同，及只能采用非简并泵浦探测的方法，不能实现简并泵浦探测。

另外还有一种可以同时测量瞬态非线性吸收和非线性折射的相位物体泵浦探测技术(Junyi Yang，Yinglin Song，Yuxiao Wang，Changwei Li，Xiao Jin，and Min Shui，“Time-resolved pump-probe technology with phase object for measurements ofoptical nonlinearities”，Optics Express 17，7110–7116(2009))，就是在原有传统泵浦探测系统的基础上，在探测光路的透镜前焦面的位置加一个相位物体，但是该方法泵浦光和探测光之间有一定的夹角，不能实现泵浦光和探测光同轴。

为了克服上述这些技术的一些缺点，本技术方案提供了一种无需偏振片及滤光片就能测量材料瞬态吸收光学非线性动力学的同轴泵浦探测方法。

实用新型内容

本新型的目的是解决传统泵浦探测中移动平台延时线结构复杂且容易引入系统误差的问题；提供一种泵浦光和探测光同轴无夹角的泵浦探测方法，用于光学非线性材料的检测；利用泵浦光和探测光同轴更加准确的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。

一种同轴无夹角泵浦探测仪，包括激光器、分束器、时间延迟组件、反射镜组、会聚组、探测器；其特征在于：激光器发出的激光束入射至分束器被分为泵浦光和探测光；泵浦光通过时间延迟组件后被反射镜组耦合到与探测光共光轴的光路中；会聚组将泵浦光聚焦到待测非线性样品上，使处于基态的待测非线性样品产生非线性吸收；所述会聚组将探测光也会聚到待测非线性样品上；探测器接收从非线性样品出射的探测光。所述的反射镜组为由多片反射镜组成的用于将光转折至特定方向传播的反射镜组合。所述的会聚组为具有能将光束会聚的功能组，包括单片会聚透镜或者多片透镜组成的汇聚系统或者由为会聚CGH。所述的时间延迟组件由两个反射镜和一个反射棱镜组合而成，由反射镜改变泵浦光的方向，调节反射棱镜和反射镜之间的间距，改变泵浦光的行进距离，即可以实现对延迟时间的调节。所述的时间延迟组件也可以为延时反射镜、时间延迟窗口。

所述反射棱镜的移动范围为0到22.5cm，时间延迟范围为-200ps到1.3ns。

在所述的会聚组两侧设置第一同心挡板与第二同心挡板，第一同心挡板与第二同心挡板到所述会聚组的距离符合透镜成像规律，其中第一同心挡板用于遮挡部分探测光使被耦合至与探测光共光轴的泵浦光被所述会聚组聚焦到待测非线性样品上，并且第二同心挡板用于遮挡从非线性样品出射的泵浦光，未被第一同心挡板遮挡的边缘探测光经过待测非线性样品并被探测器接收。

所述第一同心挡板直径大于泵浦光的截面直径，第二同心挡板的直径大于所处位置处泵浦光的截面直径。

基于上述同轴无夹角泵浦探测仪实现泵浦探测的方法如下：

一种同轴无夹角泵浦探测方法，把激光束分为两束，其中光强大的一束为泵浦光，光强弱的一束为探测光；泵浦光通过时间延迟组件后使用反射镜组将泵浦光耦合到与探测光共光轴的光路中，使用会聚组将泵浦光聚焦到待测非线性样品上，使处于基态的待测非线性样品产生非线性吸收；所述会聚组将探测光也会聚到待测非线性样品上；使用探测器接受从非线性样品出射的探测光，对所述探测器采集的光斑图像进行数据处理，分析出待测样品的非线性吸收时间特性曲线。

优选的：

将待测样品移除，用所述的探测器采集移除待测样品后的光斑图像。通过对移除样品后探测器采集采集的光斑分析可以通过差分法消除测试环境引入的系统误差，进一步提高测试精度。

使用上述方法的具体测量步骤为：

(1)放上待测样品，用探测器分别收集不同延迟时刻探测光的能量；

(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。

上述技术方案中，所述步骤(2)中的处理包括，作出归一化的透射能量的归一化随延迟时间的变化曲线，对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。

所述探测光和泵浦光的聚焦到待测样品上，两者的光轴夹角(α)为零。

本新型的技术方案中，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。本新型提供的测量系统对光路的要求大大降低，而且泵浦光和探测光可以同轴经过待测样品，大大增加了泵浦光和探测光的重叠区域；测量的过程中样品不需要移动。

本新型用一种全新的思路实现了对非线性材料参数的测量，同其他非线性光学测量技术相比，具有以下优点：

1.测量非常方便，没有样品的移动，理论模型简单。

2.本方法中无需偏振片及滤光片就能实现泵浦光和探测光同轴测量材料瞬态光学非线性吸收动力学。

3.本方法中泵浦光和探测光之间虽然没有夹角，但通过样品后二者可以实现分离，因而用探测器接收信号时十分方便。且通过本方法可以非常方便的实现泵浦光和探测光的偏振方向任意组合，同时可实现任意波长组合，即涵盖简并及非简并泵浦探测技术。

5.本新型所述的测量方法，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，利用本新型，能够保证测试结果更准确，极大地排除了不确定因素的干扰；另外本方法对激光的质量和光路要求简单，测试速度快捷。

附图说明

附图1是同轴无夹角的泵浦探测仪光路示意图；

附图2是归一化透过率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、反射棱镜；7、反射镜；8、反射镜；9、反射镜；10、凸透镜；11、凸透镜；12、第一挡板；13、反射镜；14、凸透镜；15、待测样品；16、小孔光阑；17、第二挡板；18、凸透镜；19、探测器。

具体实施方式

为了更清楚地说明新型，下面结合附图及实施例作进一步描述

实施例一：

如附图1所示，一种同轴无夹角泵浦探测仪，以探测光路3和泵浦光路4为基础，泵浦光路由反射镜，直角棱镜，凸透镜组成，反射棱镜可以前后平移以改变泵浦光的延迟时间；探测光路由反射镜，挡板，凸透镜，小孔，探测器组成；泵浦光路与探测光路同时聚焦于待测样品上。

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，经过透镜10和凸透镜11扩束后被和光束同轴的挡板12挡住中间一部分光后，边缘光束经过泵浦光反射镜13后经过凸透镜14后聚焦到待测样品15上，经过小孔16及挡板17后，由凸透镜18会聚后由探测器19探测；泵浦光路4经过反射镜5，反射棱镜6，反射镜7构成的延迟平台，由反射镜8和反射镜13改变传播方向后经过凸透镜14聚焦到待测样品15上，经过样品后被挡板17全部挡住。泵浦光使待测样品15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，前后平移反射棱镜6可以对不同时刻的探测光路3产生不同的影响，并被探测器19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-7620ENERGYRATIOMETER,Laserprobe)。待测样品为磺化肽睛铜(CuPcTs)，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)将探测器19放在样品15的位置，测量泵浦光的能量。(2)放上样品15，前后平移反射棱镜6，连续记录不同延迟时间的探测光的能量。(3)作出开孔归一化的透射能量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

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

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：

图2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。通过拟合图2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。

本新型提供了一种泵浦光和探测光同轴无夹角的泵浦探测方法，用材料于光学非线性的检测。利用泵浦光和探测光同轴能更加准确的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。把激光束分为两束，光强大的一束为泵浦光，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；探测光经过一个同心挡板后由透镜会聚到待测样品上，出射的泵浦光被第二个同心挡板遮挡，而探测光经过第二个挡板后则全部进入探测器D。探测光路中透镜前面的挡板和透镜后面的挡板到透镜的距离符合透镜成像规律。且透镜前面挡板的半径大于泵浦光的反射镜半径，后挡板的半径能够全部挡住泵浦光，并能使探测光全部通过。本方法测量非常方便，没有样品的移动，理论模型简单。本方法无需偏振片及滤光片就能实现泵浦光和探测光同轴测量材料瞬态光学非线性吸收动力学。且通过本方法可以非常方便的实现泵浦光和探测光的偏振方向任意组合，同时可实现泵浦光和探测光任意波长组合。

本技术方案未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (4)

1.一种同轴无夹角泵浦探测仪，包括激光器、分束器、时间延迟组件、反射镜组、会聚组、探测器；其特征在于：激光器发出的激光束入射至分束器被分为泵浦光和探测光；泵浦光通过时间延迟组件后被反射镜组耦合到与探测光共光轴的光路中；会聚组将泵浦光聚焦到待测非线性样品上，使处于基态的待测非线性样品产生非线性吸收；所述会聚组将探测光也会聚到待测非线性样品上；探测器接收从非线性样品出射的探测光。

2.根据权利要求1所述的同轴无夹角泵浦探测仪，所述的时间延迟组件由两个反射镜和一个反射棱镜组合而成。

3.根据权利要求1或2所述的同轴无夹角泵浦探测仪，在所述的会聚组两侧设置第一同心挡板与第二同心挡板，第一同心挡板与第二同心挡板到所述会聚组的距离符合透镜成像规律，其中第一同心挡板用于遮挡部分探测光使被耦合至与探测光共光轴的泵浦光被所述会聚组聚焦到待测非线性样品上，并且第二同心挡板用于遮挡从非线性样品出射的泵浦光，未被第一同心挡板遮挡的边缘探测光经过待测非线性样品并被探测器接收。

4.根据权利要求3所述的同轴无夹角泵浦探测仪，所述第一同心挡板直径大于泵浦光的截面直径，第二同心挡板的直径大于所处位置处泵浦光的截面直径。