CN212031297U - 超短单光束单脉冲时间分辨泵浦探测装置及延时阶梯窗口 - Google Patents
超短单光束单脉冲时间分辨泵浦探测装置及延时阶梯窗口 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型属于非线性光学领域，为解决双光路泵浦探测光路结构复杂问题，公开了一种超短单光束单脉冲时间分辨泵浦探测装置及延时阶梯窗口，入射激光束经过阶梯窗口后被凸透镜会聚至待测样品架上放置的待测样品上，阶梯窗口心设置为一个中间具有一定深度的空心柱，空心柱周围为多层阶梯形状分布的台阶，台阶从旋转中心至边缘方向高度逐步降低。本实用新型只需要一束激光，无需将光路分成泵浦光路和探测光路，也不需要调节两束激光之间的延迟时间，就可实现单脉冲泵浦探测技术，即在一个脉冲激光的作用下获得材料完整的时间分辨曲线，从而用来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。
Description
技术领域
本实用新型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，属于非线性光学领域。
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。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,YinglinSong,Yuxiao Wang,Changwei Li,Xiao Jin,and Min Shui,“Time-resolved pump-probetechnology with phase object for measurements of optical 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，上述这些技术都有一个共同的特点，都需要通过移动平台来实现两束光延迟，从而实现时间分辨。在实验的过程中，需要多个泵浦脉冲激光材料获得一个时间分辨曲线结果。如只存在一个脉冲泵浦光，该技术就不能获得材料的时间分辨特征曲线。另外目前所有的泵浦探测光路都利用分束镜将入射激光分为两束，一束为泵浦光，另外一束为探测光，且在实现过程中需要靠调节两束光的延迟时间确定零延时点，操作比较繁琐。
实用新型内容
为解决双光路泵浦探测光路结构复杂问题，本实用新型的技术方案如下：
一种超短单光束单脉冲时间分辨泵浦探测装置，沿着光轴方向依次包括：入射激光束、阶梯窗口、凸透镜、待测样品架、CCD；所述入射激光束发出的光经过阶梯窗口后被凸透镜会聚至待测样品架上放置的待测样品上，所述CCD用于接收光斑信号；所述入射激光束、阶梯窗口、凸透镜、CCD组成成像系统；所述阶梯窗口包括一个旋转对称结构的工作面，其工作面中心设置为一个中间具有一定深度的空心柱，空心柱周围为多层阶梯形状分布的台阶，所述台阶从旋转中心至边缘方向高度逐步降低。
上述成像系统中各个光学元件均放置在同一光轴上，阶梯透镜为中心高边缘低的多层台阶状结构，空心柱为自阶梯透镜中心台阶表面沿着旋转轴心线向材料内部沉陷的圆孔状结构，孔深度小于最低台阶表面深度。将该阶梯透镜用于此装置能方便实现单光束单脉冲时间分辨泵浦探测技术的阶梯窗口，利用激光通过该阶梯窗口后即可形成泵浦光和不同延时激光脉冲束，只需要一束激光，无需将光路分成泵浦光路和探测光路，也不需要调节两束激光之间的延迟时间，就可实现单脉冲泵浦探测技术，即在一个脉冲激光的作用下获得材料完整的时间分辨曲线，从而用来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。
优选的，所述阶梯窗口放置在凸透镜的物平面上，所述CCD放置在凸透镜的像平面上。
优选的，所述凸透镜可以替换为4f成像系统，阶梯窗口放置在4f成像系统的物平面上，CCD放置在4f成像系统的像平面上。
优选的，所述阶梯窗口的阶梯的宽度由成像系统中所成像大小与待测样品大小的比值及CCD像素尺寸决定，算法为阶梯窗口的宽度＝N×CCD像素尺寸/系统放大倍数，N为每个阶梯所占像素的个数；阶梯高度＝延迟时间分辨率×光速/(阶梯窗口材料折射率-1)，空心柱的直径小于入射激光束的直径。
上述装置将阶梯窗口引入到透镜成像光路中，经过透镜聚焦到待测样品上；出射的光斑由CCD接收。由于有几个台阶的厚度小于空心柱的厚度，所以这几个台阶产生的探测光要早于空心柱产生的泵浦光到达待测样品上，从而不受泵浦光的影响，产生负延迟信号，其他台阶由于厚度大于或等于空心柱的厚度，因此产生正延迟信号。这样就可以通过一个带有空心柱的圆形阶梯窗口完成单光束单脉冲的时间分辨测量。
本申请还提供一种超短单光束单脉冲时间分辨泵浦探测的方法，其探测步骤为：
1)待测样品架上不放待测样品，用CCD接收透过阶梯窗口后的光斑；CCD接收的光斑为线性参考光斑；
2)待测样品架上放上待测样品，用CCD接收透过阶梯窗口后经过样品后的光斑，CCD 接收的光斑为非线性光斑；
3)对上述获得的两个光斑进行处理，获得所需的检测材料的光学非线性参数。
优选的，所述步骤3)中的处理包括，对步骤1)中的线性参考光斑图像进行处理，将图像中同一曲线上的光斑通过图像处理软件转化为没有待测样品的线性曲线，再将步骤2)中的非线性光斑图像通过相同的方法进行处理，获得待测样品的非线性曲线；将待测样品的非线性曲线除以无样品时的线性曲线，进行归一化后获得材料时间分辨泵浦探测曲线；对归一化的时间分辨泵浦探测曲线进行拟合就可以得到相关光学参量的大小和寿命。
本申请还提供一种延时阶梯窗口，包括一个旋转对称结构的工作面，其工作面中心设置为一个中间具有一定深度的空心柱，空心柱周围设置为多层阶梯形状分布的台阶，所述台阶从旋转中心至边缘方向高度逐步降低；空心柱设置为自阶梯透镜中心台阶表面沿着旋转轴心线向材料内部沉陷的圆孔状结构，空心柱深度小于最低台阶表面深度。
阶梯窗口首先在中心位置做成一个空心圆柱，然而空心圆柱的深度和负延迟需要的时间及阶梯台阶高度有关，正常空心圆柱的深度要比最低的台阶高几个台阶，从而使探测光和泵浦光之间产生负延迟。由于延时阶梯窗口是呈阶梯状的分布，激光透射过每个阶梯后，透射后的光束之间会产生不同的光程差，从而每个光束之间就会产生时间延迟。通过受到泵浦光的激发后的非线性样品后，由于样品中的粒子布居数随着时间不断变化的，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时间特性曲线，从而可以确定各个能级的吸收截面和寿命。该方法提供的测量系统对光路的要求大大降低，减少了传统泵浦探测技术中对泵浦光与探测光间零延时点的寻找，无需对移动平台，测量的过程中只需要一个激光脉冲就可以得到待测样品的时间分辨泵浦探测曲线。
通过上述技术方案，利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、光路非常简单，只需透镜和CCD就可获得材料的时间分辨曲线；
2、无需使用分束镜将激光分为泵浦光和探测光；无需泵浦光路和探测光路两路光路，只需一束光路即可获得时间分辨曲线；
3、测量非常方便，没有样品的移动，只需要一个激光脉冲就可以获得时间分辨泵浦探测曲线，实验光路与传统泵浦探测光路相比非常简单；
4、本方法中无需传统光路中高精度的移动平台来实现时间延迟，只需要一个延时阶梯窗口就可以实现时间延迟；
5、该探测方法，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，利用本方法，能够保证测试参数全面，测试结果准确，极大地排除了不确定因素的干扰；另外本方法对光路要求简单，测试速度快捷。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本实用新型实施例一中的基于时间延迟阶梯窗口的泵浦探测方法的工作原理图；
图2为本实用新型实施例一中的延时阶梯窗口示意图。
1、入射激光束；2、阶梯窗口；3、凸透镜；4、待测样品架；5、CCD。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一：
如图1所示，一种超短单光束单脉冲时间分辨泵浦探测装置，沿着光轴方向依次包括：入射激光束1、阶梯窗口2、凸透镜3、待测样品架4、CCD5；所述入射激光束发出的光经过阶梯窗口后被凸透镜会聚至待测样品架上放置的待测样品上，所述CCD用于接收光斑信号；所述入射激光束、阶梯窗口、凸透镜、CCD组成成像系统；所述阶梯窗口包括一个旋转对称结构的工作面，其工作面中心设置为一个中间具有一定深度的空心柱，空心柱周围为多层阶梯形状分布的台阶，所述台阶从旋转中心至边缘方向高度逐步降低。
上述装置以透镜成像光路为基础，入射光经过延时阶梯窗口后经过凸透镜后会聚到样品上，透过样品后的光斑由处在成像位置的CCD探测，延时阶梯窗口可产生泵浦光和不同延迟时间的探测光；入射激光束1透过时间延时的阶梯窗口2后，由凸透镜3聚焦到待测样品架4上，经过待测样品架上的待测样品后，由CCD5接收；经过延时的阶梯窗口2后产生的泵浦光由凸透镜3聚焦到待测样品上，使待测样品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阶梯窗口2产生的探测光序列的吸收产生影响，又由于粒子布居数随时间是不断变化的，经过阶梯窗口2透射后的探测光束可以对不同时刻的变化进行探测，并被CCD 5接收。
在本实施例中，激光光束为Light Conversion公司的掺镱光纤(Yb:KGW)飞秒激光器倍频以后的515nm激光，脉宽190fs，CCD为ADIMEC-4020m。待测样品为硒化锌(ZnSe)，在515nm处为双光子吸收光学非线性，阶梯窗口的阶梯高度为24μm，阶梯宽度为100μm。
具体的探测步骤为：1)不放置待测样品，CCD 5接收探测光的光斑，为线性参考光斑；2)将待测样品放置在探测光路中，CCD5接收探测光的光斑，为非线性光斑；3)对步骤1)中的线性图像进行处理，将图像中同一曲线上的光斑通过图像处理软件转化为没有待测样品的线性曲线，再将步骤2)中的光斑通过相同的方法进行处理，获得待测样品的非线性曲线，将待测样品的非线性曲线除以无样品时的线性曲线，进行归一化后获得材料时间分辨泵浦探测曲线。
对于ZnSe非线性测量的实验和理论计算具体过程如下：
由于和泵浦光相比探测光能量很弱，所以泵浦光的双光子吸收成为自由载流子产生的唯一途径，其速率可表示为：
式中的Ie为泵浦光样品处的光强，τr为自由载流子寿命，自由载流子引起的吸收系数的改变正比于过剩载流子浓度，可以表示成：
Δαf＝σαΔN(t) (2)
式中σα为自由载流子吸收截面，考虑到束缚电子效应和自由载流子共同效应的结合，利用薄样品和慢变振幅近似，探测光和泵浦光在ZnSe晶体内部的传播公式为：
式中的Ip表示探测光的光强，可以利用公式结合泵浦探测实验数据，直接确定ZnSe 内部的光学非线性机制，准确地获得相应的光物理参数。利用一个衰减片放在样品之前，由于泵浦光的光强比较低，材料的非线性效应非常弱，基本没有变化，周围的探测光经过样品时就为线性透过，没有任何变化。当把衰减片放置到样品之后，较强的泵浦光就会激发样品产生非线性，对于周围圆环式的探测光序列，由于玻璃的折射率要大于周围空气的折射率，因此越低台阶产生的探测光与泵浦光之间的时间延迟越小，比中心圆柱还要低的台阶产生的时间延迟要比泵浦光提前通过样品，即为负延迟，此时这几个台阶的探测光为线性光斑，当台阶高度和中心圆柱的高度接近时，泵浦光和探测光时间重叠，即为零延时附近。由于ZnSe的非线性机制为双光子吸收的瞬态吸收过程，所以在脉冲宽度时间内存在一个快速的吸收的过程，表现在光斑图像中为该处的光强比线性光斑要弱。
实施例二：
一种延时阶梯窗口，如图2所示，包括一个旋转对称结构的工作面，其工作面中心设置为一个中间具有一定深度的空心柱，空心柱周围为多层阶梯形状分布的台阶，所述台阶从旋转中心至边缘方向高度逐步降低；空心柱为自阶梯透镜中心台阶表面沿着旋转轴心线向材料内部沉陷的圆孔状结构，孔深度小于最低台阶表面深度。
具体的一个实例：空心柱直径D为6mm，每个台阶的宽度w为50微米，高度h为24 微米，阶梯窗口材料的折射率为1.5，因此每个台阶产生的延迟时间为40fs，一共200个台阶，台阶总高度H1为4.8mm，产生的延迟时间总长为8ps。空心柱的深度H2为4.68mm。空心柱的底面深度要比最低台阶表面深度小0.12mm，即5个台阶的高度，因此空心柱产生的泵浦光要比最低的5个台阶产生的探测光延迟200fs，为负延迟。其他台阶产生探测光的时间要晚于空心柱产生的泵浦光时间，为正延迟。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (5)
1.一种超短单光束单脉冲时间分辨泵浦探测装置，其特征在于，沿着光轴方向依次包括：入射激光束、阶梯窗口、凸透镜、待测样品架、CCD；所述入射激光束发出的光经过阶梯窗口后被凸透镜会聚至待测样品架上放置的待测样品上，所述CCD用于接收光斑信号；所述入射激光束、阶梯窗口、凸透镜、CCD组成成像系统；所述阶梯窗口包括一个旋转对称结构的工作面，其工作面中心设置为一个中间具有一定深度的空心柱，空心柱周围为多层阶梯形状分布的台阶，所述台阶从旋转中心至边缘方向高度逐步降低。
2.根据权利要求1所述的一种超短单光束单脉冲时间分辨泵浦探测装置，其特征在于，所述阶梯窗口放置在凸透镜的物平面上，所述CCD放置在凸透镜的像平面上。
3.根据权利要求1所述的一种超短单光束单脉冲时间分辨泵浦探测装置，其特征在于，所述凸透镜可替换为4f成像系统，阶梯窗口放置在4f成像系统的物平面上，CCD放置在4f成像系统的像平面上。
4.根据权利要求1所述的一种超短单光束单脉冲时间分辨泵浦探测装置，其特征在于，所述阶梯窗口的阶梯的宽度由成像系统中所成像大小与待测样品大小的比值及CCD像素尺寸决定，算法为阶梯窗口的宽度＝N×CCD像素尺寸/系统放大倍数，N为每个阶梯所占像素的个数；阶梯高度＝延迟时间分辨率×光速/(阶梯窗口材料折射率-1)，空心柱的直径小于入射激光束的直径。
5.一种延时阶梯窗口，包括一个旋转对称结构的工作面，其特征在于，其工作面中心设置为一个中间具有一定深度的空心柱，空心柱周围设置为多层阶梯形状分布的台阶，所述台阶从旋转中心至边缘方向高度逐步降低；空心柱设置为自阶梯透镜中心台阶表面沿着旋转轴心线向材料内部沉陷的圆孔状结构，空心柱深度小于最低台阶表面深度。
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| CN110658161B (zh) * | 2019-11-12 | 2024-02-23 | 苏州大学 | 超短单光束单脉冲时间分辨泵浦探测装置及方法及延时阶梯窗口 |
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Granted publication date: 20201127 Effective date of abandoning: 20240223 |
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