JP2759115B2 - Measurement device for third-order nonlinear optical characteristics - Google Patents

Measurement device for third-order nonlinear optical characteristics

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JP2759115B2
JP2759115B2 JP25504689A JP25504689A JP2759115B2 JP 2759115 B2 JP2759115 B2 JP 2759115B2 JP 25504689 A JP25504689 A JP 25504689A JP 25504689 A JP25504689 A JP 25504689A JP 2759115 B2 JP2759115 B2 JP 2759115B2
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nonlinear optical
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憲一 久保寺
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は物質の3次非線形光学特性、特に3次の感受
率を測定する装置に関するものである。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for measuring a third-order nonlinear optical characteristic of a substance, in particular, a third-order susceptibility.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、物質の光非線形特性、特に3次の感受率χ(3)
を測定するために、レーザ光等の大強度光ビームを物質
に照射し、その結果生じる第3高調波(TH波)の強度を
測定する第3高調波発生法(THG法)が用いられてい
る。このようなTHG法の場合、標準試料として既に3次
感受率χ(3)の値が判明している物質を用い、標準試料
から発生するTH波の強度と、測定対象の物質から成る測
定試料から発生するTH波の強度との比から対象物質のχ
(3)値を算出する。以下に、従来のTHG法による測定装置
(THG測定装置)を、図面を用いて説明する。
Conventionally, optical non-linear characteristics of materials, especially third-order susceptibility χ (3)
The third harmonic generation method (THG method) that irradiates a substance with a high-intensity light beam such as a laser beam to measure the intensity of a third harmonic (TH wave) resulting therefrom is used. I have. In the case of such a THG method, a substance whose tertiary susceptibility χ (3) is already known is used as a standard sample, and the intensity of the TH wave generated from the standard sample and the measurement sample composed of the substance to be measured are used. From the intensity of the TH wave generated from the
(3) Calculate the value. Hereinafter, a conventional measuring device using the THG method (THG measuring device) will be described with reference to the drawings.

第5図はTHG測定装置の従来例を説明するための図で
あって、符号1はχ(3)測定の対象物質からなる測定試
料であり、回転試料台2の上に固定されている。測定試
料1は固体(非晶質、単結晶、蒸着膜等)、液体(溶液
等)、気体のどの状態のものでもよく、厚さが一定であ
ればいかなる形状とされてもよい。ただし、液体および
気体等の場合には、一般にそれを入れる容器が用いられ
るが、容器からのTH波の影響を避けるために、χ(3)
充分小さいガラス製の容器が用いられる。
Figure 5 is a diagram for explaining a conventional example of a THG measuring apparatus, reference numeral 1 is the measured sample of the target substance chi (3) measure, is fixed on a rotating sample stage 2. The measurement sample 1 may be in any state of a solid (amorphous, single crystal, vapor-deposited film, etc.), liquid (solution, etc.) and gas, and may have any shape as long as the thickness is constant. However, in the case of liquids and gases, a container for containing the liquid is generally used, but a glass container having a sufficiently small χ (3) is used to avoid the influence of the TH wave from the container.

また符号4は、角周波数ωを持つ大強度の光ビーム3
を発振させる高出力レーザである。この高出力レーザ4
と前記試料台2の間には、集光レンズ5が設けられてお
り、高出力レーザ4により発生した光ビーム3は、この
集光レンズ5によって試料1の位置に収束されるように
なっている。集光レンズ5の焦点距離は、通常100mmか
ら50mm程度とされている。そして前記光ビーム3が試料
1に照射されることによって、角周波数3ωを持つ第3
の高調波(TH波)7が発せられる。
Reference numeral 4 denotes a high intensity light beam 3 having an angular frequency ω.
Is a high output laser that oscillates. This high power laser 4
A condenser lens 5 is provided between the sample stage 2 and the sample stage 2, and the light beam 3 generated by the high-power laser 4 is converged to the position of the sample 1 by the condenser lens 5. I have. The focal length of the condenser lens 5 is usually set to about 100 mm to 50 mm. When the light beam 3 irradiates the sample 1, a third light having an angular frequency of 3ω is obtained.
(A TH wave) 7 is emitted.

また試料1の出射側には、フィルター6および光検出
器8が配されている。このフィルター6は前記試料1を
通過した際発せられた角周波数3ωの第3高調波(TH
波)および角周波数ωの光ビームが入射して、角周波数
ωを持つ光ビームを吸収し、角周波数3ωを持つTH波7
を通過させるものである。このTH波7は前記光検出器8
によって検出されるようになっている。
On the emission side of the sample 1, a filter 6 and a photodetector 8 are arranged. The filter 6 has a third harmonic (TH) having an angular frequency of 3ω emitted when passing through the sample 1.
Wave) and a light beam having an angular frequency of ω are incident, absorb a light beam having an angular frequency of ω, and obtain a TH wave having an angular frequency of 3ω.
Through. The TH wave 7 is applied to the photodetector 8
Is to be detected.

次に、第5図に示した装置によりTH波を測定した結果
を第6図に示す。この図は、前記試料台2を回転させて
入射光ビーム3が試料1に入射する入射角θを変化させ
た場合のTH波の変化を示している。第6図中(a)は、
厚さが100μm程度の充分な厚さを持つ測定試料を用い
た際の結果であり、ここで得られたパターンはメーカフ
リンジパターンと呼ばれる。詳細は省略するが、このパ
ターンより試料のコヒーレント長Lcが、またパターンの
包絡線のピーク値からTH波の強度Iが求まる。(b)
は、厚さが1μm程度の薄い測定試料を用いた際の結果
であり、シングルフリンジパターンと呼ばれるパターン
が得られる。このパターンからTH波の強度Iが求まる。
また(c)は、標準試料である厚さ1mmの石英板を用い
た際の結果であり、この結果より、標準試料のコヒーレ
ント長Lc,sおよび強度Isが求まる。石英板は材質が安定
しておりデータの再現がよいために、標準試料として頻
繁に用いられている。
Next, FIG. 6 shows the result of measuring the TH wave by the apparatus shown in FIG. This figure shows a change in the TH wave when the sample stage 2 is rotated to change the incident angle θ at which the incident light beam 3 enters the sample 1. (A) in FIG.
The results are obtained when a measurement sample having a sufficient thickness of about 100 μm is used, and the pattern obtained here is called a maker fringe pattern. Although the details are omitted, the coherent length Lc of the sample is obtained from this pattern, and the intensity I of the TH wave is obtained from the peak value of the envelope of the pattern. (B)
Is a result when a thin measurement sample having a thickness of about 1 μm is used, and a pattern called a single fringe pattern is obtained. From this pattern, the intensity I of the TH wave is obtained.
(C) is a result when a quartz plate having a thickness of 1 mm, which is a standard sample, is used. From this result, the coherent length Lc, s and intensity Is of the standard sample are obtained. Quartz plates are frequently used as standard samples because of their stable material and good data reproduction.

試料1のχ(3)の値は、第6図(a)のようなメーカ
フリンジパターンを生じる試料、例えば厚さが数十μm
から1mm程度の単結晶や液体、気体試料に対しては、
式; χ(3)=Cχ(3)s(Lc,s/Lc)(I/Is)1/2 から求めることができ、また、第6図(b)のようなシ
ングルフリンジパターンを生じる試料、例えば厚さdが
0.1μmから10μm程度の蒸着膜等の薄膜試料では、
式; χ(3)=Cχ(3)s(Lc,s/d)(I/Is)1/2(2/π) から求めることができる。ただし、Cは定数で、標準試
料と測定試料の屈折率により決まるが、両試料の屈折率
等が小さいときは1に近い値を持つ。またχ(3)sは標準
試料のχ(3)値で既知である。
The value of χ (3) of sample 1 is a sample that produces a maker fringe pattern as shown in FIG.
For a single crystal, liquid or gas sample of about 1 mm from
(3) = Cχ (3) A sample which can be obtained from s (Lc, s / Lc) (I / Is) 1/2 and produces a single fringe pattern as shown in FIG. 6 (b). For example, if the thickness d is
For a thin film sample such as a deposited film of about 0.1 μm to 10 μm,
(3) = Cχ (3) s (Lc, s / d) (I / Is) 1/2 (2 / π) Here, C is a constant, which is determined by the refractive indexes of the standard sample and the measurement sample. Χ (3) s is known as the χ (3) value of the standard sample.

また上記の例では、通常測定試料として等方性の物質
が用いられているが、光学的に異方性を有する結晶試料
が試料として用いられてもよい。結晶の多くは主要な光
学軸をもっており、この異方性を考慮する必要がある。
3次感受率χ(3)はテンソルで81個の成分を持つ。中で
も3次非線形光学特性として主要なものは前記光学軸に
沿ったχ(3) 1111とそれに垂直方向のχ(3) 2222である。
In the above example, an isotropic substance is usually used as the measurement sample, but a crystal sample having optical anisotropy may be used as the sample. Many crystals have a major optical axis and this anisotropy needs to be considered.
The third order susceptibility χ (3) has 81 components in the tensor. Among them, 3 (3) 1111 along the optical axis and χ (3) 2222 in a direction perpendicular to the optical axis are the main third-order nonlinear optical characteristics.

次に、上記第5図の装置を用いて、このような異方性
結晶のテンソル成分を求める方法について説明する。
(W.K.BurnsおよびN.Bloembergen、Physical Review B
誌 第4巻,3437頁、1971年 参照)。
Next, a method of obtaining the tensor component of such an anisotropic crystal using the apparatus shown in FIG. 5 will be described.
(WKBurns and N. Bloembergen, Physical Review B
Journal, Vol. 4, p. 3437, 1971).

この場合、まず、χ(3) 1111に対応する光学軸が結晶
表面と平行になるように結晶を加工して測定試料を作製
する。さらに、第5図の入射光ビーム3として直線偏光
を持つ光ビームを用い、偏光方向が光学軸と平行になる
ように、かつ、回転試料台の回転軸が偏光方向と平行に
なるように設定する。即ち、s波の配置で入射する。こ
のとき得られる値が第一のχ(3)値、すなわち、χ(3)
1111である。
In this case, first, the crystal is processed so that the optical axis corresponding to χ (3) 1111 is parallel to the crystal surface, and a measurement sample is prepared. Further, a light beam having linear polarization is used as the incident light beam 3 in FIG. 5, and the polarization direction is set so as to be parallel to the optical axis, and the rotation axis of the rotating sample stage is set to be parallel to the polarization direction. I do. That is, the light is incident in the s-wave arrangement. The value obtained at this time is the first χ (3) value, that is, χ (3)
1111 .

次に、s波入射のまま、この結晶を光ビームの軸を中
心に90度回転させて、TH波を測定すればχ(3) 2222値が
得られる。
Next, with the s-wave incident, the crystal is rotated by 90 degrees about the axis of the light beam, and the TH wave is measured to obtain χ (3) 2222 value.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

上記方法によれば、原則的に、結晶軸配置が異なる2
つの結晶試料を用いて任意のテンソル成分を求めること
ができる。
According to the above method, in principle, the crystal axis arrangement is different.
An arbitrary tensor component can be obtained using one crystal sample.

しかしながら、測定対象となる結晶を、必要とするχ
(3)のテンソル軸が試料面と平行に含まれるように精度
よく加工しなければならず、高度の技術が必要であるば
かりか、分子性結晶などの場合は加工が難しかったり、
加工できない場合が多いという大きな問題があった。
However, a crystal to be measured is required.
Processing must be performed with high precision so that the tensor axis of (3) is included in parallel with the sample surface, which requires not only advanced technology but also difficulties in the case of molecular crystals, etc.
There was a major problem that processing was often impossible.

本発明は、前記のような問題を解決し、異方性結晶の
3次感受率χ(3)の複数の成分を簡便、低コストかつ正
確に評価することのできる3次非線形光学特性の測定装
置を提供すること目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-described problems, and provides a simple, low-cost, and accurate measurement of a third-order nonlinear optical characteristic that can evaluate a plurality of components of the third-order susceptibility χ (3) of an anisotropic crystal. It is intended to provide a device.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

本発明では、角周波数ωの光ビームを発する光源と、
光源から発振された光ビームを試料に収束させるための
集光レンズと、前記試料を固定する試料台と、試料から
発せられた角周波数3ωの第3高調波を測定する光検出
器を有してなる3次非線形光学特性の測定装置におい
て、前記光源と集光レンズの間に、光源からの光ビーム
の偏光状態を、互いに直行する2方向の直線偏波状態に
変換する偏光変換器を設けるか、あるいは、前記試料台
を、互いに直行する2方向の回転軸を有する回転試料台
としたことを解決手段とした。
In the present invention, a light source that emits a light beam having an angular frequency ω,
It has a condenser lens for converging a light beam oscillated from a light source on a sample, a sample stage for fixing the sample, and a photodetector for measuring a third harmonic having an angular frequency of 3ω emitted from the sample. In the tertiary nonlinear optical characteristic measuring apparatus, a polarization converter is provided between the light source and the condenser lens to convert a polarization state of a light beam from the light source into a linear polarization state in two directions orthogonal to each other. Alternatively, the solution is that the sample stage is a rotating sample stage having two orthogonal rotation axes perpendicular to each other.

〔作用〕[Action]

上記偏光変換器を設けてなる構成の装置によれば、光
源からの光ビームの偏光状態を互いに直交する2方向の
直線偏波状態に変換するようになるので、2方向の偏光
に対する第3高調波の測定を行って、両者の結果を比較
すれば、容易にかつ正確に、光学的異方性結晶材料の3
次の感受率の任意方向のテンソル成分を求めることがで
きるようになる。
According to the apparatus having the configuration including the polarization converter, the polarization state of the light beam from the light source is converted into the linear polarization state in two directions orthogonal to each other. By measuring the wave and comparing the results of the two, it is easy and accurate to determine the optically anisotropic crystal material 3
The tensor component of the next susceptibility in any direction can be obtained.

また上記試料台を、互いに直行する2方向の回転軸を
有する回転試料台とした装置においても、同様にして、
光学的異方性結晶材料の3次の感受率の任意方向のテン
ソル成分を求めることができる。したがって、これらの
ような装置にあっては、従来の装置のように、光学的異
方性を有する結晶を予め加工せず、自然成長面を保った
まま、3次非線形光学特性を測定できるという大きな利
点を有している。
Similarly, in an apparatus in which the sample stage is a rotary sample stage having two orthogonal rotation axes,
A tensor component in any direction of the third-order susceptibility of the optically anisotropic crystal material can be obtained. Therefore, in such an apparatus, unlike a conventional apparatus, a crystal having optical anisotropy is not processed in advance, and a third-order nonlinear optical characteristic can be measured while maintaining a naturally grown surface. It has great advantages.

以下、実施例を示して、本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.

〔実施例〕〔Example〕

第1図に、本発明の3次非線形光学特性の測定装置の
一例で、THG測定装置の一例を示した。
FIG. 1 shows an example of a THG measuring apparatus as an example of the measuring apparatus of the third-order nonlinear optical characteristic of the present invention.

この例のTHG測定装置においては、光源4として、鉛
直方向の直線偏波を発するレーザが用いられており、ま
た、レーザ4と集光レンズ5との間に、光ビーム3の直
線偏波の偏光方向を90度回転させる偏光変換器9が設け
られている。試料台2の回転軸は従来の装置の例と同様
に、鉛直方向とされている。すなわち、偏光方向と回転
軸との関係は平行および垂直の2通りであり、それぞ
れ、s波配置およびp波配置に対応している。
In the THG measuring apparatus of this example, a laser emitting a vertical linearly polarized light is used as the light source 4, and the linearly polarized light of the light beam 3 is disposed between the laser 4 and the condenser lens 5. A polarization converter 9 for rotating the polarization direction by 90 degrees is provided. The rotation axis of the sample stage 2 is set to be vertical as in the case of the conventional apparatus. That is, the relationship between the polarization direction and the rotation axis is two kinds, parallel and perpendicular, and corresponds to the s-wave arrangement and the p-wave arrangement, respectively.

第2図に、前記偏光変換器9として用いられる石英ガ
ラスプリズムの一例を示した。この石英ガラスプリズム
は3個の小プリズムを組み合わせたものと等価であり、
入射光波長に全く依存せずに直線偏波の偏光方向を90度
回転させ、縦偏波を横偏波に、あるいは横偏波を縦偏波
に変換することができる。
FIG. 2 shows an example of a quartz glass prism used as the polarization converter 9. This quartz glass prism is equivalent to a combination of three small prisms,
By rotating the polarization direction of linearly polarized light by 90 degrees without depending on the wavelength of the incident light at all, it is possible to convert longitudinally polarized waves into laterally polarized waves or horizontally polarized waves into longitudinally polarized waves.

次に、本発明の第2実施例について説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described.

この例の装置は、上述の第1実施例の装置のような石
英ガラスプリズム等の偏光変換器9が配されておらず、
その代わりに、試料台2が、互いに直交する2方向の回
転軸を有する回転試料台とされている。
The device of this example does not include the polarization converter 9 such as a quartz glass prism as in the device of the first embodiment described above.
Instead, the sample stage 2 is a rotating sample stage having rotation axes in two directions orthogonal to each other.

第3図に、この回転試料台2の回転軸と入射光ビーム
3の偏光方向の位置関係を説明する図を示した。図中符
号1は、回転試料台に固定された試料である。今、試料
に入射する入射光ビーム3の入射方向をZとすると、回
転試料台2の回転軸は、この入射光ビーム3の偏光方向
に対して、平行方向(X軸方向)および垂直方向(Y軸
方向)の2通り設定できるようになっている。X軸を回
転軸とした場合がs波配置であり、Y軸を回転軸とした
場合が、p波配置である。
FIG. 3 shows a diagram for explaining the positional relationship between the rotation axis of the rotating sample stage 2 and the polarization direction of the incident light beam 3. Reference numeral 1 in the figure denotes a sample fixed to a rotating sample stage. Assuming that the incident direction of the incident light beam 3 incident on the sample is Z, the rotation axis of the rotating sample stage 2 is parallel (X-axis direction) and perpendicular (X-axis direction) to the polarization direction of the incident light beam 3. (Y-axis direction). The case where the X axis is the rotation axis is the s-wave arrangement, and the case where the Y axis is the rotation axis is the p-wave arrangement.

以下、第2実施例の装置を用い、光学的異方性結晶材
料を測定試料として用いて、3次非線形光学特性の測定
を行う方法を、第3図に用いて説明する。
Hereinafter, a method of measuring the third-order nonlinear optical characteristics using the optically anisotropic crystal material as a measurement sample using the apparatus of the second embodiment will be described with reference to FIG.

測定試料1としては、分子性結晶で異方性を有するジ
エチルアミノニトロスチルベン(DEANS)の単結晶(厚
さ60μm)を用いた。第3図にあるように、この結晶は
一軸性の異方性結晶であって、結晶内の分子の配向軸の
方向が結晶表面Sと平行でなく、配向角θで傾いてい
る。この様な試料の場合に評価が必要とされる値は、配
向角θとともに3次非線形光学定数である、配向軸に
沿ったχ(3)成分χ(3) 1111(=χ(3)‖)、および、そ
れに垂直方向の成分χ(3) 2222(=χ(3)⊥)である。
As the measurement sample 1, a single crystal of diethylaminonitrostilbene (DEANS) having a molecular crystal and anisotropy (thickness: 60 μm) was used. As in Figure 3, a crystal is uniaxial anisotropic crystal, the direction of the orientation axis of the molecule in the crystal is not parallel to the crystal surface S, is inclined at an orientation angle theta 0. In the case of such a sample, the value that needs to be evaluated is the 次(3) component χ (3) 1111 (= χ (3) along the orientation axis, which is the third-order nonlinear optical constant together with the orientation angle θ 0. ‖) And its vertical component χ (3) 2222 (= χ (3) ⊥).

以下にこれらの値を求める方法を述べる。 The method for obtaining these values is described below.

まず、s波配置で標準試料および測定試料をX軸の回
りに回転させ、第6図のようなメーカフリンジパターン
を測定する。この実施例の場合、分子の配向軸は結晶内
の仮想平面A内にある。測定試料1についての結果を第
4図(a)に示すが、第6図の従来例と類似したフリン
ジパターンが得られている。
First, the standard sample and the measurement sample are rotated around the X axis in an s-wave arrangement, and a manufacturer fringe pattern as shown in FIG. 6 is measured. In this embodiment, the orientation axis of the molecule is in a virtual plane A in the crystal. FIG. 4 (a) shows the result of the measurement sample 1, and a fringe pattern similar to the conventional example of FIG. 6 is obtained.

次に、p波配置で試料をY軸の回りに回転させて、フ
リンジパターンを測定する。測定試料1の結果を第4図
(b)に示すが、非対称の特異なフリンジパターンが得
られることがわかる。以上得られた結果に基き、前記θ
、χ(3)‖、およびχ(3)⊥を、以下の解析方法によっ
て決定する。
Next, the sample is rotated around the Y axis in a p-wave arrangement, and the fringe pattern is measured. FIG. 4 (b) shows the result of the measurement sample 1, and it can be seen that an asymmetric peculiar fringe pattern is obtained. Based on the results obtained above, the θ
0 , χ (3) χ, and χ (3) ⊥ are determined by the following analysis method.

s波配置のフリンジパターンの形状は入射角θを変数
とする関数Vsとして次の式で表すことができる。
The shape of the fringe pattern in the s-wave arrangement can be expressed by the following equation as a function Vs using the incident angle θ as a variable.

Vs=Cs(T1,s)3T3,s Ds2(χ(3)s)(Lc,s)2F(θ) ここでCsは定数で、ビームの角周波数ω、物質の屈折
率、光ビーム径、および入射光の強度により決まる。
T1,sおよびT3,sは試料表面での入射波およびTH波の透過
率で、通常のフレネル反射の式を用いる。Dsは光ビーム
径が試料の外部と内部で変化することによる係数で、次
式で与えられる。
Vs = Cs (T 1, s ) 3 T 3, s Ds 2 (χ (3) s) 2 (Lc, s) in 2 F (theta) where Cs is a constant, the angular frequency of the beam omega, refraction materials Rate, light beam diameter, and intensity of incident light.
T 1 s and T 3 s are the transmittances of the incident wave and the TH wave on the sample surface, and use a normal Fresnel reflection formula. Ds is a coefficient by which the light beam diameter changes between the outside and the inside of the sample, and is given by the following equation.

Ds=cosθ/cosθin ここでθは前記の入射角であり、θinはそれに対応し
た結晶内部での入射角である。χ(3)sは実効的なχ(3)
値であり、χ(3)‖とそれに垂直方向のχ(3)⊥の両方の
寄与を含んでおり、近似的に次の式で表される。
Ds = cos θ / cos θin Here, θ is the above-mentioned incident angle, and θin is the corresponding incident angle inside the crystal. χ (3) s is effective χ (3)
A value, chi (3) ‖ and it includes a vertical chi (3) the contribution of both ⊥, it is approximately expressed by the following equation.

χ(3)s=χ(3)‖cos3θ+χ(3)⊥sin3θ Lc,sもχ(3)sの場合と同様に、分子配向軸方向のコヒ
ーレント長Lc(Lc‖)とそれに垂直方向のLc(Lc⊥)を
用いて、次の式で表される。
χ (3) s = χ (3) ‖ cos 3 θ 0 + χ (3) ⊥ sin 3 θ 0 Lc, s is also the same as in (3) s, the coherent length Lc (Lc の) And Lc (Lc⊥) in the vertical direction, and is expressed by the following equation.

Lc,s={Lc‖2cos2θ+Lc⊥2sin2θ1/2 χ(3)sとLc,sの値は入射角θが変化悪しても一定であ
る。F(θ)は通常用いられるメーカフリンジパターン
の微細周期構造を表す式であり、光の入射角、コヒーレ
ント長、および結晶の厚さにより決まる。
Lc, s = {Lc‖ 2 cos 2 θ 0 + Lc⊥ 2 sin 2 θ 0} 1/2 χ (3) s and Lc, the value of s is constant even the incident angle theta change bad. F (θ) is an expression representing a fine periodic structure of a commonly used maker fringe pattern, and is determined by the incident angle of light, the coherent length, and the thickness of the crystal.

p波配置のフリンジパターンの形状関数Vpは、s波の
場合と同様に次の式で表すことができる。
The shape function Vp of the fringe pattern in the p-wave arrangement can be expressed by the following equation, as in the case of the s-wave.

Vp=Cp(T1,p)3T3,p Dp2(χ(3)p)(Lc,p)2F(θ) s波の場合と同様にCpは定数、T1,pおよびT3,pは試料
表面での入射波およびTH波の透過率、Dpは係数で次式で
与えられる。
Vp = Cp (T 1 , p) 3 T 3 , p Dp 2(3) p) 2 (Lc, p) 2 F (θ) As in the case of the s-wave, Cp is a constant, T 1 , p and T 3 , p is the transmittance of the incident wave and the TH wave on the sample surface, and Dp is a coefficient and is given by the following equation.

Dp=cosθ/cosθin また、χ(3)pは次式で表される。Dp = cos θ / cos θin Further, χ (3) p is expressed by the following equation.

χ(3)p=χ(3)‖cos3θr+χ(3)⊥sin3θr ここでθrは結晶内部で光ビームの偏光方向と分子の
配向軸とが成す角度であり、前記の入射角θinおよび配
向角θより次の式で表される。
χ (3) p = χ (3) ‖ cos 3 θr + χ (3) ⊥ sin 3 θr where θr is the angle between the polarization direction of the light beam and the molecular orientation axis inside the crystal, and the incident angle θin And the orientation angle θ 0 is expressed by the following equation.

θr=|θin−θ0| Lc,pもχ(3)pと同様に次式で表される。θr = | θin−θ 0 | Lc, p is also represented by the following equation, similarly to χ (3) p.

Lc,p={Lc‖2cos2θr+Lc⊥2sin2θr}1/2 s波の場合と異なり、χ(3)pとLc,pの値は入射角θの
値により変化する。F(θ)は微細構造を表す式である
が、以後フリンジパターンの包絡線の形状を解析するだ
けで充分であるので、無視できる。
Lc, unlike in the case of p = {Lc‖ 2 cos 2 θr + Lc⊥ 2 sin 2 θr} 1/2 s -wave, chi (3) p and Lc, the value of p is changed by the value of the angle of incidence theta. F (θ) is an expression representing the fine structure, but can be ignored since it is sufficient to analyze the shape of the envelope of the fringe pattern.

以上述べたフリンジパターンの形状関数VsおよびVpの
計算値と第4図の測定結果が一致するようにフィッティ
ングを行った。第4図(a)の結果からχ(3)sが3.3×1
0-12esu、Lc,sが1.4μmと決定された。さらに、これら
の値を用いて第4図(b)から、配向角θが45度、χ
(3)‖が7.0×10-12esuでχ(3)⊥はこの1/10という結果
を得た。フィッティングの計算結果は第4図(b)のと
おりで、測定結果の包絡線と良く一致している。
The fitting was performed so that the calculated values of the shape functions Vs and Vp of the fringe pattern described above coincide with the measurement results of FIG. From the results in FIG. 4 (a), χ (3) s is 3.3 × 1
0 -12 esu and Lc, s were determined to be 1.4 μm. Further, using these values, FIG. 4 (b) shows that the orientation angle θ 0 is 45 degrees, χ
(3) ‖ was 7.0 × 10 -12 esu and χ (3)を 得 obtained 1/10 of this result. The calculation result of the fitting is as shown in FIG. 4 (b), which agrees well with the envelope of the measurement result.

以上、本発明を実施例に基き具体的に説明したが、本
発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨
を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言
うまでもない。本実施例では、一軸性結晶で光学軸が試
料結晶表面に対して傾いている試料を用いた例を示した
が、もっと一般的に、例えば、二軸性結晶を試料として
用いた場にも本発明は適用可能である。さらに、試料と
して違法性をもつ薄膜を用いることもできる。従来の装
置では、これらの値を得るためには分子の配向軸に平行
な面を持つように結晶を加工しなければならなかった
が、本発明では結晶が自然成長した形状のままで測定を
行うことができるという大きな利点を有している。
As described above, the present invention has been specifically described based on the embodiments. However, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiments and can be variously modified without departing from the gist thereof. In this embodiment, an example is shown in which a uniaxial crystal is used, in which the optical axis is inclined with respect to the sample crystal surface.However, more generally, for example, a biaxial crystal is used as a sample. The present invention is applicable. Furthermore, an illegal thin film can be used as a sample. In the conventional apparatus, in order to obtain these values, the crystal had to be processed so as to have a plane parallel to the molecular orientation axis, but in the present invention, the measurement was performed with the crystal in a naturally grown shape. It has the great advantage that it can be done.

また、上記第1実施例ではs波、p波の両配置を実現
するための偏光変換器9として石英ガラスプリズムを用
いた例を示したが、この代わりに1/2波長板を用いても
良い。また、光源4としては高出力レーザに限らず、例
えば半導体スーパールミネッセンスダイオードなどを用
いても良い。
In the first embodiment, an example is shown in which a quartz glass prism is used as the polarization converter 9 for realizing both the s-wave and p-wave arrangements. good. Further, the light source 4 is not limited to a high-power laser, but may be, for example, a semiconductor superluminescent diode.

また、集光レンズ5として、焦点距離が70mm以下の光
学レンズを用いることもでき、これによれば、空気によ
るTH波の影響を最小限に抑え、空気中においても、物質
の3次感受率χ(3)を正確に測定することができるよう
になる。
In addition, an optical lens having a focal length of 70 mm or less can be used as the condenser lens 5. According to this, the influence of the TH wave due to air can be minimized, and the tertiary susceptibility of the substance in air can be reduced. χ (3) can be measured accurately.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように、本発明は、角周波数ωの光ビー
ムを発する光源と、光源から発振された光ビームを試料
に収束させるうための集光レンズと、前記試料を固定す
る試料台と、試料から発せられた角周波数3ωの第3高
調波を測定する光検出器を有してなる3次非線形光学特
性の測定装置において、前記光源と集光レンズの間に、
光源からの光ビームの偏光状態を、互いに直交する2方
向の直線偏波状態に変換する偏光変換器を設けるか、あ
るいは、前記試料台を、互いに直交する2方向の回転軸
を有する回転試料台としたものであるので、入射光ビー
ムの変更方向を等価的に90度回転させ測定試料にs波お
よびp波の配置で入射し、両者の場合のTH波パターンを
比較することによって、光学異方性を有する結晶材料を
加工せず、自然成長面を保ったまま、複数のχ(3)成分
を測定することができるようになる。このため、加工が
できない物質についても測定が可能で、簡便、低コスト
かつ高精度の3次の感受率の測定を行うことができる。
As described above, the present invention provides a light source that emits a light beam having an angular frequency ω, a condenser lens for converging a light beam oscillated from the light source on a sample, and a sample stage for fixing the sample, An apparatus for measuring a third-order nonlinear optical characteristic having a photodetector for measuring a third harmonic having an angular frequency of 3ω emitted from a sample, comprising:
A polarization converter for converting a polarization state of a light beam from a light source into a linear polarization state in two directions orthogonal to each other, or a rotating sample stage having a rotation axis in two directions orthogonal to each other; Therefore, the direction of change of the incident light beam is equivalently rotated by 90 degrees, and the incident light beam is incident on the measurement sample in the arrangement of the s-wave and the p-wave. By comparing the TH wave patterns in both cases, the optical difference is obtained. A plurality of χ (3) components can be measured without processing a crystalline material having anisotropy and maintaining a naturally grown surface. For this reason, it is possible to measure even a substance that cannot be processed, and it is possible to measure the susceptibility of the third order simply, at low cost and with high accuracy.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は、本発明の3次非線形光学装置の一例を示す構
成図、第2図は、本発明において用いられる光ビームの
偏光方向を回転させる偏光変換器の一例を示す図、第3
図は、本発明において用いられる回転試料台の回転軸と
入射光ビームの偏光方向との位置関係を示す図、第4図
は、本発明の実施例において光学異方性を有する結晶材
料を試料として用いた際のTH波のフリンジパターンを示
す図、第5図は、従来のTHG測定装置の一例を示す構成
図、第6図は、従来例による測定試料および標準試料の
測定結果を示す図である。 1……試料、2……試料台、 3……角周波数ωの入射光ビーム、 4……光源、5……集光レンズ、 7……角周波数3ωの第3高調波(TH波)、 8……光検出器、9……偏光変換器。
FIG. 1 is a block diagram showing an example of a third-order nonlinear optical device according to the present invention. FIG. 2 is a diagram showing an example of a polarization converter for rotating the polarization direction of a light beam used in the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a positional relationship between a rotation axis of a rotating sample stage used in the present invention and a polarization direction of an incident light beam, and FIG. 4 is a diagram showing a sample of a crystalline material having optical anisotropy in an embodiment of the present invention. FIG. 5 is a diagram showing a fringe pattern of a TH wave when used as a device, FIG. 5 is a configuration diagram showing an example of a conventional THG measurement device, and FIG. 6 is a diagram showing measurement results of a measurement sample and a standard sample according to a conventional example. It is. 1 ... sample, 2 ... sample stage, 3 ... incident light beam of angular frequency ω, 4 ... light source, 5 ... condensing lens, 7 ... third harmonic (TH wave) of angular frequency 3ω, 8: photodetector, 9: polarization converter.

フロントページの続き (72)発明者 戒能 俊邦 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−98547(JP,A) 特開 平3−115952(JP,A)Continuation of the front page (72) Inventor Toshikuni Kaino 1-6-6 Uchisaiwaicho, Chiyoda-ku, Tokyo Nippon Telegraph and Telephone Corporation (56) References JP-A-63-98547 (JP, A) JP-A-3-115595 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】各周波数ωの光ビームを発する光源と、光
源から発振された光ビームを試料に収束させるための集
光レンズと、前記試料を固定する試料台と、試料から発
せられた角周波数3ωの第3高調波を測定する光検出器
を有してなる3次非線形光学特性の特性装置において、 前記光源と集光レンズの間に、光源からの光ビームの偏
光状態を、互いに直交する2方向の直線偏波状態に変換
する偏光変換器を設けるか、あるいは、前記試料台を、
互いに直交する2方向の回転軸を有する回転試料台とし
たことを特徴とする3次非線形光学特性の測定の装置。
1. A light source for emitting a light beam of each frequency ω, a condenser lens for converging a light beam oscillated from the light source on a sample, a sample stage for fixing the sample, and an angle emitted from the sample. In a characteristic device having a third-order nonlinear optical characteristic having a photodetector for measuring a third harmonic having a frequency of 3ω, a polarization state of a light beam from a light source is orthogonal to that between the light source and a condenser lens. Provide a polarization converter for converting to a two-way linear polarization state, or,
An apparatus for measuring tertiary nonlinear optical characteristics, wherein the apparatus is a rotating sample stage having rotation axes in two directions orthogonal to each other.
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