一种高灵敏度频域滤波挡板z扫描测量材料非线性的方法

专利名称：一种高灵敏度频域滤波挡板z扫描测量材料非线性的方法
技术领域：
本发明所涉及的是ー种測量材料的光学非线性的方法，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。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。測量材料光学非线性方法有很多，如非线性干渉法，简并四波混频、近简并三波混频，椭圆偏振法，光束畸变法等。其中Z扫描方法(Mansoor Sheik-Bahae,Ali A. Said, Tai-Hui Wei, David J. Hagan, E. ff. Van Stryland. “Sensitive measurementof optical nonlinearities using a single beam，，，IEEE J. Quantum Elect, 26,760-769(1990))光路简单、灵敏度高，是目前最常用測量材料光学非线性的方法，PO Z-scan 技木 uunyi Yang and Yinglin Song,“Direct observation of the transientthermal-Iensing effect using the phase-ooject Z-scan technique，，，OpticsLetters, 34 :157-159(2009))就是在传统Z_scan的基础上，在透镜的前焦面的位置加ー个相位物体。与传统Z-scan相比，所測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。平顶光束Z扫描(zhao w. Palffy-Muhoray P., " z-scantechnique using top hat beams " , Appl Phys lett, 63 :1613-1615 (1993)),将 z 扫描测量灵敏度提高 2· 5 倍，日蚀法 Z 扫描(Τ. Xia, D. J. Hagan, M. sheik-Bahae, andE. ff. VanStryland, “eclipsing z-sdan measurement of λ/10' wave-front distortion,Opticsletters, 19 :317-319(1994))利用圆片取代普通Z扫描装置的远场小孔，并用放在它后面的透镜收集边缘光束进入探測器，能够测量约λ/10_4的波前畸变，但是由于边缘光强较弱，边缘噪声降低了測量信噪比，从而限制了灵敏度进ー步提高。

发明内容
本发明的目的是提供一种高灵敏度频域滤波挡板ζ扫描测量材料非线性的方法，通过频域滤波技术，能大大降低系统噪声，从而使測量灵敏度比普通ζ扫描提高两个量级。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是一种高灵敏度频域滤波挡板Z扫描测量材料非线性的方法，包括如下步骤将ー束激光进行扩束准直后，入射至一圓形光阑，通过光阑的光束由第一半透半反镜分为两束其中一束为监测光，经凸透镜会聚后由第一探測器记录，另一束为探测光，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；所述待测样品可通过位移平台在第一凸透镜的焦平面附近左右移动；经过所述待测样品调制激光脉冲被第二半透半反镜分为两束其中一束经第二凸透镜会聚后被第二探測器接收(开孔)，另一束经过第三凸透镜会聚后进入第三探測器(闭孔)；在所述圆形光阑经由第一凸透镜和第三凸透镜组成的透镜组后成像的像平面位置放置一同轴圆形挡板，在所述第一凸透镜焦点经第三凸透镜成像像点位置放置一同轴滤波小孔；具体測量步骤为(I)在远离第一凸透镜焦点位置放置待测样品，在脉冲激光作用同时，使待测样品由在第一凸透镜的焦点左侧向右侧方向或者由在焦点右侧向左侧方向运动，记录样品运动过程中在不同位置由第二探測器、第三探測器所测能量分别与第一探測器所测能量比值；(2)对步骤(I)中获得的比值曲线进行处理，获得所需的检测材料的光学非线性吸收和非线性折射系数。上述技术方案中，所述步骤(2)中的对比值曲线进行处理包括将步骤(I)中得到的比值数列与该数列中初始数值相除，得到样品归一化的非线性透过率曲线，对归一化的非线性透过率曲线进行理论拟合得到非线性吸收和非线性折射系数。上述技术方案中，所述圆形光阑和圆形挡板组合后的透过率小于O. I。
本发明的技术方案中，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，与非线性折射无关，所以开孔的透过率与材料的非线性吸收相关。另ー方面，样品产生的非线性相移随激光的光强的变化而变化。这样，在焦平面附近样品对光脉冲调制相当于附加一个变化的非线性相移。附加的非线性相移就会引起远场衍射光斑的光强分布变化，从而就会引起挡板的透过率的变化。远场衍射光斑边缘能量的变化要比主光斑透过小孔能量的变化要得大，因此在远场用挡板来代替小孔，所得归ー化非线性透过率的灵敏度要比透过小孔归ー化非线性透过率要高。由于边缘衍射光较弱，实验中受背景噪声较大，本发明中通过第三凸透镜的光线会聚于滤波小孔位置，能量探头置于滤波小孔后，与日蚀法不同之处在于，通过挡板的光线为会聚光波，无需再使用透镜收集光斑，大大降低了背景噪声，另外第一凸透镜焦点附近放置样品，无法实现频域滤波，而通过第三凸透镜对频谱面成像后放置滤波小孔，相当于在频域进行低通滤波，可有效消除背景噪声对測量结果影响。样品移动过程中在第一凸透镜焦平面位置产生非线性相移达到最大值，归ー化的非线性透过率也最大，所以，如果样品放置在焦平面位置，在ー个单脉冲光作用下，通过测量整个能量变化也可以测量样品非线性吸收系数和非线性折射系数。本发明方法用一种全新的思路实现了对光学非线性的測量，同其他非线性光学测量技术相比，具有以下优点I、本发明对传统ζ扫描进行优化，对样品所在频谱面成像并设置滤波小孔，大大提闻系统抗噪能力。2、本发明入射圆形光阑与挡板组合，大大降低线性背景，将测量灵敏度提高2个量级。3、本发明可实现单脉冲测量，解决了待测样品易损伤问题。4、采用本发明的方法，可以同时测量样品非线性吸收和非线性折射的大小。5、本发明所述的测量方法，可以广泛地应用于非线性光学測量、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領域，尤其是非线性光功能材料的测试和改性等关键环节，利用本发明方法，可以极大地减少测量成本(无需移动平台和CCD)，并能够保证测试參数全面，测试结果准确。


图I是本发明高灵敏度频域滤波挡板ζ扫描测量材料非线性吸收和非线性折射系数方法的工作原理图。图2是本发明方法的装置示意图。其中1、入射激光束；2、扩束凸透镜；3、准直凸透镜；4、圆形光阑；5、半透半反分束器；6、凸透镜；7、第一探測器；8、凸透镜；9、待测样品；10、一维平移平台；11、凸透镜；12、第二探測器；13、半透半反分束器；14、凸透镜；15、圆形挡板；16、滤波小孔；17、第三探測器。图3是本发明实施例中的圆形光阑示意图。图4是本发明实施例中的圆形挡板示意图。图5是本发明实施例中的滤波小孔示意图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明作进ー步描述參见图I所示，一种高灵敏度频域滤波挡板Z扫描测量材料非线性的方法，光路由分束器、凸透镜、小孔、不透光挡板、能量探測器等组成；脉冲激光聚焦于待测样品9上。附图2是本发明一种高灵敏度频域滤波挡板Z扫描测量材料非线性的方法的实验装置图。实验装置可以分为扩束系统、測量系统和參考系统三部分。扩束系统由扩束凸透镜2和准直凸透镜3组成；测量系统由圆形光阑4、凸透镜8、样品ー维平移平台10、半透半反分束器13、凸透镜14、圆形挡板15、滤波小孔16、第二探測器12、第三探測器17以及凸透镜11组成。其中，待测样品9放置在一维平移平台10上，从激光器出射的脉冲激光首先经过扩束系统扩束，扩束后的激光经过圆形光阑4后形成平顶光，光束经凸透镜8会聚到放置在其焦点附近的样品上，受待测样品9光学非线性调制后脉冲激光的光强和相位发生变化，从样品透射的脉冲激光经过半透半反分束器13分为两束，一束经凸透镜11会聚后由第ニ探測器12接收；另一束激光经凸透镜14、圆形挡板15及滤波小孔16后由第三探測器17接收。參考系统由半透半反分束器5、凸透镜6、第一探測器7组成。从圆形光阑4出来的激光被分束镜分为两束，其中一束经凸透镜6会聚后由第一探測器7接收，即为參考光。图2为圆形光阑4的示意图。图3为圆形挡板15的示意图，挡板不透光。图4为圆形滤波小孔16的示意图。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)的两探测器连接在能量计(Rj-7620ENERGY RATIOMETER, Laserprobe)。待测样品为ニ硫化碳(CS2)。具体的检测步骤为(1)调节凸透镜2、凸透镜3、凸透镜8、凸透镜14、圆形光阑4、圆形挡板15、滤波小孔16共轴，样品放置于ー维平移平台10上，位置靠近凸透镜8焦点。
(2)样品在脉冲光作用同吋，向凸透镜8的焦点另ー侧移动，第一探測器7、第二探測器12、第三探測器17分别同步记录经过分束器5、分束器13、以及滤波小孔16能量序列数值，其采样频率应与脉冲激光器脉冲重复频率一致。(3)将第二探測器12测得能量序列除以第一探測器7测得能量系列，为样品吸收曲线，再用该数列数值除以该序列第一个元素进行归一化处理，得出样品非线性吸收系数。(4)将第三探測器17测得能量序列除以第一探測器7测得能量系列，归ー化后为非线性吸收、折射曲线。(5)利用(3)所得非线性吸收系数和
(4)中非线性吸收、折射曲线计算非线性折射系数。对于CS2非线性测量的实验和理论计算具体过程如下假设入射光束为基模高斯光，其场强表达式为
r2t 2O =^0 exP Γ exp
い」Lむ」⑴式中，E0为脉冲激光的最大场强值，r为光束的半径，为入射光束的束腰半径， τ为脉冲光Ι/e半宽的时间。圆形光阑4的透过率为t (r) = I (r ^ Ra)或 t (r) = O (r > Ra)(2)式中，Ra为圆形光阑4的半径。圆形光阑4后的场强分布为E01 (r, t) = E(r, t) t (r)(3)传播到样品表面的光场可通过两次菲涅尔衍射公式得到，设为Etl2，在样品中，考虑慢变振幅近似和薄样品近似的情況，脉冲激光的振幅和相位变化在样品中传播满足— = -(α0+β )
Αφ , Γ~TV^kn21
dz'(4)式中，n2为样品的非线性折射系数，为样品的线性吸收率，β为样品的非线性吸收系数，I= |Ε02|2(ζ/ = O处)为作用在样品上的光強。Z'激光在样品中传播的光程。则样品后表面的光场为Em(TlJ) = E02^,t)e^LI2 (I +⑶不考虑样品非线性吋，则样品后表面的光场为E' O3 = E02(6)从样品的后表面传播到圆形挡板以及滤波小孔的光场可通过菲涅尔衍射公式得至IJ，设为Etl4t5若不考虑样品非线性，即为线性透过，则为Etl4t5对挡板处的光强进行空间和时间的积分，可得到通过挡板的能量。将此能量与在不考虑样品非线性的情况下得到的通过挡板的能量相比，就得到通过圆形小孔和挡板组合的归ー化非线性透过率
fir 2灯21 五。412 却*匚[:2^^(9)如果挡板的半径取O (即没有挡板)，则可得到开孔的透过率情況。对开孔和闭孔的归ー化非线性透过率进行拟合，就可以得到样品的非线性吸收和非线性折射系数。在本实施例中，入射能量为O. 11 μ J，产生平顶光的圆形光阑4半径为4. 8mm，其距离凸透镜8的距离为206mm ;凸透镜8的焦距为412mm ;凸透镜14焦距为305mm，其距离凸透镜8的长度为862mm ;圆形挡板15的半径Rd为3. 4mm,其距离凸透镜14的长度为401mm ；滤波小孔16的直径为1mm，其距离圆形挡板15的长度为545mm。实验测得开孔的归ー化非线性透过率接近于1，说明这个样品的非线性吸收非常弱，可以忽略不计。挡板归一化的非 线性透过率为1200。改变样品非线性折射系数n2，使得理论计算的挡板非线性透过率和实验测得的相吻合，可得CS2的非线性折射系数n2 = I. 9 X 10_18m2/W，和利用Z-scan所得的n2=3. 2Xl(T18m2/W 非常接近。
权利要求
1.一种高灵敏度频域滤波挡板Z扫描测量材料非线性的方法，包括如下步骤 将一束激光进行扩束准直后，入射至一圓形光阑(4)，通过光阑的光束由第一半透半反镜(5)分为两束其中一束为监测光，经凸透镜(6)会聚后由第一探測器(7)记录，另一束为探测光，经第一凸透镜(8)聚焦到待测样品(9)上，使待测样品(9)产生光学非线性；所述待测样品(9)可通过位移平台在第一凸透镜(8)的焦平面附近左右移动；经过所述待测样品(9)调制激光脉冲被第二半透半反镜(13)分为两束其中一束经第二凸透镜(11)会聚后被第二探測器(12)接收，另一束经过第三凸透镜(14)会聚后进入第三探測器(17)；其特征在于在所述圆形光阑⑷经由第一凸透镜⑶和第三凸透镜(14)组成的透镜组成像的像平面位置放置一同轴圆形挡板(15)，在所述第一凸透镜(8)焦点经第三凸透镜(14)成像像点位置放置一同轴滤波小孔(16);具体測量步骤为 (1)在远离第一凸透镜(8)焦点位置放置待测样品(9)，在脉冲激光作用同时，使待测样品(9)由在第一凸透镜(8)的焦点左侧向右侧方向或者由在焦点右侧向左侧方向运动，记录样品运动过程中在不同位置由第二探測器(12)、第三探測器(17)所测能量分别与第一探測器(7)所测能量比值； (2)对步骤(I)中获得的比值曲线进行处理，获得所需的检测材料的光学非线性吸收和非线性折射系数。
2.根据权利要求I所述的ー种高灵敏度频域滤波挡板Z扫描测量材料非线性的方法，其特征在于所述步骤(2)中的对比值曲线进行处理包括将步骤(I)中得到的比值数列与该数列中初始数值相除，得到样品归一化的非线性透过率曲线，对归一化的非线性透过率曲线进行理论拟合得到非线性吸收和非线性折射系数。
3.根据权利要求I或2所述的ー种高灵敏度频域滤波挡板Z扫描测量材料非线性的方法，其特征在于所述圆形光阑(4)和圆形挡板(15)组合后的透过率小于O. I。
全文摘要
本发明公开了一种高灵敏度频域滤波挡板z扫描测量材料非线性的方法，属于非线性光子学材料和非线性光学信息处理领域。本发明的方法中，一透镜的焦点通过另一透镜成像，并于该像点处设置滤波小孔；圆形光阑通过上述两个透镜组成的透镜组成像，在该像平面放置同轴圆形挡板。在脉冲激光作用同时，样品在透镜的焦点附近左右运动，通过测量开孔和挡板、滤波小孔的非线性透过率，确定材料的非线性吸收和非线性折射系数。本发明方法工作测量系统光路简单，滤除杂散光影响效果明显、具有很高测量灵敏度，数据处理简单，可以同时测量非线性吸收和非线性折射的大小。
文档编号G01N21/17GK102692382SQ20121008925
公开日2012年9月26日 申请日期2012年3月30日 优先权日2012年3月30日
发明者刘南春, 刘小波, 宋瑛林, 杨俊义 申请人:常熟微纳激光光子技术有限公司