一种高精度测量材料线性折射率的方法

专利名称：一种高精度测量材料线性折射率的方法
技术领域：
本发明所涉及的是在原有测量材料光学非线性的4f相位相干成像系统的基础上将其改进为可高精度测量材料线性折射率的测量方法，属于光子学材料和光学信息处理领域。
背景技术：
折射率是介质最重要的光学参数之一。折射率测量仪器已广泛应用于制造业和科学研究领域。常用的折射率测量仪器工作原理主要基于光的反射(包括全反射)、折射、偏振、干涉等。早期此类研究主要集中于偏振光及偏振光与材料相互作用的物理学研究以及仪器的光学研究。近30年来，计算机的发展使椭偏仪在更多的领域得到应用。硬件的自动化和软件的成熟大大提高了运算的速度，逐渐成熟的的软件处理方法和越来越贴近实际的数学建模提供了折射率测量的新方法。对于宏观尺寸的晶体、光学玻璃等介质，目前折射率测量精度可达5 X 10_6。但是对于薄膜材料，其折射率测量主要使用椭偏仪测量，精度可达到5X10_3，但仪器价格比较昂贵。较高精度的折射率测量仪的研究具有非常重要的意义。4f 相位相干成像系统(G. Boudebs and S. Cherukulappurath, “Nonlinearoptical 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。它是受到泽尔尼克空间滤波实验中可以将相位变化转化为图象中强度的变化启发而提出的。应用4f相位相干成像系统测量材料的非线性主要有两个步骤一是能量定标，将校准的能量计放置在样品的位置，然后发射一个激光脉冲，这时能量计的示数即是实验中打到样品上的能量，它与CCD探测到的参考光斑的强度是成正线性关系的，参考光路监视每个激光脉冲能量的变化，然后通过CCD测得的光强的空间分布可以计算得到不同位置上的光强大小；二是测量，先在样品前放置衰减片衰减入射光强，使得样品的非线性效应可以忽略不计，入射一个激光脉冲，通过测量系统打过待测样品后CCD拍到的图像称为线性光斑，再将先前放置在非线性样品之前的衰减片放置到样品之后，这样测得的图像称为非线性光斑。以线性光斑作为输入，根据测得的图象进行数值拟合得到材料的非线性折射率。在4f相位相干成像系统中，相位物体是通过在玻璃板上镀透明介质薄膜而形成的，对波长为λ的光波产生一个相位延迟。当入射光经过非线性样品的相位调制后，就会在4f的出射面转变为光斑光强分布的变化。本发明所提出的方法是将待测的样品如薄膜代替原来4f相位相干成像技术中的相位物体，而非线性样品采用已知非线性折射率的标准样品，从而通过光斑光强的变化拟合得到薄膜的线性折射率。

发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度测量材料线性折射率的方法，通过将传统4f系统的相位物体变成待测的样品，能非常方便地、高精度地获得材料的线性折射率。本发明是通过以下技术方案实现的
—种高精度测量材料线性折射率的方法，包括由待测样品、分束镜、第一凸透镜、非线性标准材料、第二凸透镜、第一中性衰减片和CCD相机依次组成的测量系统，和由所述分束镜、第一反射镜、第三凸透镜、第四凸透镜、第二中性衰减片、第二反射镜、第三反射镜和所述CCD相机依次组成的参考系统；所述第一凸透镜和第二凸透镜构成4f系统，待测样品放置在所述4f系统的物面上；所述非线性标准材料放置在测量系统的傅里叶平面上；所述CCD相机放置在所述4f系统的像平面上接收光斑图像；具体测量步骤如下①能量校准将光路中的非线性标准材料取走，将校准的能量计放置在第一凸透镜和第二凸透镜之间的某一位置，使得激光光斑能够全部打到能量计的探头上；然后发射一个激光脉冲，用所述能量计测量脉冲的能量，同时利用所述CCD相机采集参考光路的参考光斑，参考光斑的强弱对应于入射脉冲能量的大小；再通过对参考光斑的计算得到测量过程中入射到所述非线性标准样品上的激光脉冲的能量及能量分布；②非线性测量将所述非线性标准材料放置在测量系统的傅里叶平面上，入射一个脉冲激光经过所述待测样品，在所述CCD相机上获得两个光斑，即入射光经过测量系统的非线性标准样品后在所述CCD相机上获得的非线性光斑和从参考光路中得到的参考光斑；由获得的非线性光斑和参考光斑进行数值拟合得到所述待测样品的线性折射率。其中，第一凸透镜的焦距等于第二凸透镜的焦距，第三凸透镜的焦距等于第四凸透镜的焦距。所述待测样品到第一凸透镜的距离等于第一凸透镜的焦距；第二凸透镜到CXD相机的距离等于第二凸透镜的焦距。进一步地，第三凸透镜的焦距大于第一凸透镜的焦距。待测样品到分束镜、分束镜到第一反射镜、第一反射镜到第三凸透镜这三段距离之和等于第三凸透镜的焦距；第四凸透镜到第二反射镜、第二反射镜到第三反射镜、第三反射镜到CCD相机这三段距离之和等于第四凸透镜的焦距。为了提高光斑能量利用率，所述分束镜的透过率和反射率各为50%。入射光斑的尺寸要大于待测样品的大小。待测样品可放置在一规则形状的光阑内。本发明首先把经过扩束的脉冲激光的光斑中心区域一小部分光为入射光，然后把待测物体放置在测量光路的物平面上。测量之前先进行能量定标，将校准的能量计放置在样品的位置，然后发射一个激光脉冲，这时能量计的示数即是测量中打到非线性标准样品上的能量，它与CCD探测到的参考光斑的强度是成正线性关系的。利用这个比例系数，在测量中通过参考光斑的强度直接可以推测出照射到样品上的脉冲能量的大小及能量的分布。完成定标后进行测量。取走能量计把非线性标准样品放在主光路焦点处，再入射一个脉冲光，在CXD上将得到两个光斑入射光经过主光路经过非线性标准样品后在CXD上获得非线性光斑和经过参考光路后得到的参考光斑。由于参考光斑和非线性光斑是同一个脉冲分离得到的，因此参考光斑的空间分布就能代表非线性脉冲在入射面上的空间分布情况。参考光路所获得的参考光斑的空间分布与入射脉冲在入射面 上的空间分布情况是相同的，可以用线性光斑来代替非线性光斑在入射面上的空间分布进行数值模拟。根据获得的图像进行数值拟合，拟合中将利用参考光斑上的光强分布作为入射光光强分布，在数值拟合中仅有待测样品的线性折射率ns为变量。通过改变ns的取值使模拟非线性光斑与实验非线性光斑吻合从而得到ns的值。
本发明所述的测量方法，可以广泛的应用于材料的线性折射率或厚度的测量、光子学材料、光学信息处理和光子学器件等研究领域，特别是超薄薄膜的线性折射率或厚度的测量等关键环节，利用本发明方法，测试结果准确，精度高，特别是能在光斑空间分布不稳定的情况下测量介质的线性折射率；另外本方法光路简单，数据处理方便，测试速度快捷。


图I是本发明实施例中应用于高精度测量材料线性折射率的4f相位相干成像系统的实验装置图。其中1、激光光束；2、待测物体；3、分束镜；4、凸透镜；5、非线性标准材料；6、凸透镜；7、中性衰减片；8、C⑶相机；9、反射镜；10、凸透镜；11、凸透镜；12、中性衰减片；13、反射镜；14、反射镜。图2为本发明实施例中的非线性光斑图。图3为本发明实施例中的参考光斑图。图4是本发明实施例中的数值拟合曲线图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述图I是应用于高精度测量材料线性折射率的4f相位相干成像系统的实验装置图。实验装置可以分为测量系统和参考系统两个部分。测量系统由待测物体2、分束镜3、凸透镜4、非线性标准材料5、凸透镜6、中性衰减片7和CCD相机8组成。其中中性衰减片7和中性衰减片12是用来保证CXD相机8在其线性响应工作范围以内，凸透镜4和凸透镜6构成4f系统，待测物体2放置在4f系统的物面上，非线性标准材料5放置在测量系统的傅里叶平面上，CXD相机8设置在4f系统的像平面上接收光斑图像。扩束的激光脉冲经过待测物体2后形成近top-hat光，光束经凸透镜6的傅里叶变换会聚到放置在傅里叶面上的非线性标准材料5上，由于标准非线性样品的非线性折射性质使得入射的脉冲的相位发生变化。从非线性标准材料5后表面出射的脉冲经过凸透镜6的傅里叶逆变换由CCD相机8进行接收，称为非线性光斑。参考系统由分束镜3、反射镜9、凸透镜10、凸透镜11、中性衰减片12、反射镜13、反射镜14和CCD相机8组成。从待测物体2出来的激光被分束镜3分为两束，其中一束经反射镜9、凸透镜10、凸透镜11、中性衰减片12、反射镜13、反射镜14和C⑶相机8接收，称为参考光斑。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2为在石英底片上的二氧化硅(SiO2),非线性标准材料5为CS2，其非线性折射率为一已知值。利用应用于高精度测量材料线性折射率的4f相位相干成像系统进行线性折射率的测量分两部分进行，即能量校准和非线性测量。能量校准是将非线性标准材料5取走，将校准的能量计放置在凸透镜4和凸透镜6之间的某一位置使得激光光斑能够全部打到能量计探头上。然后发射一个激光脉冲，用能量计测量脉冲的能量，同时用CCD相机8采集参考光路的参考光斑。由于此时光路中所有器件都是线性器件，所以根据参考光斑的强弱就可以知道入射脉冲能量的大小。这样在非线性测量过程中的入射到标准样品上的脉冲的能量就可以通过同一个激光脉冲产生的参考光斑来计算得到。非线性测量的具体步骤为将待测样品2放置在系统的物平面上，非线性标准材料5放置在傅里叶平面上，再入射一个脉冲激光，在CXD相机8上可以得到两个光斑入射光经过测量系统的标准样品后在CCD上获得的非线性光斑(图2)和从参考光路中得到的参考光斑(图3)。对于SiO2线性折射率的测量实验和理论计算具体过程如下设入射光为单色平面线偏振光E (x, y) = E0 (t) exp [-j (ω t~kz) ] +cc(I)其中ω是角频率，k是波矢，E0 (t)是包含时间的电场振幅。4f系统入射面的圆形光阑的透射函数为ta (x, y) = circ(^x2 + 少2 / Ra)⑶其中Ra是光阑半径,圆形函数circ(p )定义为当P (x,y)小于I时为I,其余地方为O。在光阑的中心有一个半径为Lp的圆形待测物体，它对入射光产生一个相位变化<K。所以带相位物体光阑的透射函数可以写成y) = K (χ, y) exP ^Lcirc 士2+/1 lp J(3)式中，为待测物体的相位延迟，
(Pl=风ns-\)dj λ(4)ds为待测样品的厚度，ns为待测样品的线性折射率。则系统入射面上的光场分布变为O (X，y) =E (x, y) t (x, y)，通过透镜后，系统频谱面上的光场分布为
「00401 S (M，v) = lVFT
dxdy
yiAyiA(5)其中FT代表傅立叶变换，u和V是焦平面上的空间频率，是透镜L1的焦距，λ为入射激光的波长。假设标准非线性样品具有⑴线性吸收a ο, (2)非线性折射Y。当非线性样品可以被看作“薄样品”时，样品出射表面的光场分布为SL(u,v) = S(u,v)e^L,2e^L(6)其中L是样品的厚度。在4f系统出射面上由CXD探测的光强分布可以表示为Iim(x, y) = |U(x, y) I2 = | λ fjFT^tS^u, ν, t)H(u, ν)] |2 (7)其中FT—1代表逆傅立叶变换，H(u，ν)是光学透镜系统的相干光学传递函数，H(u,v) = circ[(u2+v2)1/2AG/N. A. ] 0圆形函数circ(P)定义同上。N. A.是透镜L1的数值孔径，G是光学系统的放大倍率。利用关系式(1)-(7)式我们能够计算出4f系统出射面上的图像。根据获得的非线性光斑(图2)和参考光斑(图3)进行数值拟合。图4为数值拟合曲线，虚线为测量的非线性光斑(图2)的中心切线，实线是以参考光斑(图3)为输入数值模拟得到的中心切线。通过改变待测样品的线性折射率ns的取值使模拟非线性光斑与实验非线性光斑吻合从而 数值拟合得到SiO2的线性折射率ns的值为I. 5474。
权利要求
1.一种高精度测量材料线性折射率的方法，其特征在于由待测样品(2)、分束镜(3)、第一凸透镜(4)、非线性标准材料(5)、第二凸透镜￠)、第一中性衰减片(7)和CCD相机(8)依次组成测量系统；由所述分束镜(3)、第一反射镜(9)、第三凸透镜(10)、第四凸透镜(11)、第二中性衰减片(12)、第二反射镜(13)、第三反射镜(14)和所述CCD相机(8)依次组成参考系统；所述第一凸透镜⑷和第二凸透镜(6)构成4f系统，待测样品⑵放置在所述4f系统的物面上；所述非线性标准材料(5)放置在测量系统的傅里叶平面上；所述CCD相机(8)放置在所述4f系统的像平面上接收光斑图像；具体测量步骤如下①能量校准将光路中的非线性标准材料(5)取走，将校准的能量计放置在第一凸透镜(4)和第二凸透镜(6)之间的某一位置，使得激光光斑能够全部打到能量计的探头上；然后发射一个激光脉冲，用所述能量计测量脉冲的能量，同时利用所述CCD相机(8)采集参考光路的参考光斑，参考光斑的强弱对应于入射脉冲能量的大小；再通过对参考光斑的计算得到测量过程中入射到所述非线性标准材料(5)上的激光脉冲的能量及能量分布；②非线性测量将所述非线性标准材料(5)放置在测量系统的傅里叶平面上，入射一个脉冲激光经过所述待测样品(2)，在所述C⑶相机(8)上获得两个光斑，即入射光经过测量系统的非线性标准材料(5)后在所述CCD相机(8)上获得的非线性光斑和从参考光路中得到的参考光斑；由获得的非线性光斑和参考光斑进行数值拟合得到所述待测样品(2)的线性折射率。
2.根据权利要求I所述的一种高精度测量材料线性折射率的方法，其特征是所述第一凸透镜(4)的焦距等于第二凸透镜(6)的焦距，所述第三凸透镜(10)的焦距等于第四凸透镜(11)的焦距。
3.根据权利要求2所述的一种高精度测量材料线性折射率的方法，其特征是所述第三凸透镜(10)的焦距大于第一凸透镜(4)的焦距。
4.根据权利要求I所述的一种高精度测量材料线性折射率的方法，其特征是所述待测样品(2)到分束镜(3)、分束镜(3)到第一反射镜(9)、第一反射镜(9)到第三凸透镜(10)这三段距离之和等于第三凸透镜(10)的焦距；第四凸透镜(11)到第二反射镜(13)、第二反射镜(13)到第三反射镜(14)、第三反射镜(14)到CCD相机(8)这三段距离之和等于第四凸透镜(11)的焦距。
5.根据权利要求I所述的一种高精度测量材料线性折射率的方法，其特征是所述分束镜(3)的透过率和反射率各为50%。
6.根据权利要求I所述的一种高精度测量材料线性折射率的方法，其特征是入射光斑的尺寸大于待测样品(2)的大小。
7.根据权利要求I至6之一所述的一种高精度测量材料线性折射率的方法，其特征是待测样品(2)放置在一规则形状的光阑内。
全文摘要
本发明公开了一种高精度测量材料线性折射率的方法，属于光子学材料和光学信息处理领域。此方法为一种能高精度测量超薄材料线性折射率的方法，通过将待测的样品代替传统4f系统的相位物体，而传统4f系统中的待测非线性样品利用一已知光学非线性的标准样品代替。对获得的参考光斑和非线性光斑进行数值拟合，在数值拟合中仅有待测样品的线性折射率为变量，通过改变待测样品的线性折射率的取值使模拟非线性光斑与实验非线性光斑吻合，就能非常方便地、高精度地获得材料的线性折射率。本发明的测量方法光路简单、数据处理方便、测试速度快捷，可以广泛的应用于材料的线性折射率或厚度的测量、光子学材料、光学信息处理和光子学器件等研究领域。
文档编号G01N21/41GK102621096SQ20121008920
公开日2012年8月1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, 杨勇 申请人:常熟微纳激光光子技术有限公司