專利名稱：消除非線性吸收影響的非線性折射性質(zhì)測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料的非線性性質(zhì)測(cè)量方法，具體涉及一種利用相位共軛 技術(shù)在4f相位相干成像技術(shù)中測(cè)量低非線性吸收介質(zhì)的非線性折射的方法， 可以消除材料非線性吸收對(duì)非線性折射測(cè)量的影響。屬于非線性光子學(xué)材料和 非線性光學(xué)信息處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著光通信和光信息處理等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，非線性光學(xué)材料研究日益重 要，光存儲(chǔ)、光開關(guān)、光調(diào)制、光限幅等功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴于非線性光學(xué)材 料的研究進(jìn)展。光學(xué)非線性測(cè)量技術(shù)是研究非線性光子學(xué)材料的關(guān)鍵技術(shù)之 一。目前常用的測(cè)量非線性光學(xué)參數(shù)方法有Z掃描、4f系統(tǒng)相干成像技術(shù)、 四波混頻、三次諧波非線性干涉法、橢圓偏振法等。其中后三種測(cè)量方法均需 兩束或兩束以上激光，光路復(fù)雜，而且在測(cè)量非線性折射效應(yīng)的時(shí)候無(wú)法區(qū)分 材料三階極化率的實(shí)部和虛部，也就是說(shuō)無(wú)法區(qū)分開來(lái)非線性吸收和非線性折 射的作用，而在一些材料性質(zhì)的研究和應(yīng)用方面，對(duì)非線性折射和非線性吸收 需要分開研究。Z掃描技術(shù)光路簡(jiǎn)單、靈敏度髙，是目前應(yīng)用最為廣泛的一個(gè)測(cè)量技術(shù)。 但是該方法對(duì)激光的空間分布及能量穩(wěn)定性要求較高。此外還需要樣品在激光 傳播方向發(fā)生移動(dòng)，需要激光多次激發(fā)，對(duì)薄膜和易損傷的材料不適用；由于 需要多次激發(fā)，在研究材料的光動(dòng)力學(xué)方面無(wú)能為力。而在存在非線性吸收的 材料中，Z掃描測(cè)量材料的非線性折射時(shí)有兩種方法1，首先測(cè)量出非線性 吸收系數(shù)，然后利用測(cè)量得到的非線性吸收系數(shù)來(lái)測(cè)量非線性折射系數(shù)；2， 利用近似直接測(cè)得非線性折射系數(shù)。這兩種方法都存在準(zhǔn)確率低的問題。相比而言，4f系統(tǒng)相干成像技術(shù)是單光束單脈沖測(cè)量，光路簡(jiǎn)單，靈敏度 髙。其在測(cè)量薄膜和易損傷材料時(shí)的優(yōu)點(diǎn)顯而易見，也是研究材料的光動(dòng)力學(xué) 性質(zhì)的有力手段。但傳統(tǒng)的4f系統(tǒng)相干成像技術(shù)無(wú)法避免非線性吸收對(duì)非線性折射的影響。當(dāng)材料存在非線性吸收時(shí)，其測(cè)量材料的非線性折射方法和z掃描類似1,首先測(cè)量出非線性吸收系數(shù)；2，利用近似，直接得到近似的非 線性折射系數(shù)。其缺點(diǎn)也是局限性大，準(zhǔn)確度低?；?f相位相干成像測(cè)量材料三階非線性折射率的方法是由Georges Boudebs等人于1996年提出的(G. Boudebs, M. Chis， and J. P. Bourdin, "Third-order susceptibility measurements by nonlinear image processing", J. Opt. Soc. Am. B， 13(7)， 1450-1456 )。這個(gè)方法是受到澤爾尼克空間濾波實(shí)驗(yàn) 中可以將相位變化轉(zhuǎn)化為光的振幅變化的啟發(fā)而提出的。它同Z掃描方法一 樣，也屬于光束畸變測(cè)量。其基本原理是把非線性樣品放置在一個(gè)4f系統(tǒng)的 頻譜面上，然后讓激光通過這個(gè)4f系統(tǒng)。這樣由于樣品非線性的作用，4f系 統(tǒng)出射面上的光強(qiáng)分布就會(huì)發(fā)生變化。用CCD將變化了的光場(chǎng)空間分布記錄 下來(lái)，然后配合數(shù)值模擬就可以得到材料的非線性折射率。但是在這里，他們 忽略了非線性吸收的影響。在以后的改進(jìn)方法中(Boudebs G. Cherukulappurath S. nonlinear refraction measurements in presence of nonlinear absorption using phase object in a 4f system. Opt. Commun. 2005， 250 (4-6): 416~420)，利用樣品在偏離透鏡焦點(diǎn)和處于透鏡焦點(diǎn)處的兩次結(jié)果 做差來(lái)近似得到?jīng)]有非線性吸收的結(jié)果，但此方法的精確度較低，具有很大的 局限性。另一個(gè)解決方案就是首先測(cè)量出非線性吸收系數(shù)，然后進(jìn)行數(shù)值擬合， 此方法雖然可以解決存在非線性吸收時(shí)非線性折射性質(zhì)的測(cè)量，但是一方面測(cè) 量非線性吸收帶來(lái)不便，另一方面非線性吸收系數(shù)的測(cè)量帶來(lái)一定的誤差，這 個(gè)誤差將帶入到非線性折射系數(shù)的測(cè)量當(dāng)中。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供一種單脈沖的材料非線性折射性質(zhì)測(cè)量方法，以降低非 線性吸收對(duì)非線性折射測(cè)量結(jié)果的影響，適用于對(duì)存在低非線性吸收的材料的 測(cè)量。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種消除非線性吸收影響的 非線性折射性質(zhì)測(cè)量方法，基于相位共軛技術(shù)與4f相位相干成像技術(shù)，準(zhǔn)直、 擴(kuò)束后的激光束由光闌濾波，經(jīng)傅立葉透鏡聚焦到待測(cè)樣品上，通過反射鏡或相位共軛鏡反射使光束再次反向通過待測(cè)樣品和傅立葉透鏡，利用分束器分 束，經(jīng)衰減后由CCD相機(jī)接收，包括下列步驟(1) 在光闌后放置衰減片，不放待測(cè)樣品，在待測(cè)樣品位后方放置反射鏡， 用CCD相機(jī)采集一個(gè)脈沖圖像，稱之為無(wú)樣品圖像；放上待測(cè)樣品，在待測(cè) 樣品位后方放置反射鏡，用CCD相機(jī)采集一個(gè)脈沖圖像，稱之為線性圖像；(2) 把衰減片放置在CCD相機(jī)前，放上待測(cè)樣品，在待測(cè)樣品位后方放置 反射鏡，用CCD相機(jī)采集一個(gè)脈沖圖像，稱之為吸收折射圖；(3) 把衰減片放置在CCD相機(jī)前，放上待測(cè)樣品，在待測(cè)樣品位后方放置 相位共軛鏡，用CCD相機(jī)采集一個(gè)脈沖圖像，稱之為吸收?qǐng)D；(4) 對(duì)線性圖像和無(wú)樣品圖像分別進(jìn)行積分得到透過樣品后的線性脈沖的 能量和入射脈沖的總能量，兩者的比值即為樣品的線性透過率；用步驟(3)所得 到的吸收?qǐng)D對(duì)步驟(2)所得到的吸收折射圖進(jìn)行數(shù)值擬合，得到樣品的非線性折 射率。上述技術(shù)方案中，所述分束器的透過率遠(yuǎn)大于反射率。 所述相位共軛鏡和反射鏡的反射率差值<0.5%，反射率大于90%。 所述CCD相機(jī)與傅立葉透鏡之間的光程差等于傅立葉透鏡的焦距。 所述CCD相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍大于12。上述技術(shù)方案中，所述準(zhǔn)直、擴(kuò)束由透鏡組實(shí)現(xiàn)，其中，第一透鏡把激光 脈沖聚焦，第二透鏡進(jìn)行擴(kuò)束，第一、第二透鏡的焦點(diǎn)在它們之間重合，使激 光束形成較大的光斑，再通過光闌過濾掉光斑的邊緣部分，形成均勻的光斑。 所述第一透鏡的焦距小于第二透鏡的焦距。在4f相干成像技術(shù)中，樣品的非線性吸收只對(duì)像平面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布產(chǎn) 生影響，而非線性折射對(duì)像平面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布和相位分布都產(chǎn)生影響，本發(fā) 明正是利用了這一點(diǎn)，首先在傳統(tǒng)的4f相干成像技術(shù)中利用相位共軛技術(shù)在 理想情況下得到樣品的純非線性吸收結(jié)果，我們稱之為"吸收?qǐng)D"，然后利用 傳統(tǒng)的方法得到同時(shí)存在非線性吸收和非線性折射得結(jié)果，我們稱之為"吸收 折射圖"。然后利用吸收?qǐng)D去擬合吸收折射圖，這樣就避開了非線性吸收的影 響，得到材料的非線性折射 性質(zhì)。如果在光的傳播過程中存在反射等的損耗， 我們第一步所得到的不是純吸收?qǐng)D，為了說(shuō)明的方便，我們?nèi)苑Q之為"吸收?qǐng)D"。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明在損耗小于40%時(shí)此方法仍然適用。由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)1. 本發(fā)明方法用一種全新的思路實(shí)現(xiàn)了對(duì)低非線性吸收材料的非線性折 射性質(zhì)的測(cè)量，可以消除非線性吸收對(duì)非線性折射測(cè)量結(jié)果的影響；與傳統(tǒng)的 4f相干成像技術(shù)相比，不需要測(cè)量材料的非線性吸收系數(shù)，從而大大提高了 非線性折射系數(shù)的精確度；同其他非線性光學(xué)測(cè)量技術(shù)(如Z掃描方法)相 比具有單脈沖測(cè)量，沒有樣品的移動(dòng)，理論模型簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，由于其單脈沖測(cè) 量的特點(diǎn)，可以被用來(lái)測(cè)量材料的非線性折射率隨曝光時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過程。2. 本發(fā)明所述的測(cè)量方法，可以廣泛的應(yīng)用于非線性測(cè)量，非線性光子 學(xué)材料，非線性光學(xué)信息處理和光子學(xué)器件等研究領(lǐng)域，尤其是非線性光功能 材料的測(cè)試和改性等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，利用本發(fā)明方法，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，極大地排除 了非線性吸收的影響；另外本方法對(duì)激光的質(zhì)量和光路要求簡(jiǎn)單，測(cè)試速度快捷o


圖1是本發(fā)明實(shí)施例一的測(cè)量裝置的光路原理示意圖。其中1、激光器；2、第一透鏡；3、第二透鏡；4、光闌；5、分束器；6、 傅立葉透鏡；7、樣品；8、反射鏡；9、衰減片；10、 CCD相機(jī)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述實(shí)施例一參見附圖1所示，測(cè)量裝置主要由激光器1、擴(kuò)束系統(tǒng)(包括 第一透鏡2、第二透鏡3、光闌4)、傅立葉透鏡6、反射鏡或相位共軛鏡8、 衰減片9和CCD相機(jī)10組成。測(cè)量方法是兩次分別用反射鏡和相位共軛鏡測(cè) 量得到吸收折射圖和吸收?qǐng)D，用吸收?qǐng)D擬和吸收折射圖得到樣品的非線性折射 系數(shù)。具體步驟是(l)把衰減片9放在放在光闌4之后，取走待測(cè)樣品7，放置反射鏡8，用 CCD相機(jī)采集一個(gè)脈沖圖像，稱之為"無(wú)樣品圖像"。放上待測(cè)樣品7，放置反射鏡8，用CCD相機(jī)采集一個(gè)脈沖圖像，稱之為"線性圖像"。(2) 把衰減片9放在圖l所示的位置，放上待測(cè)樣品7，放置反射鏡8，用 CCD相機(jī)采集一個(gè)脈沖圖像，稱之為"吸收折射圖"。(3) 把衰減片9放在圖1所示的位置，放上待測(cè)樣品7，在圖示反射鏡8的 位置放置相位共軛鏡，用CCD相機(jī)采集一個(gè)脈沖圖像，稱之為"吸收?qǐng)D"。(4) 對(duì)"線性圖像"和"無(wú)樣品圖像"分別進(jìn)行積分得到透過樣品后的線性 脈沖的能量和入射脈沖的總能量。兩者的比值就是樣品的線性透過率。然后用 第三步所得到的吸收?qǐng)D對(duì)第二步所得到的吸收折射圖進(jìn)行數(shù)值擬合，得到樣品 的非線性折射率。以下結(jié)合理論過程作進(jìn)一步的說(shuō)明在本實(shí)施例中，激光光束由S32nm的激光器提供。我們?cè)O(shè)光闌4平面的 電場(chǎng)分布為G"，力。樣品前表面的入射電場(chǎng)分布為S("，"。樣品前表面的 出射電場(chǎng)分布為S'("，"。樣品后表面的電場(chǎng)分布為^("，v)。像平面電場(chǎng)分 布為"">0。在此為了論述的方便，我們忽略傳遞函數(shù)的影響，這對(duì)結(jié)果沒 有影響。第一步取走待測(cè)樣品7，把衰減片9放在光闌4的后面。用CCD相機(jī) 采集一個(gè)無(wú)樣品圖像7。"力。然后放上待測(cè)樣品7，用CCD相機(jī)采集一個(gè)線 性圖像("，力。第二步對(duì)線性圖像^"y)和無(wú)樣品圖像^(x，力分別進(jìn)行積分得到透過樣 品后的線性脈沖的能量和入射脈沖的總能量。兩者的比值就是樣品的線性透過 率a 0第三步放上樣品7，衰減片放在CCD相機(jī)10之前。8為反射鏡。則樣 品前表面的電場(chǎng)分布為<formula>formula see original document page 8</formula> (1)此時(shí)樣品的透過率為<formula>formula see original document page 8</formula>乙,=(l_e—。r)/a其中^為雙光子吸收系數(shù)，a為線性透過率， -V" 〃"為樣品厚度， "2為三階非線性折射率。則可得到樣品后表面的電場(chǎng)分布為<formula>formula see original document page 9</formula>(3)若反射鏡的反射效率為a，從而得到樣品的透過率為<formula>formula see original document page 9</formula>(4)最后樣品的前表面出射電場(chǎng)分布為<formula>formula see original document page 9</formula>(5)所以像平面的電場(chǎng)分布
<formula>formula see original document page 9</formula> (6)其中當(dāng)、_# U l時(shí)，得
<formula>formula see original document page 9</formula>其中<formula>formula see original document page 9</formula>所以CCD接收到的吸收折射圖為<formula>formula see original document page 9</formula>,(7)第四步放上樣品7，衰減片放在CCD相機(jī)10之前，將反射鏡8替換為 相位共軛鏡。則樣品前表面的電場(chǎng)分布為<formula>formula see original document page 9</formula>此時(shí)樣品的透過率為(8)<formula>formula see original document page 10</formula>(9)其中^為雙光子吸收系數(shù)，a為線性透過率，L為樣品厚度，"2為三階非 線性折射率。則可得到樣品后表面的電場(chǎng)分布為<formula>formula see original document page 10</formula>若相位共軛鏡的反射效率為a,從而得到樣品前表面的電場(chǎng)分布為<formula>formula see original document page 10</formula>(11)經(jīng)過類似上述的簡(jiǎn)化過程，得到CCD最后得到的吸收?qǐng)D為<formula>formula see original document page 10</formula>通過數(shù)值計(jì)算可知，在e^大于0.6的時(shí)候(12)的電場(chǎng)相位分布近似為 常數(shù)，用(12)式吸收?qǐng)D擬合(7)式的吸收折射圖得到樣品的三階非線性折 射率。
權(quán)利要求
1.一種消除非線性吸收影響的非線性折射性質(zhì)測(cè)量方法，基于相位共軛技術(shù)與4f相位相干成像技術(shù)，準(zhǔn)直、擴(kuò)束后的激光束由光闌濾波，經(jīng)傅立葉透鏡聚焦到待測(cè)樣品上，通過反射鏡或相位共軛鏡反射使光束再次反向通過待測(cè)樣品和傅立葉透鏡，利用分束器分束，經(jīng)衰減后由CCD相機(jī)接收，其特征在于，包括下列步驟(1)在光闌后放置衰減片，不放待測(cè)樣品，在待測(cè)樣品位后方放置反射鏡，用CCD相機(jī)采集一個(gè)脈沖圖像，稱之為無(wú)樣品圖像；放上待測(cè)樣品，在待測(cè)樣品位后方放置反射鏡，用CCD相機(jī)采集一個(gè)脈沖圖像，稱之為線性圖像；(2)把衰減片放置在CCD相機(jī)前，放上待測(cè)樣品，在待測(cè)樣品位后方放置反射鏡，用CCD相機(jī)采集一個(gè)脈沖圖像，稱之為吸收折射圖；(3)把衰減片放置在CCD相機(jī)前，放上待測(cè)樣品，在待測(cè)樣品位后方放置相位共軛鏡，用CCD相機(jī)采集一個(gè)脈沖圖像，稱之為吸收?qǐng)D；(4)對(duì)線性圖像和無(wú)樣品圖像分別進(jìn)行積分得到透過樣品后的線性脈沖的能量和入射脈沖的總能量，兩者的比值即為樣品的線性透過率；用步驟(3)所得到的吸收?qǐng)D對(duì)步驟(2)所得到的吸收折射圖進(jìn)行數(shù)值擬合，得到樣品的非線性折射率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性折射性質(zhì)測(cè)量方法，其特征在于所述 分束器的透過率遠(yuǎn)大于反射率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于4f系統(tǒng)的材料非線性折射性質(zhì)測(cè)量方法， 其特征在于所述相位共軛鏡和反射鏡的反射率差值<0.5%，反射率大于90%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于4f系統(tǒng)的材料非線性折射性質(zhì)測(cè)量方法， 其特征在于所述CCD相機(jī)與傅立葉透鏡之間的光程差等于傅立葉透鏡的焦 距。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于4f系統(tǒng)的材料非線性折射性質(zhì)測(cè)量方法， 其特征在于所述CCD相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍大于12。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于4f系統(tǒng)的材料非線性折射性質(zhì)測(cè)量方法， 其特征在于所述準(zhǔn)直、擴(kuò)束由透鏡組實(shí)現(xiàn)，其中，第一透鏡把激光脈沖聚焦， 第二透鏡進(jìn)行擴(kuò)束，第一、第二透鏡的焦點(diǎn)在它們之間重合，使激光束形成較 大的光斑，再通過光闌過濾掉光斑的邊緣部分，形成均勾的光斑。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于4f系統(tǒng)的材料非線性折射性質(zhì)測(cè)量方法， 其特征在于所述第一透鏡的焦距小于第二透鏡的焦距。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種消除非線性吸收影響的非線性折射性質(zhì)測(cè)量方法，基于相位共軛與4f相位相干成像技術(shù)，激光束由光闌濾波，經(jīng)傅立葉透鏡聚焦到待測(cè)樣品上，通過反射使光束再次反向通過待測(cè)樣品和傅立葉透鏡，利用分束器分束，經(jīng)衰減后由CCD相機(jī)接收，其特征在于分別測(cè)量無(wú)樣品圖像、線性圖像、吸收折射圖和吸收?qǐng)D；對(duì)線性圖像和無(wú)樣品圖像分別進(jìn)行積分得到透過樣品后的線性脈沖的能量和入射脈沖的總能量，兩者的比值為樣品的線性透過率；用吸收?qǐng)D對(duì)吸收折射圖進(jìn)行數(shù)值擬合，得到樣品的非線性折射率。本發(fā)明不需要進(jìn)行非線性吸收系數(shù)的測(cè)量，得到材料的非線性折射系數(shù)，從而消除了非線性吸收對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。
文檔編號(hào)G01N21/45GK101226145SQ20081001896
公開日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2008年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月28日
發(fā)明者宋瑛林, 李云波, 楊俊義, 潘廣飛, 顧濟(jì)華 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)