專利名稱：一種單脈沖單光束測量材料光學非線性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所涉及的是一種測量材料的光學非線性的方法，屬于非線性光子學 材料和非線性光學信息處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著光通信和光信息處理等領(lǐng)域技術(shù)的飛速發(fā)展，非線性光學材料的研究 日益重要。光學邏輯、光學記憶、光三極管、光開關(guān)和相位復(fù)共軛等功能的實 現(xiàn)主要依賴于非線性光學材料的研究進展。光學非線性測量技術(shù)是研究非線性 光學材料的關(guān)鍵技術(shù)之一。常用的測量方法有Z掃描、4f系統(tǒng)相干成像技術(shù)、 馬赫-曾德干涉法、四波混頻、三次諧波非線性干涉法、橢圓偏振法、相位物 體Z-scan等。其中Z掃描方法(Mansoor Sheik-Bahae, Ali A. Said, Tai-Hui Wei， David J. Hagan， E. W. Van Stryland. "Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam", IEEE J. Quantum Elect, 26， 760-769 (1990))光路簡單、靈敏度高，是目前最常用的單光束測量材料光學非線性 的方法。但是這種測量方法需要樣品在激光傳播方向的移動，需要激光多次激 發(fā)，對薄膜和易損傷的材料不適用。4f相位相干成像系統(tǒng)(G. Boudebs and S. Cherukulappurath， "Nonlinear optical measurements using a 4f coherent imaging system with phase object", Phys. Rev. A， 69, 053813(2004))是近年來 提出的一種測量材料非線性折射的新方法。利用4f相位相干成像技術(shù)測量非 線性折射具有光路簡單、靈敏度高、單脈沖測量，無需樣品移動、對光源能量 穩(wěn)定性要求不高等優(yōu)點。但這種方法需要對采集的圖像進行比較復(fù)雜的處理， 而且對CCD的要求比較髙，增加了測量方法的成本。相位物體Z-scan (Junyi Yang and Yinglin Song, "Direct observation of the transient thermal lensing effect using the PO Z-scan" Vol. 34， No. 2， Doc. ID峰或單谷特征曲線。和傳統(tǒng)Z-scan—樣，這種測量方法也需要樣品在激光傳播方向的移動，需要激光多次激發(fā)，容易損傷材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種單脈沖單光束測量材料非線性的方法，在不需要移動樣品的前提下，簡單而準確地測量材料的非線性折射和非線性吸收。
為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種單脈沖單光束測量材料非線性的方法，將激光束分為兩束， 一束為監(jiān)測光，由第一探測器Di記錄，另一束光為探測光，經(jīng)透鏡聚焦到待測樣品上，使待測樣品產(chǎn)生光學非線性；所述待測樣品位于光路中透鏡的焦平面上，出射的脈沖光被第二分束器分為兩束， 一束經(jīng)透鏡會聚后被第二探測器D2接收(開孔)，另外一束通過一個中心和光軸重合的小孔光闌后進入第三探測器D3(閉孔)；在探測光的透鏡之前的光路中設(shè)置一相位物體，測量步驟為
(1) 在遠離透鏡焦點的位置放上待測樣品，用三個探測器測量脈沖光能量，
并分別計算出第二探測器D2所測能量和第三探測器D3所測能量與第一探測器
所測能量的比值；
(2) 在探測光路的透鏡的焦平面位置放上待測樣品，用三個探測器測量脈沖光能量，并分別計算出第二探測器D2所測能量和第三探測器D3所測能量與第
一探測器所測能量的比值；
(3) 對步驟(1)和(2)中獲得的比值進行處理，獲得所需的檢測材料的光學非線性吸收和非線性折射系數(shù)。
上述技術(shù)方案中，所述步驟(3)中的處理包括，將步驟(2)中得到的比值與步驟(l)中得到的對應(yīng)的比值相除(分為開孔能量的比值和閉孔能量的比值)，得到樣品歸一化的非線性透過率，對歸一化的非線性透過率進行理論擬合得到非線性吸收和非線性折射系數(shù)。
為便于計算，所述相位物體位于探測光路的透鏡的前焦面上為優(yōu)選。但從實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案角度，相位物體可以位于透鏡前的任一位置。
上述技術(shù)方案中，所述相位物體的相位延遲為0.25 31 0.75 ii ，大小為入射光斑束腰半徑的0.05 0.5倍。優(yōu)選的技術(shù)方案，當所述相位物體的相位延遲為0.531 ,大小為入射光斑束腰半徑的0.1倍時，系統(tǒng)對非線性折射的測量精度達到最髙，對非線性吸收的影響不大。其大小和相位延遲可以根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)。
上述技術(shù)方案中，所述第三探測器D3前的小孔光闌的半徑的大小等于相位物體的遠場衍射光斑的半徑大小。
本發(fā)明的技術(shù)方案中，非線性樣品受到脈沖光的作用后，材料的吸收和折射性質(zhì)發(fā)生變化，產(chǎn)生光學非線性。在薄樣品近似的條件下，能量只與非線性吸收有關(guān)，非線性折射對能量的影響可以忽略不計，因為開孔測量的是整個能量的變化，與非線性吸收無關(guān)，所以開孔的透過率與材料的非線性吸收相關(guān)。另一方面，樣品產(chǎn)生的非線性相移隨激光的光強的變化而變化。這樣，在焦平面處樣品就相當于一個變化的相位物體。根據(jù)相襯原理，在遠場，非線性相移的變化就表現(xiàn)為相位物體衍射光斑內(nèi)光場振幅的變化，從而就會引起小孔的透過率的變化。另外，振幅的變化與材料非線性的折射符號有關(guān)。如果，非線性折射為自聚焦，小孔歸一化的透過率就大于1，反之，就小于l。所以，在焦平面位置，無需移動樣品，在一個單脈沖的作用下，通過測量整個能量的變化就可以得到樣品的非線性吸收系數(shù)。通過測量小孔歸一化的非線性透過率，就可以得到樣品的非線性折射系數(shù)以及材料的非線性折射符號。
本發(fā)明方法用一種全新的思路實現(xiàn)了對光學非線性的測量，同其他非線性光學測量技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點
1. 本發(fā)明實現(xiàn)了單脈沖測量，測量過程中樣品無需移動，解決了待測樣品易損傷的問題；
2. 本發(fā)明的測量方法非常方便，理論模型簡單，測量靈敏度髙；
3. 采用本發(fā)明的方法，可以同時測量樣品非線性吸收和非線性折射的大
?。?br> 4. 可以測量樣品非線性吸收和非線性折射的符號；
5. 本發(fā)明所述的測量方法，可以廣泛地應(yīng)用于非線性光學測量、非線性光子學材料、非線性光學信息處理和光子學器件等研究領(lǐng)域，尤其是非線性光功能材料的測試和改性等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，利用本發(fā)明方法，可以極大地減少測量成本(無需移動平臺和CCD),并能夠保證測試參數(shù)全面，測試結(jié)果準確。


附圖1是本發(fā)明實施例一中的相位物體示意附圖2是本發(fā)明實施例一中的含相位物體單脈沖測量非線性吸收和非線性折射系數(shù)方法的工作原理圖。
其中1、入射激光束；2、相位物體；3、分束器；4、第一探測器；5、凸透鏡；6、待測樣品；7、第二分束器；8、凸透鏡；9、第二探測器；10、小孔；11、第三探測器。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述
實施例一參見附圖2所示， 一種含相位物體單脈沖測量功能材料的非線性參數(shù)的方法，光路由相位物體，分束器，凸透鏡，小孔，探測器組成；脈沖激光聚焦于待測樣品上。
激光脈沖1經(jīng)過相位物體2后，由分束器3分成兩束光，監(jiān)測光的能量由第一探測器4接收，另外一束光由凸透鏡5聚焦到待測樣品6上，透射后的光束經(jīng)第二分束器7分為兩束，一束經(jīng)凸透鏡8會聚后直接由第二探測器9接收，另外一束經(jīng)過小孔10后由第三探測器11接收。
在本實施例中，激光光束為Nd:YAG激光器(Ekspla, PL2143B)倍頻以后的532nm激光，脈寬21ps。型號為(Rjp-765 energy probe)的兩探測器連接在能量計(Rj-7620 ENERGY RATIOMETER， Laserprobe)。待測樣品為肽菁氯鋁(AlClPc/DMF)。
具體的檢測步驟為(l)將樣品6放在靠近凸透鏡5的位置，利用第二探測器9測量通過凸透鏡8會聚后的光束能量，利用第三探測器11測量透過小孔10的能量，同時利用第一探測器4測量監(jiān)測光的能量。將第二探測器9所測得的能量除以第一探測器4測得的能量，得到一個開孔的能量比值。將第三探測器11所測得的能量除以第一探測器4測得的能量，得到一個閉孔的能量比值。(2)將樣品6放在凸透鏡5的焦平面的位置，利用第二探測器9測量通過凸透鏡8會聚后的光束能量，利用第三探測器11測量透過小孔10的能量，同時利用第一探測器4測量監(jiān)測光的能量。將第二探測器9所測得的能量除以第一探測器4測得的能量，得到一個開孔的能量比值。將第三探測器ll所測得的能量除以第一探測器4測得的能量，得到一個閉孔的能量比值。(3)將步驟(2)中的開孔比值除以步驟(1)中的開孔比值，得到樣品的開孔歸一化非線性透過率。將步驟(2)中的閉孔比值除以步驟(1)中的閉孔比值，得到樣品透過小孔歸一化的非線性透過率。(4)根據(jù)步驟(3)中得到的非線性透過率，得出樣品的非線性吸收和非線性折射系數(shù)。
對于AlClPc非線性測量的實驗和理論計算具體過程如下
假設(shè)入射光束為基模髙斯光，其場強表達式為
<formula>formula see original document page 7</formula>式中，E。為脈沖激光的最大場強值，r為光束的半徑，化為入射光束的束
腰半徑，T為脈沖光1/e半寬的時間。相位物體的透過率為
<formula>formula see original document page 7</formula> (2)
式中，^為相位物體的相位延遲。相位物體后表面的場強分布為
<formula>formula see original document page 7</formula> (3)傳播到樣品表面的光場可通過傅立葉-貝塞爾變換得到，
<formula>formula see original document page 7</formula>
式中，/為透鏡的焦距，A為零階貝塞爾函數(shù)。在樣品中，考慮慢變振幅近似和薄樣品近似的情況，脈沖激光的振幅和相位變化在樣品中傳播滿足
<formula>formula see original document page 7</formula>式中，"2為樣品的非線性折射系數(shù)，a。為樣品的線性吸收率，；8為樣品的
非線性吸收系數(shù)，/ = |￡。2
中傳播的光程。
則樣品后表面的光場為
￡。3(^) = ￡。2",*,"2(1 +《)('一-1/2)
不考慮樣品非線性時，則樣品后表面的光場為
五03 =五02
( = 0處)為作用在樣品上的光強。z'激光在樣品
(6)
(7)
從樣品的后表面?zhèn)鞑サ叫】椎墓鈭隹赏ㄟ^菲涅爾衍射公式得到
2;r
￡04(r2,0 = T77eXP
義J
f ^浙五。3(^力exp
z兀^義t/
入
不考慮樣品非線性時，則光場為
， 27T
瞪2義^/
f n浙五。30l力exp
義d
人
又(i
(8a)
(8b)
式中，d為遠場小孔到焦點的距離。
對小孔處的光強進行空間和時間的積分，可得到透過小孔的能量。小孔的半徑將此能量與在不考慮樣品非線性的情況下得到的透過小孔的能量相比，就得到透過小孔的歸一化非線性透過率
C t 2巧
(9)
如果小孔的半徑取無窮大(即沒有小孔)，則可得到開孔的透過率情況。對開孔和閉孔的歸一化非線性透過率進行擬合，就可以得到樣品的非線性吸收和非線性折射系數(shù)。
在實施例一中，入射能量為0.22AJ，相位物體的半徑為0.5mm，相位延遲
為^=0.5兀，相位物體前入射光束的束腰半徑為2.8 mm，遠場小孔到焦點的距
離為1.6 m,小孔的半徑為2 mm。實驗測得開孔的歸一化非線性透過率為0.71，小于l,說明這個樣品的非線性吸收為反飽和吸收。小孔歸一化的非線性透過
8率為1.29,非線性透過率大于1，說明這個樣品的非線性折射為正折射。改變 樣品非線性吸收系數(shù))S,使得理論計算的開孔非線性透過率和實驗測得的相吻
合，可得AlClPc的非線性吸收系數(shù)為jS^1.01x10-"W/m，此時非線性折射系數(shù)
"2對擬合沒有任何影響，可任意假定一個值。將這個非線性吸收系數(shù)代入擬合
中，改變樣品非線性折射系數(shù)"2，使得理論計算的閉孔非線性透過率和實驗測
得的相吻合，可得AIClPc的非線性折射系數(shù) =0.55x10-18 mVW，和利用Z-scan
所得的P =1.09x10-11 W/m及"2 =0.62xl0_18 m2/W非常接近。
權(quán)利要求
1、一種單脈沖單光束測量材料非線性的方法，將激光束分為兩束，一束為監(jiān)測光，由第一探測器D1記錄，另一束光為探測光，經(jīng)透鏡聚焦到待測樣品上，使待測樣品產(chǎn)生光學非線性；所述待測樣品位于光路中透鏡的焦平面上，出射的脈沖光被第二分束器分為兩束，一束經(jīng)透鏡會聚后被第二探測器D2接收，另外一束通過一個中心和光軸重合的小孔光闌后進入第三探測器D3；其特征在于在探測光的透鏡之前的光路中設(shè)置一相位物體，測量步驟為(1)在遠離透鏡焦點的位置放上待測樣品，用三個探測器測量脈沖光能量，并分別計算出第二探測器D2所測能量和第三探測器D3所測能量與第一探測器所測能量的比值；(2)在探測光路的透鏡的焦平面位置放上待測樣品，用三個探測器測量脈沖光能量，并分別計算出第二探測器D2所測能量和第三探測器D3所測能量與第一探測器所測能量的比值；(3)對步驟(1)和(2)中獲得的比值進行處理，獲得所需的檢測材料的光學非線性吸收和非線性折射系數(shù)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單脈沖單光束測量材料非線性的方法，其特征 在于所述步驟(3)中的處理包括，將步驟(2)中得到的比值與步驟(1)中得到的對 應(yīng)的比值相除，得到樣品歸一化的非線性透過率，對歸一化的非線性透過率進 行理論擬合得到非線性吸收和非線性折射系數(shù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單脈沖單光束測量材料非線性的方法，其特征 在于所述相位物體位于探測光路的透鏡的前焦面上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單脈沖單光束測量材料非線性的方法，其特征 在于所述相位物體的相位延遲為0.25:t 0.75ir ，大小為入射光斑束腰半徑 的0.05 0.5倍。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單脈沖單光束測量材料非線性的方法，其特征 在于所述相位物體的相位延遲為0.5",大小為入射光斑束腰半徑的0.1倍。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單脈沖單光束測量材料非線性的方法，其特征 在于所述第三探測器D3前的小孔光闌的半徑的大小等于相位物體的遠場衍 射光斑的半徑大小。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單脈沖單光束測量材料非線性的方法，在探測光的透鏡之前的光路中設(shè)置一相位物體，在一個單脈沖作用下，通過測量開孔和遠場小孔的非線性透過率，確定材料的非線性吸收和非線性折射系數(shù)。按本發(fā)明方法工作的測量系統(tǒng)光路簡單、數(shù)據(jù)處理簡單，單脈沖測量、樣品無需移動，可以同時測量非線性吸收和非線性折射的大小和符號，測量結(jié)果精確，極大地減少測量成本。
文檔編號G01N21/41GK101532959SQ200910030608
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月17日
發(fā)明者宋瑛林, 李常偉, 楊俊義, 敏 稅, 肖 金 申請人:蘇州大學