專利名稱：基于透鏡幾何光學(xué)成像的非線性吸收測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于測量非線性光子學(xué)材料的測量裝置，尤其是一 種研究非線性吸收的成像裝置，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)域技術(shù)的飛速發(fā)展，非線性光學(xué)材料研究 日益重要。光信息存儲、光開關(guān)、光計(jì)算機(jī)，以及激光加工、激光醫(yī)療與光 子生物學(xué)，激光檢測與計(jì)量，激光光譜分析技術(shù)，激光武器等等方面的應(yīng)用
都要依賴于非線性光學(xué)材料的研究進(jìn)展。光學(xué)非線性測量技術(shù)是研究非線性 光學(xué)材料的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前常用的測量非線性光學(xué)參數(shù)的方法有Z掃
描、四波混頻、三次諧波非線性干涉法、橢圓偏振法、基于4f相位相干成 像測量等。除了 Z掃描和4f相位相干成像方法以外，其他的測量方法均需 兩束或兩束以上激光，使得測量裝置的光路復(fù)雜化。下面就最常用的兩種方 法做簡單介紹。
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))是目前較常用的單光束測量光學(xué)非線性的方法，測量時，將樣品 放在移動平臺上，激光器輸出的脈沖光被透鏡聚焦到樣品上，再被分束器分 成兩路， 一路探測非線性吸收(開孔Z掃描)，另一路經(jīng)過小孔用來探測非線 性折射(閉孔Z掃描)，在測量過程中要移動樣品以測量不同光強(qiáng)下的非線性 響應(yīng)。實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置光路簡單，但是該方法對激光的空間分布及能量 穩(wěn)定性以及樣品表面性質(zhì)要求較髙，測量過程中需要樣品在激光傳播的方向 移動；另外，由于需要激光多次激發(fā)，容易造成材料性質(zhì)的改變以至于損傷， 實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果往往還需要進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)來判斷是否可靠。
基于4f相位相干成像測量材料的三階非線性折射率的方法由GeorgesBoudebs等人于1996年提出(G. Boudebs, M. Chis, and J. P. Bourdin, "Third-order susceptibility measurements by nonlinear image processing", J. Opt. Soc. Am. B， 13， 1450-1456 (1996))，測量時，把非線性樣品放置在 4f系統(tǒng)的頻譜面上，然后讓激光通過這個4f系統(tǒng)，用CCD記錄光場空間分 布的變化，然后結(jié)合數(shù)值模擬就可以得到材料的非線性折射率。由于光場分 布受到非線性吸收和折射共同的影響，這種方法用來測量有非線性吸收有一 定的周限性。雖然通過數(shù)值計(jì)算可以提取出非線性吸收的值(LI YuiiBo， SONG YingLin， WANG YuXiao， ZHANG XueRu， S畫JiangQin, YANG JunYi， SHI Guang & WANG Yu， "Simultaneous measurements of nonlinear refraction and nonlinear absorption using a 4f imaging system" (2008)), 但 是并不能得到很直觀的結(jié)果，而且數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種基于透鏡幾何光學(xué)成像的非線性吸收的 測量裝置，從空間角度對被檢測材料的非線性吸收參數(shù)的分析。
為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是一種基于透鏡成像的 非線性吸收測量裝置，主要由激光器、聚焦透鏡、分束器、監(jiān)測光路和成像 光路組成，所述分束器把激光器發(fā)出的激光脈沖分束至監(jiān)測光路和成像光 路，監(jiān)測光路為一能量計(jì)探頭，所述成像光路包括成像透鏡和CCD相機(jī)， 待測樣品位于聚焦透鏡的焦平面處，待測樣品距離成像透鏡的距離大于成像 透鏡的一倍焦距小于二倍焦距，且待測樣品和CCD相機(jī)到成像透鏡的距離 滿足幾何光學(xué)成像關(guān)系。
上文中，探測光經(jīng)過聚焦透鏡聚焦到待測樣品上，產(chǎn)生光學(xué)非線性效應(yīng)； 由CCD相機(jī)接收，通過分析不同能量下的探測光的空間分布情況就可以確 定待測樣品的光學(xué)非線性吸收系數(shù)。待測樣品距離成像透鏡的距離大于其一 倍焦距小于二倍焦距，而且樣品和CCD相機(jī)到成像透鏡的距離滿足幾何光 學(xué)成像關(guān)系，樣品后表面的光場空間分布將直接被成像透鏡成像到CCD相 機(jī)上。
上述技術(shù)方案中，在所述激光器與聚焦透鏡間設(shè)有前衰減器，在所述 CCD相機(jī)前設(shè)有后衰減器，兩者具有相同衰減倍數(shù)，所述前衰減器和后衰
4減器在測量時可從光路中移除，即，在測量時，可以根據(jù)需要僅設(shè)置前衰減 器，或者僅設(shè)置后衰減器。
上述技術(shù)方案中，所述后衰減器的衰減倍數(shù)大于或等于100，所述CCD 相機(jī)的動態(tài)范圍大于或等于12。
進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述分束器采用低反髙透鏡片，反射率與透射率比
例為i : io iioo。
上述技術(shù)方案中，探測光照射到待測樣品上使其產(chǎn)生非線性響應(yīng)，即物
理特性發(fā)生變化，利用探測光測量此物理變化，利用CCD相機(jī)接收探測光 的能流分布，可以分析在不同入射能量下的待測樣品的非線性響應(yīng)情況，另 外，如果把待測樣品放在聚焦透鏡的焦點(diǎn)位置，還可以通過測量CCD相機(jī) 上成像光斑的大小直接確定束腰半徑的大小。
由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)是
1. 本實(shí)用新型裝置光路簡單、對光路的要求不高，只要待測樣品距離 成像透鏡的距離大于其一倍焦距小于二倍焦距，而且樣品和CCD相機(jī)到成 像透鏡的距離滿足幾何光學(xué)成像關(guān)系即可，監(jiān)測光路只有一個能量計(jì)探頭， 非常簡單。
2. 采用本實(shí)用新型的裝置進(jìn)行測量，為單脈沖測量、沒有樣品的移動、 對激光束的隨機(jī)波動敏感度低、測量精確、速度快等。同時由于其單脈沖測 量的特點(diǎn)，可以用來測量材料的非線性折射率隨曝光時間變化的動態(tài)過程。
3. 由于本裝置測量每次只需要接收一個光斑，數(shù)據(jù)處理較普通4f相位 相干成像系統(tǒng)簡單很多，樣品也不必準(zhǔn)確放在焦平面位置，不需要用傅利葉 光學(xué)進(jìn)行數(shù)值模擬。
4. 對非線性吸收的測量不受非線性折射的影響，測量結(jié)果直觀明了， 而普通4f相位相干成像系統(tǒng)中非線性吸收和折射是互相影響的。


附圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例一中的基于透鏡幾何光學(xué)成像的非線性吸收 的測量裝置光路結(jié)構(gòu)示意圖。
其中1、入射激光束；2、聚焦透鏡；3、分束器；4、監(jiān)測光路；5、待 測樣品；6、成像透鏡；7、后衰減器；8、 CCD相機(jī)；9、成像光路；10、能量計(jì)探頭；11、前衰減器。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述
實(shí)施例一參見附圖1所示， 一種基于透鏡幾何光學(xué)成像的非線性吸收 的測量裝置，主要由激光器1、聚焦透鏡2、分束器3、監(jiān)測光路4和成像 光路9組成，所述分束器3把激光器發(fā)出的激光脈沖分束至監(jiān)測光路和成像 光路，監(jiān)測光路為一能量計(jì)探頭，用來實(shí)時監(jiān)測入射到待測樣品上的能量， 待測樣品5位于聚焦透鏡2的焦平面附近，成像光路包括成像透鏡6和CCD 相機(jī)8。待測樣品距離成像透鏡的距離大于其一倍焦距小于二倍焦距，而且 待測樣品5和CCD相機(jī)8到成像透鏡的距離滿足幾何成像關(guān)系 (l/"+l/v=l//2)。
分束器3采用低反髙透鏡片，反射率與透射率比例為i : io i : ioo， 監(jiān)測光同入射光垂直，被監(jiān)測光路的能量計(jì)探頭io接收。
CCD相機(jī)8的光密度值和衰減器7, 11的衰減倍數(shù)根據(jù)實(shí)際的需要和 實(shí)際出射的探測光的光強(qiáng)，衰減系數(shù)一般大于100，光密度值一般大于12。
使用時，利用分束器3把激光脈沖l分成監(jiān)測光路4和成像光路9，先 把待測樣品放在監(jiān)測光路能量計(jì)探頭前面，把入射光能量調(diào)到非常低以致不 產(chǎn)生非線性，記錄能量計(jì)讀數(shù)，拿掉樣品，再次記錄能量計(jì)讀數(shù)，由前后兩 次能量計(jì)讀數(shù)之比得到待測樣品的線性透過率；入射光經(jīng)過聚焦透鏡2聚焦 照射到待測樣品5上，再經(jīng)過成像透鏡6和衰減器7被CCD 8接收。放上 待測樣品5，拿掉前衰減器11,保留后衰減器7，發(fā)一個脈沖，用CCD相 機(jī)8采集一個"非線性圖像"，同時記錄下能量計(jì)探頭10的讀數(shù)，根據(jù)分束 器的分光比可以知道入射到待測樣品上的能量；拿掉后衰減器7，保留前衰 減器ll，發(fā)一個脈沖，用CCD相機(jī)8采集一個"線性圖像"。
非線性圖像的空間能流分布的變化是由于非線性吸收引起的，用線性圖
像作為輸入信號，通過改變不同的P值來擬合非線性圖像的空間能流分布可
以得到雙光子吸收系數(shù)p-6cm/GW。
權(quán)利要求1.一種基于透鏡成像的非線性吸收測量裝置，其特征在于主要由激光器(1)、聚焦透鏡(2)、分束器(3)、監(jiān)測光路(4)和成像光路(9)組成，所述分束器(3)把激光器發(fā)出的激光脈沖分束至監(jiān)測光路和成像光路，監(jiān)測光路為一能量計(jì)探頭，所述成像光路包括成像透鏡(6)和CCD相機(jī)(8)，待測樣品(5)位于聚焦透鏡的焦平面處，待測樣品距離成像透鏡的距離大于成像透鏡的一倍焦距小于二倍焦距，且待測樣品(5)和CCD相機(jī)(8)到成像透鏡(6)的距離滿足幾何光學(xué)成像關(guān)系。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于透鏡成像的非線性吸收測量裝置，其特 征在于在所述激光器(1)與聚焦透鏡(2)間設(shè)有前衰減器(11)，在所述CCD 相機(jī)(8)前設(shè)有后衰減器(7),兩者具有相同衰減倍數(shù)，所述前衰減器(ll)和后 衰減器(7)在測量時可從光路中移除。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于透鏡成像的非線性吸收測量裝置，其特 征在于所述后衰減器(7)的衰減倍數(shù)大于或等于100,所述CCD相機(jī)(8)的 動態(tài)范圍大于或等于12。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于透鏡幾何光學(xué)成像的非線性吸收測量裝 置，其特征在于所述分束器(3)采用低反高透鏡片，反射率與透射率比例為iio i : iooo
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于透鏡成像的非線性吸收測量裝置，其特征在于主要由激光器、聚焦透鏡、分束器、監(jiān)測光路和成像光路組成，所述分束器把激光器發(fā)出的激光脈沖分束至監(jiān)測光路和成像光路，監(jiān)測光路為一能量計(jì)探頭，所述成像光路包括成像透鏡和CCD相機(jī)，待測樣品位于聚焦透鏡的焦平面處，待測樣品距離成像透鏡的距離大于成像透鏡的一倍焦距小于二倍焦距，且待測樣品和CCD相機(jī)到成像透鏡的距離滿足幾何光學(xué)成像關(guān)系。本實(shí)用新型裝置光路簡單，對光路的精度要求不苛刻；在整個測量過程中樣品不需要移動，測試過程簡單，測量結(jié)果準(zhǔn)確，測量速度快；數(shù)據(jù)處理簡單；實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀明了。
文檔編號G01N21/59GK201331495SQ20092003859
公開日2009年10月21日 申請日期2009年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月7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(xué)