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基于相位物體z掃描的泵浦探測(cè)方法

文檔序號(hào):5945157閱讀:193來(lái)源:國(guó)知局
專(zhuān)利名稱(chēng):基于相位物體z掃描的泵浦探測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種利用光學(xué)手段來(lái)測(cè)試或分析材料的方法,具體涉及一種研究材料的非線性光學(xué)物理機(jī)制以及測(cè)量其光學(xué)物理參數(shù)的方法,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)
非線性光學(xué)領(lǐng)域的飛速發(fā)展離不開(kāi)對(duì)光學(xué)非線性材料的研究。尋找各種用途的理想光學(xué)非線性材料是非線性光學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)非常重要的任務(wù)。具有大的光學(xué)非線性系數(shù)和超快光響應(yīng)的材料被認(rèn)為是用于制造高速光電設(shè)備的新興材料,在光學(xué)工程領(lǐng)域,如全光開(kāi)關(guān)等元器件中有著巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。而對(duì)光學(xué)非線性材料的研究則需要借助于各種光學(xué)非線性測(cè)量技術(shù)。光學(xué)非線性測(cè)量技術(shù)是研究非線性光學(xué)材料的關(guān)鍵技術(shù)之一。在光學(xué)非線性樣品中,一般情況下不止一種非線性機(jī)制,通常會(huì)存在二種甚至更多的非線 性機(jī)制相互作用,而一般的非線性測(cè)量技術(shù)不能很簡(jiǎn)單地把各種光學(xué)非線性機(jī)制區(qū)分開(kāi)。Z 掃描方法(Mansoor Sheik-Bahae, Ali A. Said, Tai-Hui Wei, David J. Hagan, E. ff. VanStryland.“Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam,,,IEEE J. Quantum Elect, 26, 760-769 (1990))是目前最常用的單光束測(cè)量材料光學(xué)非線性的方法,此方法是在光束畸變測(cè)量方法的基礎(chǔ)上提出的,其優(yōu)點(diǎn)是光路簡(jiǎn)單,處理方法簡(jiǎn)單,測(cè)量精度高,并且可同時(shí)測(cè)量非線性吸收與折射。但這種方法很難準(zhǔn)確地確定材料的光學(xué)非線性機(jī)制以及材料一些具體的、重要的光學(xué)物理參數(shù)。在Z-scan的基礎(chǔ)上,1994年J. Wang等人提出了時(shí)間分辨Z_scan技術(shù)(J Wang,M. Sheik-Bahae, A. A. Said, D.J. Hagan, and E. ff. Van Stryland, “Time-resolved Z-scanmeasurements of optical nonlinearities,,,J. Opt. Soc. Am. B, 11,1009-1017,1994)。這種方法通過(guò)對(duì)樣品出射的不同時(shí)刻探測(cè)光的位相和強(qiáng)度的變化情況的分析來(lái)確定材料光學(xué)非線性的機(jī)制以及各個(gè)能級(jí)重要的光學(xué)物理參數(shù)。但這種方法在測(cè)量樣品非線性折射隨時(shí)間變化的特征時(shí)比較麻煩,而且誤差比較大,具體表現(xiàn)為(1)測(cè)量時(shí)需先測(cè)量樣品的非線性吸收的時(shí)間特征,然后再把樣品分別放在兩個(gè)位置進(jìn)行非線性折射時(shí)間特征的測(cè)量,最后還要除去非線性吸收的影響。(2)不能同時(shí)進(jìn)行非線性吸收和非線性折射時(shí)間特征的測(cè)量,由于不同時(shí)刻激光的空間分布和能量是不同的,從而會(huì)引起較大的測(cè)量誤差。最近提出的一種相位物體(PO)泵浦探測(cè)方法(Junyi Yang, Yinglin Song,Yuxiao Wang,ChangweiLi,Xiao Jin,and Min Shui. Time-resolved pump-probe technology with phase objectfor measurements of optical nonlinearities. Optics Express,17,7110-7116(2009)),這種方法能同時(shí)測(cè)量非線性吸收和非線性折射動(dòng)力學(xué)過(guò)程,但這種方法的靈敏度受到主光路T-PO技術(shù)的限制。另外對(duì)于非簡(jiǎn)并非線性折射動(dòng)力學(xué)測(cè)量時(shí),需根據(jù)對(duì)應(yīng)的探測(cè)波長(zhǎng)更換不同的相位物體。本發(fā)明提出一種高靈敏度泵浦探測(cè)技術(shù)能克服傳統(tǒng)時(shí)間分辨Z-scan及PO泵浦探測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高靈敏度泵浦探測(cè)方法,用于材料光學(xué)非線性特別是非線性折射的檢測(cè),確定材料的光學(xué)非線性機(jī)制并可同時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量材料重要的非線性光學(xué)參數(shù)。為達(dá)到上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案是基于相位物體Z掃描的泵浦探測(cè)方法,包括如下步驟把入射激光束分為兩束,其中光強(qiáng)較強(qiáng)的一束為泵浦光,光強(qiáng)較弱的一束為探測(cè)光,泵浦光經(jīng)過(guò)時(shí)間延遲聚焦到非線性待測(cè)樣品上,使處于基態(tài)的待測(cè)樣品產(chǎn)生非線性吸收和非線性折射;所述待測(cè)樣品位于探測(cè)光路中透鏡的焦平面上,在探測(cè)光路的所述待測(cè)樣品后的遠(yuǎn)場(chǎng)位置放置一個(gè)其中心和光軸重合的圓形光闌以及一個(gè)其中心和光軸重合的圓形不透光擋板,經(jīng)樣品出射的探測(cè)光通過(guò)一個(gè)分光鏡分為兩束,其中一束直接進(jìn)入第一探測(cè)器,另一束通過(guò)所述圓形光闌和圓形不透光擋板后進(jìn)入第二探測(cè)器;所述方法的具體測(cè)量步驟為
①在光路上放入待測(cè)樣品,用所述第一和第二探測(cè)器分別收集不同時(shí)刻探測(cè)光的倉(cāng);②對(duì)上述獲得的不同延遲時(shí)間的探測(cè)光能量曲線進(jìn)行處理,獲得所需的檢測(cè)材料的光學(xué)非線性參數(shù)。上述技術(shù)方案中,所述步驟②中的處理包括分別作出開(kāi)孔歸一化的透射能量以及閉孔歸一化隨延遲時(shí)間的變化曲線,其中開(kāi)孔歸一化透射能量隨延遲時(shí)間的變化曲線只與非線性吸收有關(guān),閉孔歸一化隨延遲時(shí)間的變化曲線與非線性吸收和非線性折射都有關(guān)系,對(duì)開(kāi)孔歸一化透射能量隨延遲時(shí)間的變化曲線進(jìn)行擬合得到有關(guān)非線性吸收的光學(xué)參量的大小和壽命;在非線性吸收參數(shù)已知的情況下,通過(guò)對(duì)閉孔歸一化隨延遲時(shí)間的變化曲線進(jìn)行擬合得到非線性折射相關(guān)參量的數(shù)值。上述技術(shù)方案中,所述泵浦光的時(shí)間延遲通過(guò)兩個(gè)反射鏡和一個(gè)直角棱鏡實(shí)現(xiàn),由反射鏡改變泵浦光的方向,調(diào)節(jié)直角棱鏡和反射鏡之間的間距,改變泵浦光的行進(jìn)距離,實(shí)現(xiàn)對(duì)延遲時(shí)間的調(diào)節(jié)。其中,所述直角棱鏡的平行移動(dòng)范圍為0到30cm,時(shí)間延遲范圍為-200ps 到 I. 8nso優(yōu)選的技術(shù)方案,所述探測(cè)光路中產(chǎn)生平頂光的圓形小孔和所述圓形不透光擋板到透鏡的距離符合透鏡成像公式。所述圓形光闌和圓形不透光擋板的尺寸根據(jù)探測(cè)光路遠(yuǎn)場(chǎng)處的衍射主光斑的大小可進(jìn)行調(diào)節(jié),讓邊緣的衍射光通過(guò),圓形光闌和圓形不透光擋板組合后的透過(guò)率小于
0.01。當(dāng)擋板大小一定時(shí),適當(dāng)調(diào)節(jié)光闌的大小,可使系統(tǒng)的靈敏度達(dá)到最大值。優(yōu)選的技術(shù)方案,所述探測(cè)光和泵浦光聚焦到待測(cè)樣品上的夾角在3°到8°范圍內(nèi)。本發(fā)明的技術(shù)方案中,非線性樣品受到泵浦光的激發(fā)后處于基態(tài)的粒子躍向激發(fā)態(tài),粒子布居數(shù)分布的變化導(dǎo)致對(duì)入射光的非線性吸收和非線性折射響應(yīng);又由于粒子布居數(shù)隨著時(shí)間是不斷變化的,所以對(duì)于不同時(shí)刻的探測(cè)光產(chǎn)生的影響是不同的,從樣品探測(cè)光束的位相和強(qiáng)度的變化就可以得知這個(gè)時(shí)刻樣品中的粒子布居情況,通過(guò)分析不同時(shí)刻的探測(cè)光的情況就能夠同時(shí)測(cè)量出樣品的非線性吸收和非線性折射時(shí)間特性曲線,從而可以確定各個(gè)能級(jí)的吸收截面和壽命以及折射率體積。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)I.系統(tǒng)測(cè)量靈敏度非常高,比Z-scan和PO泵浦探測(cè)技術(shù)高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。2.本方法對(duì)非線性吸收和非線性的折射的測(cè)量是同時(shí)完成的,而基于傳統(tǒng)Z掃描方法的泵浦探測(cè)方法對(duì)非線性吸收和非線性的折射的測(cè)量是分別進(jìn)行的,至少得進(jìn)行三次測(cè)量(焦點(diǎn),峰位置和谷位置各一次)。3.本方法中泵浦光和探測(cè)光不要求同軸,可以以一個(gè)小的夾角相交,通過(guò)樣品后二者自動(dòng)分離,因而用探測(cè)器接收信號(hào)時(shí)十分方便;而基于傳統(tǒng)Z掃描方法的泵浦探測(cè)方法由于泵浦光和探測(cè)光共軸的,當(dāng)光束通過(guò)樣品之后必須考慮光束的分離問(wèn)題,特別是當(dāng)泵浦光和探測(cè)光波長(zhǎng)接近或相等的時(shí)候光路會(huì)更加麻煩。4.本發(fā)明所述的測(cè)量方法,可以廣泛地應(yīng)用于非線性光學(xué)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,能夠保證測(cè)試參數(shù)全面,測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確,極大地減小了測(cè)量的誤差;另外本方法對(duì)光路要求簡(jiǎn)單,測(cè)試速度快捷。


圖I是本發(fā)明具體實(shí)施例中的圓形光闌示意圖。圖2是本發(fā)明具體實(shí)施例中的圓形擋板示意圖。圖3是本發(fā)明具體實(shí)施例中的高靈敏度泵浦探測(cè)方法的工作原理圖。其中1、入射激光束;2、分束器;3、泵浦光束;4、反射鏡;5、直角棱鏡;6、反射鏡;7、凸透鏡;8、探測(cè)光束;9、反射鏡;10、凸透鏡;11、凸透鏡;12、圓形小孔;13、凸透鏡;14、待測(cè)樣品;15、分束器;16、凸透鏡;17、第一探測(cè)器;18、圓形光闌;19、圓形擋板;20、凸透鏡;21、第二探測(cè)器。圖4是本發(fā)明具體實(shí)施例中無(wú)擋板歸一化透過(guò)率隨延遲時(shí)間的變化圖。圖5為本發(fā)明具體實(shí)施例中擋板歸一化透過(guò)率隨延遲時(shí)間的變化圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述參見(jiàn)附圖3所示,一種高靈敏度的光功能材料非線性參數(shù)測(cè)量方法,以探測(cè)光路和泵浦光路為基礎(chǔ),泵浦光路主要由兩個(gè)反射鏡4、6,直角棱鏡5,凸透鏡7組成,直角棱鏡5可以前后平移以改變泵浦光的延遲時(shí)間;探測(cè)光路主要由反射鏡9,凸透鏡10,凸透鏡11,圓形小孔12,凸透鏡13,分束器15,凸透鏡16,圓形光闌18 (孔半徑為Ra),圓形擋板19 (半徑為Rd),凸透鏡20,第一探測(cè)器17和第二探測(cè)器21組成;泵浦光路與探測(cè)光路同時(shí)聚焦于待測(cè)樣品14上。利用分束器2把激光脈沖I分成泵浦光束3和探測(cè)光束8。探測(cè)光束8經(jīng)過(guò)反射鏡9改變方向,透過(guò)凸透鏡10和凸透鏡11擴(kuò)束,擴(kuò)束后的激光經(jīng)過(guò)小孔12后形成平頂光,光束經(jīng)凸透鏡13會(huì)聚到放置在焦點(diǎn)的待測(cè)樣品14上,經(jīng)過(guò)分束器15后,分成兩束光,透射的一束經(jīng)圓形光闌18和圓形擋板19后,經(jīng)凸透鏡20會(huì)聚后由第二探測(cè)器21接收,反射的一束經(jīng)凸透鏡16會(huì)聚后由第一探測(cè)器17接收;泵浦光束3經(jīng)過(guò)反射鏡4,直角棱鏡5,反射鏡6構(gòu)成的延遲平臺(tái),由凸透鏡7聚焦到待測(cè)樣品14上,使待測(cè)樣品14處于基態(tài)的粒子受到激發(fā)躍遷到激發(fā)態(tài),粒子布居數(shù)分布的變化對(duì)探測(cè)光的吸收和折射產(chǎn)生影響,又由于粒子布居數(shù)隨時(shí)間是不斷變化的,前后平移直角棱鏡5可以對(duì)不同時(shí)刻的探測(cè)光產(chǎn)生不同的影響,并被第二探測(cè)器21和第一探測(cè)器17接收。在本實(shí)施例中,激光光束為532nm激光,脈寬21ps。樣品為AlClPc/DMF溶液,其在532nm處線性吸收很弱,具有較強(qiáng)的激發(fā)態(tài)光學(xué)非線性。具體的檢測(cè)步驟為(I)在樣品前擋住探測(cè)光,將第二探測(cè)器21放在樣品14的位置,測(cè)量泵浦光的能量。(2)放上樣品14,前后平移直角棱鏡5,連續(xù)記錄不同延遲時(shí)間的探測(cè)光的能量。(3)分別作出開(kāi)孔歸一化的透射能量以及閉孔歸一化隨延遲時(shí)間的變化曲線。對(duì)于AlClPc/DMF非線性測(cè)量的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算具體過(guò)程如下在考慮慢變振幅近似和薄樣品近似的情況下探測(cè)光在樣品中傳播滿足
權(quán)利要求
1.基于相位物體Z掃描的泵浦探測(cè)方法,包括如下步驟把入射激光束分為兩束,其中光強(qiáng)較強(qiáng)的一束為泵浦光,光強(qiáng)較弱的一束為探測(cè)光,泵浦光經(jīng)過(guò)時(shí)間延遲聚焦到非線性待測(cè)樣品上,使處于基態(tài)的待測(cè)樣品產(chǎn)生非線性吸收和非線性折射;所述待測(cè)樣品位于探測(cè)光路中透鏡(13)的焦平面上,其特征在于在探測(cè)光路的所述待測(cè)樣品后的遠(yuǎn)場(chǎng)位置放置一個(gè)其中心和光軸重合的圓形光闌(18)以及一個(gè)其中心和光軸重合的圓形不透光擋板(19),經(jīng)樣品出射的探測(cè)光通過(guò)一個(gè)分光鏡(15)分為兩束,其中一束直接進(jìn)入第一探測(cè)器(17),另一束通過(guò)所述圓形光闌(18)和圓形不透光擋板(19)后進(jìn)入第二探測(cè)器(21);具體測(cè)量步驟為①在光路上放入待測(cè)樣品,用所述第一和第二探測(cè)器分別收集不同時(shí)刻探測(cè)光的能量; ②對(duì)上述獲得的不同延遲時(shí)間的探測(cè)光能量曲線進(jìn)行處理,獲得所需的檢測(cè)材料的光學(xué)非線性參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于相位物體Z掃描的泵浦探測(cè)方法,其特征在于所述步驟②中的對(duì)探測(cè)光能量曲線處理包括分別作出開(kāi)孔歸一化的透射能量以及閉孔歸一化隨延遲時(shí)間的變化曲線,對(duì)開(kāi)孔歸一化透射能量隨延遲時(shí)間的變化曲線進(jìn)行擬合得到有關(guān)非線性吸收的光學(xué)參量的大小和壽命;在非線性吸收參數(shù)已知的情況下,通過(guò)對(duì)閉孔歸一化隨延遲時(shí)間的變化曲線進(jìn)行擬合得到非線性折射相關(guān)參量的數(shù)值。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于相位物體Z掃描的泵浦探測(cè)方法,其特征在于所述泵浦光的時(shí)間延遲通過(guò)兩個(gè)反射鏡和一個(gè)直角棱鏡實(shí)現(xiàn),其中,由反射鏡改變泵浦光的方向,調(diào)節(jié)直角棱鏡和反射鏡之間的間距,改變泵浦光的行進(jìn)距離,實(shí)現(xiàn)對(duì)延遲時(shí)間的調(diào)節(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于相位物體Z掃描的泵浦探測(cè)方法,其特征在于所述直角棱鏡的平行移動(dòng)范圍為O到30cm,時(shí)間延遲范圍為_(kāi)200ps到I. 8ns。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高靈敏度泵浦探測(cè)方法,其特征在于所述探測(cè)光路中產(chǎn)生平頂光的圓形小孔(12)和所述圓形不透光擋板(19)到透鏡的距離符合透鏡成像公式為優(yōu)選。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于相位物體Z掃描的泵浦探測(cè)方法,其特征在于所述圓形光闌(18)和圓形不透光擋板(19)的尺寸根據(jù)探測(cè)光路遠(yuǎn)場(chǎng)處的衍射主光斑的大小進(jìn)行調(diào)節(jié),讓邊緣的衍射光通過(guò);所述圓形光闌(18)和圓形不透光擋板(19)組合后的透過(guò)率小于 0. 01。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于相位物體Z掃描的泵浦探測(cè)方法,其特征在于所述探測(cè)光和泵浦光聚焦到待測(cè)樣品上的夾角在3°到8°范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于相位物體Z掃描的泵浦探測(cè)方法,包括如下步驟把入射激光束分為兩束,其中光強(qiáng)較強(qiáng)的一束為泵浦光,光強(qiáng)較弱的一束為探測(cè)光,泵浦光經(jīng)過(guò)時(shí)間延遲聚焦到非線性待測(cè)樣品上,使處于基態(tài)的待測(cè)樣品產(chǎn)生非線性吸收和非線性折射;待測(cè)樣品位于探測(cè)光路中透鏡的焦平面上,在探測(cè)光路的待測(cè)樣品后的遠(yuǎn)場(chǎng)位置放置一個(gè)其中心和光軸重合的圓形光闌以及一個(gè)其中心和光軸重合的圓形擋板,出射的探測(cè)光通過(guò)一分光鏡分為兩束,其中一束直接進(jìn)入第一探測(cè)器,另一束通過(guò)光闌和擋板后進(jìn)入第二探測(cè)器。按本發(fā)明方法工作的測(cè)量系統(tǒng)靈敏度非常高、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單,非線性吸收和折射可以同時(shí)測(cè)量而不需要分開(kāi)進(jìn)行,具有測(cè)量結(jié)果精確等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/17GK102645408SQ201210089129
公開(kāi)日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月30日
發(fā)明者宋瑛林, 楊俊義 申請(qǐng)人:常熟微納激光光子技術(shù)有限公司
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