一種可區(qū)分折射符號(hào)的高靈敏度測(cè)量材料光學(xué)非線性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用光學(xué)手段在來(lái)測(cè)試或分析材料的方法，具體涉及一種研宄材 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)】
[0002] 非線性光學(xué)領(lǐng)域的飛速發(fā)展離不開對(duì)光學(xué)非線性材料的研宄。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)非線性材料的研宄則需要借助于各種 光學(xué)非線性測(cè)量技術(shù)。光學(xué)非線性測(cè)量技術(shù)是研宄非線性光學(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。Z掃描 方法（MansoorSheik-Bahae,AliA.Said,Tai-HuiWei,DavidJ.Hagan,E.ff.Van Stryland."Sensitivemeasurementofopticalnonlinearitiesusingasinglebeam IEEEJ.QuantumElect, 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)確的確定材 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)。
[0003] 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,andE.ff.VanStryland，"Time-resolved Z-scanmeasurementsofopticalnonlinearities''，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（P0)泵浦探測(cè)方法（JunyiYang,YinglinSong, YuxiaoWang,ChangweiLi,XiaoJin,andMinShui.Time-resolvedpump-probe technologywithphaseobjectformeasurementsofopticalnonlinearities.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-P0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高精度 的泵浦探測(cè)技術(shù)能克服傳統(tǒng)時(shí)間分辨Z-scan及P0泵浦探測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種可區(qū)分折射符號(hào)的高靈敏度測(cè)量材料光學(xué)非線性的方 法，用于材料光學(xué)非線性的測(cè)量，能同時(shí)測(cè)量非線性吸收和非線性折射，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)。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種可區(qū)分折射符號(hào)的高靈敏度測(cè) 量材料光學(xué)非線性的方法，把激光束分為兩束，一束光強(qiáng)比較強(qiáng)，一束光強(qiáng)比較弱。光強(qiáng)較 強(qiáng)一束為泵浦光，較弱的一束為探測(cè)光，泵浦光經(jīng)過(guò)時(shí)間延遲聚焦到待測(cè)樣品上，使處于基 態(tài)的非線性樣品產(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)光光路中透鏡的焦 平面上，出射的探測(cè)光經(jīng)一分光鏡分為兩束，一束進(jìn)入探測(cè)器，另一束通過(guò)一個(gè)中心和光軸 重合的圓形擋板后進(jìn)入另外一個(gè)探測(cè)器；其測(cè)量步驟為： ① 放上待測(cè)樣品，用兩個(gè)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)。
[0006] 上述技術(shù)方案中，所述步驟②中的處理包括，分別作出開孔歸一化的透射能量以 及擋板歸一化隨延遲時(shí)間的變化曲線，其中開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)，光斑經(jīng)過(guò)擋板后的歸一化隨延遲時(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)擋板歸一化隨延 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。
[0007] 其中上述技術(shù)方案中，所述圓形擋板的大小要根據(jù)探測(cè)光路遠(yuǎn)場(chǎng)處的主光斑的大 小進(jìn)行調(diào)節(jié)，讓邊緣的衍射光通過(guò)，擋板組合后的透過(guò)率小于〇. 01。
[0008] 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)。
[0009] 其中，所述直角棱鏡的移動(dòng)范圍為0到30cm，時(shí)間延遲范圍為-200ps到1. 8ns。 [0010] 優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的擋板大小以既能提高系統(tǒng)靈敏度，又能區(qū)分非線性折射 信號(hào)的符號(hào)為準(zhǔn)。
[0011] 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0在3°到8° 范圍內(nèi)。
[0012] 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。由于在材料在一定的位置引起遠(yuǎn)場(chǎng) 光斑變化能達(dá)到最大，因此我們將樣品放置在偏離透鏡焦平面的位置，而不是現(xiàn)有的技術(shù) 一樣放置在透鏡的焦平面。
[0013] 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)： 1.系統(tǒng)測(cè)量靈敏度高，比Z-scan和P0泵浦探測(cè)技術(shù)高一個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0014] 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，既能提高系統(tǒng)的靈敏 度，又能區(qū)分材料非線性折射的符號(hào)。以往提出的提高靈敏度的方法不能區(qū)分非線性折射 的符號(hào)。
[0015] 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。
[0016] 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