一種改進(jìn)的z掃描非線性測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超強(qiáng)超快激光脈沖在非線性光學(xué)方面的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種改進(jìn)的Z掃描非線性測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光器的發(fā)明是20世紀(jì)物理學(xué)最重大的成就之一，激光器問(wèn)世以后提供了超強(qiáng)的電場(chǎng)，特別是當(dāng)光波的電場(chǎng)強(qiáng)度可與原子內(nèi)部的庫(kù)侖場(chǎng)強(qiáng)度相比擬時(shí)，許多新奇的光學(xué)現(xiàn)象產(chǎn)生了，例如介質(zhì)的吸收系數(shù)不再是一個(gè)常數(shù)，而與光強(qiáng)有依賴關(guān)系，這時(shí)一個(gè)新的學(xué)科出現(xiàn)了一一非線性光學(xué)，非線性光學(xué)主要研宄的是強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用。同時(shí)，如此大的光強(qiáng)很容易損壞精密儀器，特別是人的眼睛，為了保護(hù)精密儀器，光進(jìn)入精密儀器之前需要加一個(gè)光學(xué)限幅器。一個(gè)理想的光學(xué)限幅器:當(dāng)光較弱時(shí)，幾乎沒(méi)有吸收，讓大部分光進(jìn)入儀器便于觀察和探測(cè)，而當(dāng)光較強(qiáng)時(shí)，限幅器便幾乎吸收掉所有的光，只有一小部分進(jìn)入儀器，這樣就可以保護(hù)人眼和精密儀器探頭，不致被強(qiáng)光損壞。因此，尋找具有大的非線性吸收系數(shù)的材料便成了一個(gè)前沿研宄熱點(diǎn)。
[0003]Z掃描技術(shù)是研宄非線性光學(xué)系數(shù)的一種重要方法，它建立于光束空間畸變的原理基礎(chǔ)之上，采用單光束測(cè)量，由遠(yuǎn)場(chǎng)透射率(T/%)的變化可直觀判斷非線性吸收系數(shù)和折射率的符號(hào)，利用公式擬合，可以直接得到它們的大小。單光束Z掃描方法光路簡(jiǎn)單，且靈敏度高。更引人注目的是這種測(cè)量技術(shù)功能強(qiáng)大，它可以測(cè)量非線性折射率和非線性吸收系數(shù)，即X (3)的實(shí)部和虛部。所以自1989年由Μ.Sheik-Bahae等人提出以來(lái)，迅速得到完善和發(fā)展，并被相繼應(yīng)用到了光折變非線性效應(yīng)的研宄、激光束質(zhì)量的檢測(cè)等方面，是一種非常實(shí)用的實(shí)驗(yàn)手段。
[0004]Z掃描方法的基本實(shí)驗(yàn)裝置又分為開(kāi)孔和閉孔兩種情況，分別測(cè)量非線性吸收系數(shù)和非線性折射率。飛秒激光器輸出的高斯型光束經(jīng)會(huì)聚透鏡后進(jìn)入樣品，樣品放置在一個(gè)可以沿Z軸前后移動(dòng)的單軸電動(dòng)平移臺(tái)上，樣品隨電動(dòng)平移臺(tái)一起移動(dòng)，透過(guò)樣品的光由透鏡收集全部進(jìn)入探測(cè)器，然后由鎖相放大器放大后電腦直接讀出。改變Z軸的坐標(biāo)，即樣品的位置，由于介質(zhì)的非線性吸收導(dǎo)致進(jìn)入探測(cè)器的光強(qiáng)不同，可以得到一條透射率T與樣品位置Z的曲線，這就是開(kāi)孔Z掃描。開(kāi)孔Z掃描中探測(cè)器接收到的光強(qiáng)變化完全由非線性吸收引起，因此這種方法可以得到非線性吸收系數(shù)。另外，如果在探測(cè)器前放置一個(gè)同心圓孔，只允許部分透射光進(jìn)入到探測(cè)器，這就是閉孔Z掃描。閉孔Z掃描中光強(qiáng)的變化主要由折射率不均勻引起的，可以測(cè)量非線性折射率。
[0005]但是，之前報(bào)道的開(kāi)孔和閉孔Z掃描均分兩次測(cè)量，不僅浪費(fèi)時(shí)間，增加激光器等昂貴儀器的使用時(shí)間。更重要的是無(wú)法保證吸收系數(shù)和折射率是在完全相同的實(shí)驗(yàn)條件下獲得，在去除非線性吸收對(duì)閉孔Z掃描影響時(shí)，會(huì)引入更大的誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，提供了一種改進(jìn)的Z掃描非線性測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置及方法，該裝置完成了開(kāi)孔和閉孔Z掃描測(cè)量工作，同時(shí)獲得待測(cè)樣品的非線性吸收系數(shù)和折射率這兩個(gè)參數(shù)的符號(hào)和大小。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0008]一種改進(jìn)的Z掃描非線性測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置，包括:
[0009]放置待測(cè)樣品的控制臺(tái)，所述控制臺(tái)在電機(jī)控制下沿平行于激光的主光軸的Z軸前后移動(dòng)；
[0010]激光器，沿著所述激光器發(fā)出激光的主光軸方向依次設(shè)有斬波器、第一透鏡、分束鏡和第一探測(cè)器；所述分束鏡和第一探測(cè)器之間設(shè)有光闌，激光的主光軸穿過(guò)光闌的孔徑中心；所述分束鏡所在的平面與激光主光軸方向的夾角為銳角，所述分束鏡的反射光路中依次設(shè)有第二透鏡和第二探測(cè)器；所述第一探測(cè)器與第一鎖相放大器相連，所述第二探測(cè)器與第二鎖相放大器相連，第一鎖相放大器和第二鎖相放大器均與PC機(jī)相連。
[0011]所述分束鏡所在的平面與激光主光軸方向的夾角設(shè)為45度。
[0012]所述第一探測(cè)器和第二探測(cè)器為全同探測(cè)器。
[0013]所述待測(cè)樣品為透明樣品或半透明樣品。
[0014]一種基于改進(jìn)的Z掃描非線性測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，包括:
[0015]步驟(I):啟動(dòng)改進(jìn)的Z掃描非線性測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置；
[0016]步驟(2):調(diào)整待測(cè)樣品，將待測(cè)樣品放置于第一透鏡與分束鏡之間，且使待測(cè)樣品的表面與激光器發(fā)射的激光的主光軸方向垂直；部分激光透過(guò)分束鏡，調(diào)節(jié)光闌，使光闌平面垂直于激光的傳播方向，而且光軸穿過(guò)光闌的中心后進(jìn)入第一探測(cè)器，由分束鏡反射的激光通過(guò)第二透鏡全部收集進(jìn)入第二探測(cè)器；
[0017]步驟(3):當(dāng)待測(cè)樣品在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制下沿平行于激光的主光軸的Z軸前后移動(dòng)時(shí)，進(jìn)入第一探測(cè)器的激光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，再經(jīng)過(guò)第一鎖相放大器放大后傳輸至PC機(jī)中繪制出閉孔Z掃描曲線，獲得待測(cè)樣品的非線性折射率的大小和符號(hào)；進(jìn)入第二探測(cè)器的激光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，再經(jīng)過(guò)第二鎖相放大器放大后傳輸至PC機(jī)中繪制出開(kāi)孔Z掃描曲線，獲得待測(cè)樣品的非線性吸收系數(shù)的大小和符號(hào)。
[0018]所述激光入射到分束鏡上的入射角選擇45度。
[0019]所述激光器發(fā)射的激光為高斯型激光脈沖。
[0020]當(dāng)激光器發(fā)射出高斯型激光脈沖且樣品沿Z軸從-Z向+Z移動(dòng)時(shí)，若閉孔Z掃描曲線的形狀為先谷后峰，則待測(cè)樣品的非線性折射率大于O;若閉孔Z掃描曲線的形狀為先峰后谷，則待測(cè)樣品的非線性折射率小于O。
[0021]當(dāng)激光器發(fā)射出高斯型激光脈沖且樣品沿Z軸從-Z向+Z移動(dòng)時(shí)，若開(kāi)孔Z掃描曲線為關(guān)于Z = O軸對(duì)稱的谷型曲線，則待測(cè)樣品的非線性吸收系數(shù)大于O ;若開(kāi)孔Z掃描曲線為關(guān)于Z = O軸對(duì)稱的峰型曲線，則待測(cè)樣品的非線性吸收系數(shù)小于O。
[0022]本發(fā)明有益效果:
[0023](I)本實(shí)驗(yàn)裝置光路簡(jiǎn)單，沒(méi)有復(fù)雜的光學(xué)儀器，操作容易；鎖相放大器和斬波器的使用大大提高了信噪比，可以探測(cè)到極其微弱的光信號(hào)；
[0024](2)本實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了一次性完成非線性吸收系數(shù)和非線性折射率兩個(gè)參數(shù)的測(cè)量工作，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，減少了激光器等精密儀器的使用時(shí)間，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，而且降低了激光器不穩(wěn)定等帶來(lái)的噪聲；
[0025](3)本發(fā)明透過(guò)樣品的激光經(jīng)過(guò)分束鏡分為光強(qiáng)相等的兩個(gè)分量，兩個(gè)分量分別進(jìn)入兩個(gè)全同的光電探測(cè)器，信號(hào)經(jīng)鎖相放大器放大后由電腦直接讀出，同時(shí)獲得非線性吸收系數(shù)和非線性折射率兩個(gè)參數(shù)的大小和符號(hào)。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1是本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2是開(kāi)孔Z掃描原理圖；
[0028]圖3是閉孔Z掃描原理圖。
[0029]其中，1、斬波器，2、第一透鏡，3、待測(cè)樣品，4、分束鏡，5、光闌，6、第一探測(cè)器，7、第二透鏡，8、第二探測(cè)器，9、第一鎖相放大器，10、第二鎖相放大器，11、PC機(jī)，12、電機(jī)，13、斬波器控制器。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明:
[0031]如I圖所示，一種改進(jìn)的Z掃描非線性測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置，包括:放置待測(cè)樣品3的控制臺(tái)，所述控制臺(tái)在電機(jī)控制下沿平行于激光的主光軸的Z軸前后移動(dòng)；
[0032]激光器，沿著所述激光器發(fā)出激光的主光軸方向依次設(shè)有與斬波器控制器13相連的斬波器1、第一透鏡2、分束鏡4和第一探測(cè)器6 ;所述分束鏡4和第一探測(cè)器6之間設(shè)有光闌5，激光的主光軸穿過(guò)光闌5的孔徑中心；所述分束鏡4所在的平面與激光主光軸方向的角為銳度，所述分束鏡4的反射光路中依次設(shè)有第二透鏡7和第二探測(cè)器8 ;所述第一探測(cè)器6與第一鎖相放大器9相連，所述第二探測(cè)器8與第二鎖相放大器10相連，第一鎖相放大器9和第二鎖相放大器10均與PC機(jī)11相連。
[0033]所述分束鏡4所在的平面與激光主光軸方向的角度設(shè)為45度，這樣使得透過(guò)樣品的激光經(jīng)過(guò)分束鏡分為光強(qiáng)相等的兩個(gè)分量。
[0034]所述第一探測(cè)器6和第二探測(cè)器8為全同探測(cè)器。
[0035]所述待測(cè)樣品3為透明樣品或半透明樣品。
[0036]一種基于Z掃描非線性測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，包括:
[0037]一種基于改進(jìn)的Z掃描非線性測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，包括:
[0038]步驟(I):啟動(dòng)改進(jìn)的Z掃描非線性測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置；
[0039]步驟(2):調(diào)整待測(cè)樣品，將待測(cè)樣品放置于第一透鏡和分束鏡之間，且待測(cè)樣品的表面與激光的主光軸方向垂直；部分激光透過(guò)分束鏡，調(diào)節(jié)光闌，使光闌平面垂直于激光的傳播方向，而且透射激光的主光軸穿過(guò)光闌的中心后進(jìn)入第一探測(cè)器，由分束鏡反射的激光通過(guò)第二透鏡全部收集進(jìn)入第二探測(cè)器；其中，激光入射到分束鏡的入射角度最佳為45度，這