CN101477047B - 基于透镜几何光学成像的非线性吸收测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于透镜几何光学成像的非线性吸收的测量方法，把激光器输出来的光分为监测光和探测光，监测光被一能量计探头接收，用来实时监测入射到待测样品上的能量，探测光经聚焦透镜聚焦以后照射到位于其焦点或附近位置的待测样品上，非线性导致经过样品的探测光空间分布发生变化，这种变化经过放在后面的成像透镜被CCD相机记录。按本发明方法工作的测量***理论模型非常简单，数据处理容易，测量速度快，单脉冲测量降低了光学累积效应，非线性吸收的测量不受非线性折射的影响，对激光束的随机波动敏感度低，测量结果精确，实验结果直观明了等优点。

Description

基于透镜几何光学成像的非线性吸收测量方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量非线性光子学材料的测量方法，尤其是一种研究非线性吸收的成像方法，属于非线性光子学材料和非线性光学信息处理领域。

背景技术

随着光通信和光信息处理等领域技术的飞速发展，非线性光学材料研究日益重要。光信息存储、光开关、光计算机，以及激光加工、激光医疗与光子生物学、激光检测与计量、激光光谱分析技术、激光武器等等方面的应用都要依赖于非线性光学材料的研究进展。光学非线性测量技术是研究非线性光学材料的关键技术之一。目前常用的测量非线性光学参数的方法有Z扫描、四波混频、三次谐波非线性干涉法、椭圆偏振法、基于4f相位相干成像测量等。除了Z扫描和4f相位相干成像方法以外，其他的测量方法均需两束或两束以上激光，使得测量装置的光路复杂化。下面就最常用的两种方法做简单介绍。

Z扫描方法(Mansoor Sheik-Bahae，Ali A.Said，Tai-Hui Wei，David J.Hagan，E.W.Van Stryland.“Sensitive measurement of optical nonlinearitiesusing a single beam”，IEEE J.Quantum Elect，26，760-769(1990))是目前较常用的单光束测量光学非线性的方法，测量时，将样品放在移动平台上，激光器输出的脉冲光被透镜聚焦到样品上，再被分束器分成两路，一路探测非线性吸收(开孔Z扫描)，另一路经过小孔用来探测非线性折射(闭孔Z扫描)，在测量过程中要移动样品以测量不同光强下的非线性响应。实现上述方法的装置光路简单，但是该方法对激光的空间分布及能量稳定性以及样品表面性质要求较高，测量过程中需要样品在激光传播的方向移动；另外，由于需要激光多次激发，容易造成材料性质的改变以至于损伤，实验测量结果往往还需要进行其他实验来判断是否可靠。

基于4f相位相干成像测量材料的三阶非线性折射率的方法是由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))，后来经过几次改进演变成通过在4f***入射面上加相位光阑来测量材料的非线性。这个方法是受到泽尔尼克相衬原理启发而提出的。它同Z扫描方法一样，也属于光束畸变测量。其基本原理是把非线性样品放置在4f***的频谱面上，然后让激光通过这个4f***。这样由于样品非线性的作用，4f***出射面上的光强分布就会发生变化。用CCD将变化了的光场空间分布记录下来，然后配合数值模拟就可以得到材料的非线性系数。

由于光场分布受到非线性吸收和折射共同的影响，4f***用来测量纯非线性折射的样品具有较高的灵敏度，但是测量有非线性吸收的样品有一定的局限性。虽然通过数值计算可以提取出非线性吸收的值(LI YunBo，SONGYingLin，WANG YuXiao，ZHANG XueRu，SUN JiangQin，YANG JunYi，SHIGuang & WANG Yu，“Simultaneous measurements of nonlinear refractionand nonlinear absorption using a 4f imaging system”(2008))，但是并不能得到很直观的结果，而且数据处理比较复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于透镜几何光学成像的非线性吸收的测量方法，从空间角度对被检测材料的非线性吸收参数进行分析。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于透镜几何光学成像的非线性吸收测量方法，将激光脉冲分束为监测光和探测光，探测光经聚焦透镜聚焦后照射到待测样品上，再经过成像透镜成像到CCD相机上，其中，待测样品位于聚焦透镜(焦距f₁)的焦点或附近，成像透镜的焦距为f₂，待测样品与成像透镜的距离为u，CCD相机到成像透镜的距离为v，则f₂＜u＜2f₂，且1/u+1/v＝1/f₂，即待测样品和CCD相机到成像透镜的距离满足几何光学成像关系；监测光照射在能量计探头上，其测量步骤为：

(1)先把待测样品放在监测光路能量计探头前面，在入射光路中设置前衰减器，把入射光能量调节至产生非线性的阈值以下，记录能量计读数，拿掉样品，再次记录能量计读数，由前后两次能量计读数之比得到待测样品的线性透过率；

(2)把待测样品放到探测光路中，拿掉前衰减器，在CCD相机前设置后衰减器，发一个脉冲，用CCD相机采集一个“非线性图像”，同时记录能量计读数，根据监测光和探测光的分光比确定入射到待测样品上的能量；拿掉后衰减器，设置前衰减器，发一个脉冲，用CCD相机采集一个“线性图像”；

(3)对上述获得的线性图像和非线性图像进行处理，获得待测样品的非线性吸收系数。

上述技术方案中，所述步骤(3)中的处理包括，将线性图像和非线性图像去掉背景噪声后，以线性图像作为空间输入，根据薄样品的吸收理论，计算得到样品后表面的空间分布，改变非线性吸收系数值进行拟合，其中，使样品后表面的空间分布和采集到的非线性图像重合最好时的系数就是待测样品的非线性吸收系数。

上述技术方案中，入射激光脉冲采用分束器进行分束，其中，监测光经过分束器后被能量计探头接收，根据分束器的分光比，通过能量计探头接收的能量可以知道入射到样品上的能量。

上述技术方案中，所述探测光在被CCD接收前的衰减倍数大于或等于100，CCD的动态范围大于或等于12。

本发明的技术方案中，探测光照射到待测样品上使其产生非线性响应，即物理特性发生变化，样品后表面的光场空间分布将被成像透镜直接成像到CCD上，利用CCD接收到的探测光的空间分布，可以分析在不同入射能量下的待测样品的非线性响应情况，另外，如果把待测样品放在聚焦透镜的焦点位置，还可以通过测量成像光斑的大小直接确定束腰半径的大小。

本发明方法用一种全新的思路实现了对材料非线性吸收参数的测量，同其他非线性光学测量技术(如Z扫描方法，4f***)相比，具有以下优点：

1.本方法采用单脉冲测量、没有样品的移动、对激光束的随机波动敏感度低、测量精确、速度快。与现有技术中改变输入能量，通过测量透射能量的变化来计算非线性吸收系数，需多个不同能量的脉冲才能完成测量的方法相比，本发明主要利用脉冲的空间分布来测量，是单脉冲成像法测量，可以用来测量材料的非线性折射率随曝光时间变化的动态过程。

2.本方法的光路简单、对光路的要求不高，只要待测样品距离成像透镜的距离大于其一倍焦距小于二倍焦距，而且样品和CCD相机到成像透镜的距离满足几何光学成像关系即可，监测光路只有一个能量计探头，非常简单。

3.本方法测量每次只需要采集一个光斑，数据处理较普通4f相位相干成像***简单了很多，样品也不必准确放在焦平面位置，不需要用傅利叶光学进行数值模拟。

4.对非线性吸收的测量不受非线性折射的影响，测量结果直观明了，而普通4f相位相干成像***中非线性吸收和折射是互相影响的。

附图说明

附图1是本发明实施例一中的基于透镜几何光学成像的非线性吸收的测量方法的工作原理图；

附图2是本发明实施例一中CCD相机采集到的线性图像空间分布；

附图3是本发明实施例一中CCD相机采集到的非线性图像空间分布；

附图4是本发明实施例一中非线性图像x(y＝0)方向空间分布的拟合结果；

附图5是本发明实施例一中非线性图像y(x＝0)方向空间分布的拟合结果。

其中：1、入射激光束；2、聚焦透镜；3、分束器；4、监测光路；5、待测样品；6、成像透镜；7、后衰减器；8、CCD相机；9、探测光路；10、能量计探头；11、前衰减器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图1所示，一种基于透镜几何光学成像的非线性吸收的测量方法，以监测光路4和探测光路9为基础，监测光路4包括一能量计探头10，用来实时监测入射到待测样品上的能量，待测样品位于聚焦透镜2的焦平面附近，探测光路9包括成像透镜6和后衰减器7及CCD相机8。待测样品5距离成像透镜6的距离大于其一倍焦距小于二倍焦距，而且待测样品5和CCD相机8到成像透镜6的距离满足几何成像关系。

利用分束器3把入射激光束1的激光脉冲分束至监测光路4和探测光路9，入射光经过聚焦透镜2聚焦照射到待测样品5上，再经过成像透镜6和后衰减器7被CCD 8接收。探测光照射到待测样品5上使其产生非线性响应，即物理特性发生变化，样品后表面的光场空间分布被成像透镜6直接成像到CCD相机8上，利用CCD相机8接收到的探测光的空间分布，可以分析在不同入射能量下的待测样品的非线性响应情况，另外，如果把待测样品放在聚焦透镜2的焦点位置，还可以通过测量CCD相机接收到的光斑大小直接确定束腰半径的大小。

在本实施例中，激光光束为Nd:YAG激光器(Ekspla，PL2143B)倍频以后的532nm激光，脉宽21ps(FWHM)。CCD相机像素大小6.4×6.4μm²，每个像素具有4095级灰度。待测样品为ZnSe。检测步骤如下：

第一步：利用分束器3把激光脉冲1分成监测光路4和成像光路9，先把待测样品5放在监测光路能量计探头10前面，把入射光能量调到非常低以致不产生非线性，记录能量计读数，拿掉待测样品5，再次记录能量计读数，由前后两次能量计读数之比得到待测样品的线性透过率；

第二步：把待测样品5放在附图1中所示位置(即探测光路中)，拿掉前衰减器11，保留后衰减器7，发一个脉冲，用CCD相机采集一个“非线性图像”，同时记录下能量计探头10的读数；拿掉后衰减器7，保留前衰减器11，发一个脉冲，用CCD相机采集一个“线性图像”。

第三步：将线性图像和非线性图像去掉背景噪声后，用线性图像空间分布作为输入信号，根据激光在薄样品中的非线性传播理论，计算得到样品后表面的空间分布，与实验采集到的非线性图像空间分布做比较得到非线性吸收系数。对于ZnSe非线性吸收系数测量的实验和理论计算具体过程如下：

探测光在样品中传播满足

$\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dz}}=-\mathrm{\αI}-\mathrm{\β}{I}^2---\left(1\right)$

定义α为线性吸收系数，α＝log(1/Tl)/L，Tl为待测样品的线性透过率，β为非线性吸收系数(这里为双光子吸收系数)，当待测样品被看作薄样品时，在样品后表面的出射电场I_L(x，y，t)可表示为

I_L(x，y，t)＝I(x，y，t)e^-αL[1+q(x，y，t)]^-1           (2)

其中q(x，y，t)＝βL_effI(x，y，t)，L_eff＝(1-e^-αL)/α，L是样品的厚度，I(x，y，t)是样品内的光强分布。CCD相机收集到的图像是探测光的能流分布F(x，y)，

$F(x,y)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{I}_L(x,y,t)\mathrm{dt}---\left(3\right)$

对于不同的入射激光能量，由于有非线性吸收的存在，CCD相机收集到的图像的能流分布不同，以线性图像的空间能流分布作为空间输入，根据方程(2)(3)，可以数值计算得到CCD上的能流分布，改变不同的非线性吸收系数值，把数值计算得到CCD上的能流分布和实验采集到的非线性图像的能流分布做比较，当两者差别最小的时候，此时的值就是样品的非线性吸收系数值。

附图2是ZnSe实验中CCD相机采集到的线性图像空间分布；附图3是实验中CCD相机采集到的非线性图像空间分布；按上述方法拟合得到非线性吸收系数为β＝6cm/GW；附图4是非线性图像x(y＝0)方向空间分布的拟合结果；附图5是y(x＝0)方向空间分布的拟合结果。

Claims (3)

1.一种基于透镜几何光学成像的非线性吸收测量方法，其特征在于：将激光脉冲分束为监测光和探测光，探测光经聚焦透镜聚焦后照射到待测样品上，再经过成像透镜成像到CCD相机上，其中，待测样品位于聚焦透镜的焦点，成像透镜的焦距为f₂，待测样品与成像透镜的距离为u，CCD相机到成像透镜的距离为v，则f₂＜u＜2f₂，且1/u+1/v＝1/f₂；监测光照射在能量计探头上，其测量步骤为：

(1)先把待测样品放在监测光路能量计探头前面，在入射光路中设置前衰减器，把入射光能量调节至产生非线性的阈值以下，记录能量计读数，拿掉样品，再次记录能量计读数，由前后两次能量计读数之比得到待测样品的线性透过率；

(2)把待测样品放到探测光路中，拿掉前衰减器，在CCD相机前设置后衰减器，发一个脉冲，用CCD相机采集一个“非线性图像”，同时记录能量计读数，根据监测光和探测光的分光比确定入射到待测样品上的能量；拿掉后衰减器，设置前衰减器，发一个脉冲，用CCD相机采集一个“线性图像”；

(3)对上述获得的线性图像和非线性图像进行处理，获得待测样品的非线性吸收系数；

所述步骤(3)中的处理包括，将线性图像和非线性图像去掉背景噪声后，以线性图像作为空间输入，根据薄样品的吸收理论，计算得到样品后表面的空间分布，改变非线性吸收系数值进行拟合，其中，使样品后表面的空间分布和采集到的非线性图像重合最好时的系数就是待测样品的非线性吸收系数。

2.根据权利要求1所述的基于透镜几何光学成像的非线性吸收测量方法，其特征在于：监测光经过分束器后被能量计探头接收，根据分束器的分光比，通过能量计探头接收的能量确定入射到样品上的能量。

3.根据权利要求1所述的基于透镜几何光学成像的非线性吸收测量方法，其特征在于：所述探测光在被CCD接收前的衰减倍数大于或等于100，CCD的动态范围大于或等于12。

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