CN101532959B - 一种单脉冲单光束测量材料光学非线性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单脉冲单光束测量材料非线性的方法，在探测光的透镜之前的光路中设置一相位物体，在一个单脉冲作用下，通过测量开孔和远场小孔的非线性透过率，确定材料的非线性吸收和非线性折射系数。按本发明方法工作的测量***光路简单、数据处理简单，单脉冲测量、样品无需移动，可以同时测量非线性吸收和非线性折射的大小和符号，测量结果精确，极大地减少测量成本。

Description

一种单脉冲单光束测量材料光学非线性的方法

技术领域

本发明所涉及的是一种测量材料的光学非线性的方法，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，非线性光学材料的研究日益重要。光学逻辑、光学记忆、光三极管、光开关和相位复共轭等功能的实现主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。常用的测量方法有Z扫描、4f***相干成像技术、马赫-曾德干涉法、四波混频、三次谐波非线性干涉法、椭圆偏振法、相位物体Z-scan等。其中Z扫描方法(Mansoor Sheik-Bahae，Ali A.Said，Tai-Hui Wei，David J.Hagan，E.W.Van Stryland.“Sensitive measurement of opticalnonlinearities using a single beam”，IEEE J.Quantum Elect，26，760-769(1990))光路简单、灵敏度高，是目前最常用的单光束测量材料光学非线性的方法。但是这种测量方法需要样品在激光传播方向的移动，需要激光多次激发，对薄膜和易损伤的材料不适用。4f相位相干成像***(G.Boudebs and S.Cherukulappurath，“Nonlinear optical measurements using a 4f coherentimaging system with phase object”，Phys.Rev.A，69，053813(2004))是近年来提出的一种测量材料非线性折射的新方法。利用4f相位相干成像技术测量非线性折射具有光路简单、灵敏度高、单脉冲测量，无需样品移动、对光源能量稳定性要求不高等优点。但这种方法需要对采集的图像进行比较复杂的处理，而且对CCD的要求比较高，增加了测量方法的成本。相位物体Z-scan(JunyiYang and Yinglin Song，“Direct observation of the transient thermal lensingeffect using the PO Z-scan”Vol.34，No.2，Doc.ID 100701)就是在原有传统Z-scan的基础上，在透镜的前焦面的位置加一个相位物体。与传统Z-scan相比，所测量材料非线性折射的结果由传统Z-scan的峰谷特征曲线变成了单峰或单谷特征曲线。和传统Z-scan一样，这种测量方法也需要样品在激光传播方向的移动，需要激光多次激发，容易损伤材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种单脉冲单光束测量材料非线性的方法，在不需要移动样品的前提下，简单而准确地测量材料的非线性折射和非线性吸收。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种单脉冲单光束测量材料非线性的方法，将激光束分为两束，一束为监测光，由第一探测器D₁记录，另一束光为探测光，经透镜聚焦到待测样品上，使待测样品产生光学非线性；所述待测样品位于光路中透镜的焦平面上，出射的脉冲光被第二分束器分为两束，一束经透镜会聚后被第二探测器D₂接收(开孔)，另外一束通过一个中心和光轴重合的小孔光阑后进入第三探测器D₃(闭孔)；在探测光的透镜之前的光路中设置一相位物体，测量步骤为：

(1)在远离透镜焦点的位置放上待测样品，用三个探测器测量脉冲光能量，并分别计算出第二探测器D₂所测能量和第三探测器D₃所测能量与第一探测器所测能量的比值；

(2)在探测光路的透镜的焦平面位置放上待测样品，用三个探测器测量脉冲光能量，并分别计算出第二探测器D₂所测能量和第三探测器D₃所测能量与第一探测器所测能量的比值；

(3)对步骤(1)和(2)中获得的比值进行处理，获得所需的检测材料的光学非线性吸收和非线性折射系数。

上述技术方案中，所述步骤(3)中的处理包括，将步骤(2)中得到的比值与步骤(1)中得到的对应的比值相除(分为开孔能量的比值和闭孔能量的比值)，得到样品归一化的非线性透过率，对归一化的非线性透过率进行理论拟合得到非线性吸收和非线性折射系数。

为便于计算，所述相位物***于探测光路的透镜的前焦面上为优选。但从实现本发明的技术方案角度，相位物体可以位于透镜前的任一位置。

上述技术方案中，所述相位物体的相位延迟为0.25π～0.75π，大小为入射光斑束腰半径的0.05～0.5倍。

优选的技术方案，当所述相位物体的相位延迟为0.5π，大小为入射光斑束腰半径的0.1倍时，***对非线性折射的测量精度达到最高，对非线性吸收的影响不大。其大小和相位延迟可以根据实际情况调节。

上述技术方案中，所述第三探测器D₃前的小孔光阑的半径的大小等于相位物体的远场衍射光斑的半径大小。

本发明的技术方案中，非线性样品受到脉冲光的作用后，材料的吸收和折射性质发生变化，产生光学非线性。在薄样品近似的条件下，能量只与非线性吸收有关，非线性折射对能量的影响可以忽略不计，因为开孔测量的是整个能量的变化，与非线性吸收无关，所以开孔的透过率与材料的非线性吸收相关。另一方面，样品产生的非线性相移随激光的光强的变化而变化。这样，在焦平面处样品就相当于一个变化的相位物体。根据相衬原理，在远场，非线性相移的变化就表现为相位物体衍射光斑内光场振幅的变化，从而就会引起小孔的透过率的变化。另外，振幅的变化与材料非线性的折射符号有关。如果，非线性折射为自聚焦，小孔归一化的透过率就大于1，反之，就小于1。所以，在焦平面位置，无需移动样品，在一个单脉冲的作用下，通过测量整个能量的变化就可以得到样品的非线性吸收系数。通过测量小孔归一化的非线性透过率，就可以得到样品的非线性折射系数以及材料的非线性折射符号。

本发明方法用一种全新的思路实现了对光学非线性的测量，同其他非线性光学测量技术相比，具有以下优点：

1.本发明实现了单脉冲测量，测量过程中样品无需移动，解决了待测样品易损伤的问题；

2.本发明的测量方法非常方便，理论模型简单，测量灵敏度高；

3.采用本发明的方法，可以同时测量样品非线性吸收和非线性折射的大小；

4.可以测量样品非线性吸收和非线性折射的符号；

5.本发明所述的测量方法，可以广泛地应用于非线性光学测量、非线性光子学材料、非线性光学信息处理和光子学器件等研究领域，尤其是非线性光功能材料的测试和改性等关键环节，利用本发明方法，可以极大地减少测量成本(无需移动平台和CCD)，并能够保证测试参数全面，测试结果准确。

附图说明

附图1是本发明实施例一中的相位物体示意图；

附图2是本发明实施例一中的含相位物体单脉冲测量非线性吸收和非线性折射系数方法的工作原理图。

其中：1、入射激光束；2、相位物体；3、分束器；4、第一探测器；5、凸透镜；6、待测样品；7、第二分束器；8、凸透镜；9、第二探测器；10、小孔；11、第三探测器。

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2所示，一种含相位物体单脉冲测量功能材料的非线性参数的方法，光路由相位物体，分束器，凸透镜，小孔，探测器组成；脉冲激光聚焦于待测样品上。

激光脉冲1经过相位物体2后，由分束器3分成两束光，监测光的能量由第一探测器4接收，另外一束光由凸透镜5聚焦到待测样品6上，透射后的光束经第二分束器7分为两束，一束经凸透镜8会聚后直接由第二探测器9接收，另外一束经过小孔10后由第三探测器11接收。

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。型号为(Rjp-765 energy probe)的两探测器连接在能量计(Rj-7620 ENERGY RATIOMETER，Laserprobe)。待测样品为肽菁氯铝(AlClPc/DMF)。

具体的检测步骤为：(1)将样品6放在靠近凸透镜5的位置，利用第二探测器9测量通过凸透镜8会聚后的光束能量，利用第三探测器11测量透过小孔10的能量，同时利用第一探测器4测量监测光的能量。将第二探测器9所测得的能量除以第一探测器4测得的能量，得到一个开孔的能量比值。将第三探测器11所测得的能量除以第一探测器4测得的能量，得到一个闭孔的能量比值。(2)将样品6放在凸透镜5的焦平面的位置，利用第二探测器9测量通过凸透镜8会聚后的光束能量，利用第三探测器11测量透过小孔10的能量，同时利用第一探测器4测量监测光的能量。将第二探测器9所测得的能量除以第一探测器4测得的能量，得到一个开孔的能量比值。将第三探测器11所测得的能量除以第一探测器4测得的能量，得到一个闭孔的能量比值。(3)将步骤(2)中的开孔比值除以步骤(1)中的开孔比值，得到样品的开孔归一化非线性透过率。将步骤(2)中的闭孔比值除以步骤(1)中的闭孔比值，得到样品透过小孔归一化的非线性透过率。(4)根据步骤(3)中得到的非线性透过率，得出样品的非线性吸收和非线性折射系数。

对于AlClPc非线性测量的实验和理论计算具体过程如下：

假设入射光束为基模高斯光，其场强表达式为：

$E(r,t)=E_0\exp [-\frac{r^2}{{{\mathrm{\ω}}_e}^2}]\exp [-\frac{t^2}{2{\mathrm{\τ}}^2}]---\left(1\right)$

式中，E₀为脉冲激光的最大场强值，r为光束的半径，ω_e为入射光束的束腰半径，τ为脉冲光1/e半宽的时间。

相位物体的透过率为：

或t(r)＝1(r＞Lp)    (2)

式中，为相位物体的相位延迟。

相位物体后表面的场强分布为：

E₀₁(r，t)＝E(r，t)t(r)    (3)

传播到样品表面的光场可通过傅立叶-贝塞尔变换得到，

$E_{02}(r_1,t)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λf}}{\∫}_0^{\∞}r{E}_{01}(r,t)J_0\left(2\mathrm{\π}{\mathrm{rr}}_1\right)\mathrm{dr}---\left(4\right)$

式中，f为透镜的焦距，J₀为零阶贝塞尔函数。

在样品中，考虑慢变振幅近似和薄样品近似的情况，脉冲激光的振幅和相位变化在样品中传播满足

$\frac{\∂I}{{\∂z}^{\′}}=-({\mathrm{\α}}_0+\mathrm{\βI})I---\left(5\right)$

$\frac{\mathrm{d\Δ\φ}}{{\mathrm{dz}}^{\′}}={\mathrm{kn}}_{2}I$

式中，n₂为样品的非线性折射系数，α₀为样品的线性吸收率，β为样品的非线性吸收系数，I＝|E₀₂|²(z′＝0处)为作用在样品上的光强。z′激光在样品中传播的光程。

则样品后表面的光场为：

$E_{03}(r_1,t)=E_{02}(r_1,t)e^{-{\mathrm{\α}}_{0}L/2}{(1+q)}^{({\mathrm{ikn}}_2/\mathrm{\β}-1/2)}---\left(6\right)$

不考虑样品非线性时，则样品后表面的光场为：

E′₀₃＝E₀₂    (7)

从样品的后表面传播到小孔的光场可通过菲涅尔衍射公式得到：

$E_{04}(r_2,t)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{i\λd}}\exp \left(\frac{{{\mathrm{i\πr}}_2}^2}{\mathrm{\λd}}\right){\∫}_0^{+\∞}{r}_1{\mathrm{dr}}_1{E}_{03}(r_1,t)\exp \left(\frac{{{\mathrm{i\πr}}_1}^2}{\mathrm{\λd}}\right)J_0\left(\frac{2\mathrm{\π}{r}_2{r}_1}{\mathrm{\λd}}\right)---\left(8a\right)$

不考虑样品非线性时，则光场为

${E^{\′}}_{04}(r_2,t)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{i\λd}}\exp \left(\frac{\mathrm{i\π}{r_2}^2}{\mathrm{\λd}}\right){\∫}_0^{+\∞}{r}_1{\mathrm{dr}}_1{E^{\′}}_{03}(r_1,t)\exp \left(\frac{{{\mathrm{i\πr}}_1}^2}{\mathrm{\λd}}\right)J_0\left(\frac{2\mathrm{\π}{r}_2{r}_1}{\mathrm{\λd}}\right)---\left(8b\right)$

式中，d为远场小孔到焦点的距离。

对小孔处的光强进行空间和时间的积分，可得到透过小孔的能量。小孔的半径将此能量与在不考虑样品非线性的情况下得到的透过小孔的能量相比，就得到透过小孔的归一化非线性透过率：

$T=\frac{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_0^{r_a}2\mathrm{\π}{r}_2{\left|E_{04}\right|}^2{\mathrm{dr}}_2\mathrm{dt}}{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_0^{r_a}2\mathrm{\π}{r}_2{\left|{E^{\′}}_{04}\right|}^2{\mathrm{dr}}_2\mathrm{dt}}---\left(9\right)$

如果小孔的半径取无穷大(即没有小孔)，则可得到开孔的透过率情况。对开孔和闭孔的归一化非线性透过率进行拟合，就可以得到样品的非线性吸收和非线性折射系数。

在实施例一中，入射能量为0.22μJ，相位物体的半径为0.5mm，相位延迟为

相位物体前入射光束的束腰半径为2.8mm，远场小孔到焦点的距离为1.6m，小孔的半径为2mm。实验测得开孔的归一化非线性透过率为0.71，小于1，说明这个样品的非线性吸收为反饱和吸收。小孔归一化的非线性透过率为1.29，非线性透过率大于1，说明这个样品的非线性折射为正折射。改变样品非线性吸收系数β，使得理论计算的开孔非线性透过率和实验测得的相吻合，可得AlClPc的非线性吸收系数为β＝1.01×10^-11W/m，此时非线性折射系数n₂对拟合没有任何影响，可任意假定一个值。将这个非线性吸收系数代入拟合中，改变样品非线性折射系数n₂，使得理论计算的闭孔非线性透过率和实验测得的相吻合，可得AlClPc的非线性折射系数n₂＝0.55×10^-18m²/W，和利用Z-scan所得的β＝1.09×10^-11W/m及n₂＝0.62×10^-18m²/W非常接近。

Claims (4)

1.一种单脉冲单光束测量材料非线性的方法，将脉冲激光束分为两束，一束为监测光，由第一探测器D₁记录，另一束光为探测光，经第一透镜聚焦到待测样品上，使待测样品产生光学非线性；所述待测样品位于光路中第一透镜的焦平面上，出射的脉冲光被第二分束器分为两束，一束经第二透镜会聚后被第二探测器D₂接收，另外一束通过一个中心和光轴重合的小孔光阑后进入第三探测器D₃；其特征在于：在探测光的第一透镜的前焦面上设置一相位物体，测量步骤为：

(1)在远离第一透镜焦点的位置放上待测样品，用三个探测器测量脉冲光能量，并分别计算出第二探测器D₂所测能量和第三探测器D₃所测能量与第一探测器所测能量的比值；

(2)在探测光路的第一透镜的焦平面位置放上待测样品，用三个探测器测量脉冲光能量，并分别计算出第二探测器D₂所测能量和第三探测器D₃所测能量与第一探测器所测能量的比值；

(3)对步骤(1)和(2)中获得的比值进行处理，获得所需的检测材料的光学非线性吸收和非线性折射系数；

所述步骤(3)中的处理包括，将步骤(2)中得到的比值与步骤(1)中得到的对应的比值相除，得到样品归一化的非线性透过率，对归一化的非线性透过率进行理论拟合得到非线性吸收和非线性折射系数。

4.根据权利要求1所述的单脉冲单光束测量材料非线性的方法，其特征在于：所述相位物体的相位延迟为0.25π～0.75π，大小为入射到相位物体的光束的束腰半径的0.05～0.5倍。

5.根据权利要求1所述的单脉冲单光束测量材料非线性的方法，其特征在于：所述相位物体的相位延迟为0.5π，大小为入射到相位物体的光束的束腰半径的0.1倍。

6.根据权利要求1所述的单脉冲单光束测量材料非线性的方法，其特征在于：所述第三探测器D₃前的小孔光阑的半径的大小等于相位物体的远场衍射光斑的半径大小。

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