CN101806723A - 双束多功能z扫描光学非线性测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种双束多功能z扫描光学非线性测量装置和方法，装置中采用两个光源，可以方便地切换光源，采用可调节的衰减片使得激光功率从0到100％连续可调；采用声光调制器和信号发生器使得出射激光的脉冲宽度和脉冲周期可调；可以测量样品的透射开孔和透射闭孔数据，还可测量样品的反射开孔和透射开孔数据，本发明不仅可以测量透明样品的非线性吸收系数和非线性折射率，而且可以测量不透明样品的非线性折射率；装置中加入了冷光源作为照明光源，利用CCD相机观察样品表面形貌，同时用滤光片滤去激光的影响，提高了透明样品和部分透明样品的非线性吸收系数和非线性折射率的测量精度和准确性。

Description

双束多功能z扫描光学非线性测量装置和方法

技术领域

本发明涉及非线性光学，特别是一种双束多功能z扫描光学非线性测量装置和方法，该装置实用可行，数据处理简单，观察方便。

背景技术

近年来，人们试图研制具有良好性能的全光器件，以满足全光通信和光学信息处理的迫切需要，相应的非线性光学材料得到了长足的发展。目前，测量材料非线性系数的方法主要有简并四波混频法、双波耦合法、椭圆偏振法、光束畸变法和光克尔效应法(参见现有技术[1]杨海林，牛燕熊，沈学举等.激光z扫描技术研究进展及其应用[J].军械工程学院学报，2007，19(5)：50-54)，这几种方法因实验装置复杂，测量灵敏度低或无法判断非线性系数正负等缺点，不能达到理想的测量效果。

20世纪发展起来的z扫描(z-scan)方法实验装置简单，测量灵敏度高，并且能够直观判断光学非线性系数大于0还是小于0，成为目前最常用的测量材料非线性的方法(参见现有技术[2]M.Sheik-Bahae，A.A.Said，T.Wei，et al.Sensitive measurement of opticalnonlinearities using a single beam[J].IEEE J.Quantum Electron，1990，26：760-769)。但此方法只能测量透明样品的非线性性质；由于很难判断材料表面形貌是否发生了变化，这导致了不能确认材料的非线性是来源于激光导致的本征效应还是激光导致的材料本身结构变化；并且，当需要研究不同光源下的材料非线性性质时，需要重新调光路，很不方便；更为重要的是，由于忽略了来自样品的反射光信息，使得常规的透射式z-scan方法在测量不透明样品或半透明样品时数据不准确，甚至得出的非线性折射和非线性吸收系数与实际相反。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双束多功能z扫描光学非线性测量装置和方法，该装置要能够方便地测量两种光源下材料的非线性折射率和非线性吸收系数；不仅可以测量透明样品的非线性吸收系数和非线性折射率，而且可以测量不透明样品的非线性折射率；可改变作用激光的条件，使其便于研究不同激光条件下材料的非线性性质；能观察被测点的表面形貌变化情况。

本发明的技术解决方案如下：

一种双光束多功能z扫描光学非线性测量装置，特点在于其构成包括输出激光波长λ₁的第一激光器和输出激光波长λ₂的第二激光器，沿所述的第一激光器的激光输出的主光路构成的主光轴上依次是第一声光调制器、激光分光镜、第一可调衰减片、第一孔径光阑、扩束镜、第一分光棱镜、第二分光棱镜、物镜、待测样品、第三分光棱镜、第二孔径光阑和第四光电探测器，所述的激光分光镜与主光轴成45°放置，所述的第二激光器输出的激光经第二声光调制器入射到所述的激光分光镜，经该激光分光镜反射后沿主光路前进；所述的第一声光调制器和第二声光调制器与信号发生器相连；在所述的第一分光棱镜的反射光输出方向设置第一光电探测器，在该第一分光棱镜的另一光输入方向有冷光源，在所述的第二分光棱镜的反射光输出方向依次是滤光片和CCD相机；所述的物镜位于沿主光轴方向移动的物镜控制台上；所述的待测样品置于样品旋转台上，该样品旋转台位于沿主光轴方向移动的样品控制台上；在所述的待测样品与主光轴成45°的反射光方向依次是第二可调衰减片、第一聚焦透镜和第二光电探测器；在所述的第三分光棱镜的反射光方向依次有第三可调衰减片、第二聚焦透镜和第三光电探测器；所述的第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器与数据采集器相连；所述的物镜控制台、样品控制台、样品旋转台和数据采集器都与计算机相连。

所述的第一激光器与第一声光调制器之间还有第一阀门，该第一阀门置于第一阀门控制器上，在所述的第二激光器和第二声光调制器之间有第二阀门，该第二阀门置于第二阀门控制器上；所述的第一阀门控制器和第二阀门控制器与所述的计算机相连。

所述的激光分光镜是对波长λ₁的激光透射率95％以上、反射率5％以下，且对激光波长λ₂的激光反射率95％以上、透射率5％以下的分光镜。

所述的第一激光器和第二激光器发出的激光光束为高斯光束。

利用上述的双光束多功能z扫描光学非线性测量装置进行样品非线性吸收系数和非线性折射率的测量方法，其特征在于包括下列步骤：

一、测量波长λ₁的激光作用下待测样品的非线性数据：

①根据测量需要，选择激光波长λ₁的激光作光源，所述的计算机控制第一激光器发出的波长λ₁的激光作为光源，通过第一可调衰减片和信号发生器调节波长λ₁的激光的激光功率，或激光脉冲周期、脉冲宽度；通过计算机设置所述的数据采集器的采样频率、采样点数和样品控制台的运动速度和第一激光器同步工作；

②测量透射开孔和透射闭孔数据：

将所述的待测样品放置在所述的样品旋转台上，调整待测样品的测量面垂直于所述的主光轴，即z轴，所述的物镜的焦点处为z＝0，所述的待测样品的初始位置为-10z₀，定义z₀＝kw₀ ²/2为激光衍射长度，其中k＝2π/λ，λ为入射激光波长，

为激光束腰半径，NA为物镜的数值孔径，所述的计算机同时启动所述的样品控制台和数据采集器，待测样品沿主光轴正向运动，经过物镜的焦点，运动范围为20z₀，所述的第三光电探测器和第四光电探测器将探测的光强信号转换为电压信号，数据采集器同时采集第三光电探测器和第四光电探测器输出的电压信号并送入所述的计算机(24)，分别为透射开孔数据和透射闭孔数据，以采集到的电压值为纵坐标，z为横坐标，记录为透射开孔曲线V_TO(z_n)_{λ，t，η，p}和透射闭孔曲线V_TC(z_n)_{λ，t，η，P，S}，其中：n＝1.2.3.……，N，λ为入射激光的波长，t为激光脉冲周期，η为激光脉冲宽度，P为第一光电探测器表征的激光功率，S为第二孔径光阑对高斯光束的线性透过率，λ，t，η，P，S根据实验条件得到，z_n为各采样点的横坐标，z₁～z_N的坐标值为-10z₀～10z₀，焦点处的横坐标值为z_n＝0，N为采样点数；

③通过所述的CCD相机观察待测样品上扫描点表面形貌；根据观察到的待测样品扫描点的表面形貌，判断该扫描点的表面形貌是否发生变化，若表面形貌未发生变化，则该点数据可靠，计算机保存该点数据；若表面形貌发生了变化，则该点数据不可靠，计算机删去该点数据；

④测量反射开孔和透射开孔数据：

启动所述的样品旋转台，带动所述的待测样品旋转，使待测样品与主光轴成45°夹角，调整待测样品的位置位于-10z₀，所述的计算机同时启动所述的物镜控制台和数据采集器，所述的物镜沿z轴负方向运动，运动范围为20z₀，相当于所述的待测样品从负z轴经过所述的物镜的焦点到达正z轴，数据采集器同时采集第二光电探测器和第三光电探测器输出的电压信号并送入所述的计算机，分别为反射开孔数据和透射开孔数据，记录反射开孔曲线为V_RO(z_n)_{λ，t，η，P}，n＝1，2…N，记录的透射开孔曲线与第②步中相同；

⑤将样品旋转台向着与第④步中相反方向旋转45°，使待测样品与主光轴垂直，通过所述的CCD相机观察待测样品表面形貌；

⑥根据观察到的待测样品扫描点的表面形貌，判断该扫描点的表面形貌是否发生变化，若表面形貌未发生变化，则该点数据可靠，计算机保存该点数据；若表面形貌发生了变化，则该点数据不可靠，计算机删去该点数据；

⑦调节第一可调衰减片，改变入射激光的功率，或调节信号发生器，改变入射激光的脉冲周期与脉冲宽度，重复上述第②、③、④、⑤、⑥步骤，测量不同激光条件下待测样品的光学非线性数据，以获得不同激光功率、不同激光脉冲宽度和不同激光脉冲周期作用下待测样品的透射开孔曲线V_TO(z_n)_{λ，t，η，p}、透射闭孔曲线V_TC(z_n)_{λ，t，η，P，S}和反射开孔曲线为V_RO(z_n)_{λ，t，η，P}，其中n＝1.2.3.……，N；

二、测量波长λ₂的激光作用下材料的非线性数据：

⑧如需测量波长λ₂的激光作用下的材料非线性性质，选择波长λ₂的激光作为光源，关闭第一激光器，开启第二激光器，重复上述第②、③、④、⑤、⑥、⑦步，得到波长λ₂的激光作用下待测样品的光学非线性数据；

三、对测得的数据进行处理：

⑨对透射开孔曲线V_TO(z_n)_{λ，t，η，p}，n＝1，2，3，……，N，作归一化处理，将上述曲线中所有的纵坐标值除以z1处的纵坐标值，得到样品的归一化开孔透过率曲线T_O(z_n)_{λ，t，η，P}，n＝1，2，3，……，N，令纵坐标值为极值处对应的横坐标为z_n＝0即焦点，曲线在焦点处呈现波谷或波峰，在远离焦点处归一化透过率为1；

同样对反射开孔曲线V_RO(z_n)_{λ，t，η，P}作处理，得到样品的归一化开孔反射率曲线R_O(z_n)_{λ，t，η，P}，令纵坐标值为极值处对应的横坐标为z_n＝0即焦点，曲线在焦点处呈现波谷或波峰，在远离焦点处归一化透过率为1；

同样对透射闭孔曲线V_TC(z_n)_{λ，t，η，P，S}作处理，得到样品的归一化闭孔透过率，再将其除以归一化开孔透过率，得到归一化相对透过率曲线T_C/O(z_n)_{λ，t，η，P，S}，该曲线既有波峰又有波谷，令曲线波峰和波谷中间位置的横坐标为z_n＝0即焦点，曲线在焦点附近呈现类似sin函数或cos函数的形状，在远离焦点处归一化透过率为1；

⑩所述的计算机(24)运用软件Origin，用以下公式以及上述归一化开孔透过率曲线、归一化开孔反射率曲线、归一化相对透过率的曲线，得到非线性吸收系数和非线性折射率。

由归一化开孔透过率曲线，取焦点z_n＝0处开孔透过率值T_O(0)，代入下式计算得到待测样品(22)的非线性吸收系数β：

β＝2.83[1-T_O(0)]/I₀L_eff

式中，L_eff＝[1-exp(-α₀L)]/α₀为样品的有效厚度，α₀为线性吸收系数，可查得，L为样品的实际厚度；

为激光束腰处光功率密度，P定义与前面相同；

由归一化相对透过率曲线T_C/O(z_n)_{λ，t，η，P，S}，取波峰、波谷处的相对透过率值，根据下式计算得到待测样品(22)的非线性折射率n₂：

$n_2=\frac{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{PV}}}{0.406{(1-S)}^{0.25}k{L}_{\mathrm{eff}}{I}_0}$

式中，ΔT_PV＝T_P-T_V，T_P、T_V分别为归一化相对透过率曲线的波峰和波谷透过率值；S＝1-exp(-2r_a ²/ω_a ²)为第二孔径光阑(29)对高斯光束的线性透过率，r_a、ω_a分别为第二孔径光阑半径和光束截面半径；

由开孔反射率曲线计算非线性折射率n₂，非线性折射率n₂由下式确定：

$n_2=\frac{2r^{\′}({n_0}^4-2{n_0}^2+1)}{I_0{n}_0(8\sqrt{2{n_0}^2-1}-\sqrt{n_0})}$

式中：r′为归一化非线性反射系数：r′＝1-R_O(0)，其中R_O(0)为取焦点z_n＝0处开孔反射率值，由开孔反射率曲线R_O(z_n)_{λ，t，η，P}确定；

n₀为材料的线性折射率，已知；

为激光束腰处光功率密度。

本发明的技术效果：

本发明中采用两个光源，可以方便地切换光源，研究不同光源下材料的非线性吸收系数和非线性折射率。

采用可调节的衰减片使得激光功率从0到100％连续可调；

采用声光调制器和信号发生器使得出射激光的脉冲宽度和脉冲周期可调，脉冲宽度可以从10ns到连续光任意调节；

可测量样品的透射开孔和透射闭孔数据，又可测量样品的反射开孔和透射开孔数据；

反射开孔测量部分，可以测量不透明样品的非线性折射率；

装置中加入了冷光源作为照明光源，照明样品表面，利用CCD观察样品表面形貌，同时用滤光片滤去激光的影响。

附图说明

图1是本发明实现的双光束多功能z扫描光学非线性测量装置的光路结构图。

图2是本发明实现的双光束多功能z扫描光学非线性测量装置的测量流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围：

先请参阅图1，图1是本发明实现的双光束多功能z扫描光学非线性测量装置一个实施例的光路结构图，由图可见，本发明双光束多功能z扫描光学非线性测量装置，构成包括输出激光波长λ₁的第一激光器1和输出激光波长λ₂的第二激光器5，沿所述的第一激光器1的激光输出的主光路上依次是第一阀门32、第一声光调制器3、激光分光镜6、第一可调衰减片7、第一孔径光阑8、扩束镜9、第一分光棱镜10、第二分光棱镜13、物镜17、待测样品22、第三分光棱镜25、第二孔径光阑29和第四光电探测器30，所述的激光分光镜6与所述的主光路成45°放置；所述的第二激光器5输出的激光经第二阀门34、第二声光调制器4入射到所述的激光分光镜6；所述的第一阀门32置于第一阀门控制器33上，所述第一阀门控制器33控制第一阀门32竖直放置或水平放置，竖直放置时挡住第一激光器1发出的激光，水平放置时不挡第一激光器1发出的激光；所述的第二阀门34置于第二阀门控制器35上，所述第二阀门控制器35控制第二阀门34竖直放置或水平放置，竖直放置时挡住第二激光器5发出的激光，水平放置时不挡第二激光器5发出的激光；所述的第一声光调制器3和第二声光调制器4与信号发生器2相连；在所述的第一分光棱镜10的反射光输出方向设置第一光电探测器11，在该第一分光棱镜10的另一光输入方向有冷光源12；在所述的第二分光棱镜13的反射光输出方向依次是滤光片14和CCD相机15；所述的物镜17位于沿主光轴方向移动的物镜控制台16上；所述的待测样品22置于样品旋转台23上，该样品旋转台23位于沿主光轴方向移动的样品控制台21上；在所述的待测样品22与主光轴成45°的反射光方向依次是第二可调衰减片20、第一聚焦透镜19和第二光电探测器18；在所述的第三分光棱镜25的反射光方向依次有第三可调衰减片26、第二聚焦透镜27和第三光电探测器28；所述的第一光电探测器11、第二光电探测器18、第三光电探测器28、第四光电探测器30与数据采集器31相连，所述的第一阀门控制器33、第二阀门控制器34物镜控制台16、样品控制台21、样品旋转台23和数据采集器31都与计算机24相连。

所述的激光分光镜6是对波长λ₁的激光透射率95％以上、反射率5％以下，且对激光波长λ₂的激光反射率95％以上、透射率5％以下的分光镜。

在本实施例中，第一激光器1选用激光波长为632.8nm的激光器，第二激光器5选用激光波长为405nm的激光器。

参照图1，本发明双光束多功能z-扫描(z-scan)光学非线性测量装置分为两部分，第一部分是基于激光的非线性探测***，第二部分是基于冷光源的CCD观察***。第一部分的非线性探测***又有两部分组成：①透射开孔和透射闭孔探测部分；②反射开孔和透射开孔探测部分。

①透射开孔与透射闭孔探测部分：主要由第一激光器1、第二激光器5，第一阀门32，第一阀门控制器33，第一阀门34，第二阀门35，第一声光调制器3、第二声光调制器4、信号发生器2、激光分光镜6、第一可调衰减片7、第三可调衰减片26、第一孔径光阑8、第二孔径光阑29、物镜17、样品控制台21、第三分光棱镜25、第二聚焦透镜27、第三光电探测器28和透射第四光电探测器30组成。这部分利用第一声光调制器3、第二声光调制器4和信号发生器2，将入射激光调节成脉冲宽度和脉冲周期可变的脉冲光，利用第一可调衰减片7，使入射激光功率可调，激光通过物镜17聚焦到样品22，由样品控制台21控制样品22在z轴运动，出射光由第三分光棱镜25分成两束光：透射束光和反射束光。透射束光经过第二孔径光阑29后到达第四光电探测器30，此为透射闭孔探测部分，所述的反射束光经第三可调衰减片26、第二聚焦透镜27到达第三光电探测器28，此为透射开孔探测部分。

②反射开孔和透射开孔探测部分：主要由第一激光光源1、第二激光光源5，第一阀门32，第一阀门控制器33，第一阀门34，第二阀门35，第一声光调制器3、第二声光调制器4、信号发生器2，激光分光镜6、第一可调衰减片7、第二可调衰减片20、第三可调衰减片26、第一孔径光阑8、物镜17、物镜控制台16、样品旋转台23、第二分光棱镜25、第一聚焦透镜19、第二聚焦透镜27、第二光电探测器18和第三光电探测器28组成。这部分同样利用第一声光调制器3、第二声光调制器4、信号发生器2和第一可调衰减片7使入射激光的脉冲宽度、脉冲周期和功率可调。利用样品旋转台23将样品22转过45°，激光通过物镜17聚焦到样品22，由物镜控制台16控制物镜17在z轴运动。由样品22反射的反射光，经第二可调衰减片20和第一聚焦透镜19后由第二光电探测器18探测，此为反射开孔探测部分；经样品22的透射光，被第三分光棱镜25反射、第三可调衰减片26和第二聚焦透镜27后由第三光电探测器28探测，此为透射开孔探测部分。

CCD观察***：主要由冷光源12、第一分光棱镜10、第二分光棱镜13、滤光片14和CCD相机15组成。这部分中照明光由冷光源12发出，经第一分光棱镜10后进入主光路，经物镜17聚焦到样品22表面，样品22表面将观察的照明光反射沿原路返回，该返回的光经所述的物镜17、第二分光棱镜13反射后经滤光片14到达CCD相机15，滤光片14滤去激光的影响。当待测样品22表面到达物镜17的焦平面时，在CCD相机15上可出现清晰的像。样品22在激光作用下产生的透过率或反射率的突变，这个突变可能是材料内部能带结构变化引起的，也有可能是材料结构变化引起的，采用观察***以便分析确定非线性产生的来源。

实施例的具体操作步骤如下：

测量波长632.8nm的激光作用下待测样品的非线性数据：

①根据需要选择激光光源，如选择波长为632.8nm的激光作为光源，计算机24控制第一阀门控制器33，使第一阀门32水平放置，控制第二阀门控制器35，使第二阀门34竖直放置，第一激光器1发出的波长632.8nm的激光作为光源，第二激光器5发出的波长405nm的激光被挡住；调节第一可调衰减片(7)和信号发生器(5)，得到所需的激光功率和激光脉冲；

②测量透射开孔和透射闭孔数据：

将待测样品22垂直于主光轴放置在所述的样品旋转台23上。待测样品22位于-10z₀附近，计算机24同时启动所述的样品控制台21和数据采集器31，待测样品22沿z轴(主光轴)正向运动，经过物镜17的焦点，运动范围为20z₀。光电探测器将光强信号转换为电压信号，数据采集器31同时采集第三光电探测器28和第四光电探测器30输出的电压信号并送入所述的计算机24，分别为透射开孔数据和透射闭孔数据，以采集到的电压值为纵坐标，z为横坐标，记录为V_TO(z_n)_{λ，t，η，p}，n＝1，2…2500和V_TC(z_n)_{λ，t，η，P，S}，n＝1，2…2500，其中，λ为入射激光的波长，t为激光脉冲周期，η为激光脉冲宽度，P为物镜17之后待测样品22之前的激光功率，S为第二孔径光阑29对高斯光束的线性透过率，λ，t，η，P，S根据实验条件得到，z_n为各采样点的横坐标，z₁～z₂₅₀₀的坐标值为-10z₀～10z₀，焦点处的横坐标值为z_n＝0，采样点数为2500点。设置数据采集器采样频率、采样点数分别为62.5HZ、2500点，设置样品控制台的运动速度为75um/s。

③通过所述的CCD相机15观察待测样品22上扫描点表面形貌；根据观察到的待测样品22扫描点的表面形貌，判断该扫描点的表面形貌是否发生变化，若表面形貌未发生变化，保存该点数据；若表面形貌发生了变化，不保存该点数据；

④测量反射开孔和透射开孔数据：

启动所述的样品旋转台23，带动所述的待测样品22旋转，使待测样品22与主光轴成45°夹角，调整待测样品22位于-10z₀附近，计算机24同时启动所述的物镜控制台16和数据采集器31，物镜沿z轴负向运动，运动范围为20z₀，使待测样品22从负z轴经过所述的物镜17的焦点到达正z轴，数据采集器31同时采集第二光电探测器18和第三光电探测器28输出的电压信号并送入所述的计算机24，分别为反射开孔数据和透射开孔数据，反射开孔数据记录为V_RO(z_n)_{λ，t，η，P}，n＝1，2…2500，各参数与②中定义相同，透射开孔数据记录也与②中相同；各设置于②中相同；

⑤将样品旋转台23向着与第④步骤中相反方向旋转45°，使待测样品22与主光轴垂直，通过CCD相机15观察待测样品22表面形貌；

⑥根据观察到的待测样品22扫描点的表面形貌，判断该扫描点的表面形貌是否发生变化，若表面形貌未发生变化，则保存该点数据；若表面形貌发生了变化，则不保存该点数据；

⑦调节第一可调衰减片7，改变入射激光的功率，或调节信号发生器2，改变入射激光的脉冲周期与脉冲宽度，重复上述第②、③、④、⑤、⑥步骤，测量不同激光条件下待测样品的光学非线性数据，以得到不同激光功率、不同激光脉冲宽度和不同激光脉冲周期作用下待测样品22的非线性吸收系数和非线性折射率；

二、测量波长405nm的激光作用下材料的非线性数据：

⑧如需研究波长405nm的激光作用下的材料非线性性质，计算机24控制第二阀门控制器35，使第二阀门34水平放置，控制第一阀门控制器33，使第一阀门32竖直放置，第二激光器5发出的波长405nm的激光作为光源，第一激光器1发出的波长632.8nm的激光被挡住，重复上述第②、③、④、⑤、⑥、⑦步，得到不同激光条件下待测样品22的光学非线性数据；

三、对测得的数据进行处理：

⑨对透射开孔数据V_TO(z_n)_{λ，t，η，p}，n＝1，2…2500作归一化处理，将上述曲线中所有的纵坐标值除以z₁处的纵坐标值，得到样品的归一化开孔透过率曲线T_O(z_n)_{λ，t，η，P}，n＝1，2…2500，令纵坐标值为极值处对应的横坐标为z_n＝0即焦点，曲线在焦点处呈现波谷或波峰，在远离焦点处归一化透过率为1。

对反射开孔数据V_RO(z_n)_{λ，t，η，P}，n＝1，2…2500作同样处理，得到样品的归一化开孔反射率曲线R_O(z_n)_{λ，t，η，P}，n＝1，2…2500，令纵坐标值为极值处对应的横坐标为z_n＝0即焦点，在远离焦点处归一化透过率为1。

对透射闭孔数据V_TC(z_n)_{λ，t，η，P，S}，n＝1，2…2500作同样处理，得到样品的归一化闭孔透过率，再将其除以归一化开孔透过率，得到归一化相对透过率曲线T_C/O(z_n)_{λ，t，η，P，S}，n＝1，2…2500，该曲线既有波峰又有波谷，令曲线波峰和波谷中间位置的横坐标为z_n＝0即焦点，曲线在焦点附近呈现类似sin函数或cos函数的形状，在远离焦点处归一化透过率为1

⑩所述的计算机(24)运用软件Origin，用以下公式以及上述归一化开孔透过率曲线、归一化开孔反射率曲线、归一化相对透过率的曲线，得到非线性吸收系数和非线性折射率。

由归一化开孔透过率曲线，取焦点z_n＝0处开孔透过率值T_O(0)，代入下式(参见现有技术[1]、[2])可计算得到待测样品(22)的非线性吸收系数β：

β＝2.83[1-T_O(0)]/I₀L_eff                              (1)

式中，L_eff＝[1-exp(-α₀L)]/α₀为样品的有效厚度，α₀为线性吸收系数，可查得，L为样品的实际厚度；

为激光束腰处光功率密度，P定义与前面相同；β为非线性吸收系数。

由归一化相对透过率曲线，取波峰、波谷处的相对透过率值，根据下式(参见现有技术[1]、[2])可计算得到待测样品(22)的非线性折射率n₂：

$n_2=\frac{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{PV}}}{0.406{(1-S)}^{0.25}k{L}_{\mathrm{eff}}{I}_0}---\left(2\right)$

式中，ΔT_PV＝T_P-T_V，T_P、T_V分别为归一化相对透过率曲线的波峰和波谷透过率值；S＝1-exp(-2r_a ²/ω_a ²)为第二孔径光阑(29)对高斯光束的线性透过率，r_a、ω_a分别为第二孔径光阑半径和光束截面半径；其他参数与前面定义相同。

已有归一化开孔反射率曲线，以及下列公式(参见现有技术[3]M.Martinelli，S.Bian，J.R.Leite，and R.J.Horowicz.Sensitivity-enhanced reflection Z-scan by oblique incidence of a polarizedbeam[J].Appl.Phys.Lett.1998，72(12)，1427-1429)：

$R_0(z_n,\mathrm{\θ})=1+\frac{r^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right)}{1+{(z_n/z_0)}^1}---\left(3\right)$

式中，θ为入射激光与样品表面的夹角，本发明中θ为固定值45°，因此，下文中省略该符号的标记，R_O(z_n，θ)、r′(θ)分别记为R_O(z_n)、r′；r′为归一化非线性反射系数，下文将定义。取焦点z_n＝0处开孔反射率值R_O(0)，代入下式可计算得到待测样品(22)的归一化非线性反射系数r′：

r′＝1-R_O(0)                                        (4)

r′定义为

$r^{}=\frac{n_2{I}_0}{r_0}\frac{\∂r}{\∂n}{|}_{\mathrm{\Δn}=0}---\left(5\right)$

r为材料的总反射系数，本发明中

其一级展开为

r₀为线性反射系数，

n为总折射率，n＝n₀+Δn(I)，n₀为材料的线性折射率，为已知量，Δn为非线性部分Δn(I)＝n₂I，I为z轴上不同位置处的光功率密度，与z_n有关，

其他参数与前面定义相同。化简(5)式得：

$n_2=\frac{2r^{\′}({n_0}^4-2{n_0}^2+1)}{I_0{n}_0(8\sqrt{2{n_0}^2-1}-\sqrt{n_0})}---\left(6\right)$

根据已知量和已求得r′，代入上式，可求得非线性折射率n₂。

Claims (5)

1.一种双光束多功能z扫描光学非线性测量装置，特征在于其构成包括输出激光波长λ₁的第一激光器(1)和输出激光波长λ₂的第二激光器(5)，沿所述的第一激光器(1)的激光输出的主光路构成的主光轴上依次是第一声光调制器(3)、激光分光镜(6)、第一可调衰减片(7)、第一孔径光阑(8)、扩束镜(9)、第一分光棱镜(10)、第二分光棱镜(13)、物镜(17)、待测样品(22)、第三分光棱镜(25)、第二孔径光阑(29)和第四光电探测器(30)，所述的激光分光镜(6)与主光轴成45°放置，所述的第二激光器(5)输出的激光经第二声光调制器(4)入射到所述的激光分光镜(6)；所述的第一声光调制器(3)和第二声光调制器(4)与信号发生器(2)相连；在所述的第一分光棱镜(10)的反射光输出方向设置第一光电探测器(11)，在该第一分光棱镜(10)的另一光输入方向有冷光源(12)，在所述的第二分光棱镜(13)的反射光输出方向依次是滤光片(14)和CCD相机(15)；所述的物镜(17)位于沿主光轴方向移动的物镜控制台(16)上；所述的待测样品(22)置于样品旋转台(23)上，该样品旋转台(23)位于沿主光轴方向移动的样品控制台(21)上；在所述的待测样品(22)与主光轴成45°的反射光方向依次是第二可调衰减片(20)、第一聚焦透镜(19)和第二光电探测器(18)；在所述的第三分光棱镜(25)的反射光方向依次有第三可调衰减片(26)、第二聚焦透镜(27)和第三光电探测器(28)；所述的第一光电探测器(11)、第二光电探测器(18)、第三光电探测器(28)、第四光电探测器(30)与数据采集器(31)相连；所述的物镜控制台(16)、样品控制台(21)、样品旋转台(23)和数据采集器(31)都与计算机(24)相连。

2.根据权利要求1所述的双光束多功能z扫描光学非线性测量装置，其特征在于：所述的第一激光器(1)与第一声光调制器(3)之间还有第一阀门(32)，该第一阀门(32)置于第一阀门控制器(33)上，在所述的第二激光器(5)和第二声光调制器(4)之间有第二阀门(34)、该第二阀门(34)置于第二阀门控制器(35)上；所述的第一阀门控制器(33)和第二阀门控制器(35)与所述的计算机(24)相连。

3.根据权利要求1所述的双光束多功能z扫描光学非线性测量装置，其特征在于，所述的激光分光镜(6)是对波长λ₁的激光透射率95％以上、反射率5％以下，且对激光波长λ₂的激光反射率95％以上、透射率5％以下的分光镜。

4.根据权利要求1所述的双光束多功能z扫描光学非线性测量装置，其特征在于，所述的第一激光器(1)和第二激光器(5)发出的激光光束为高斯光束。

5.利用权利要求1所述的双光束多功能z扫描光学非线性测量装置进行样品非线性吸收系数和非线性折射率的测量方法，其特征在于包括下列步骤：

一、测量波长λ₁的激光作用下待测样品的非线性数据：

①根据测量需要，选择激光波长λ₁，所述的计算机(24)控制第一激光器(1)发出的波长λ₁的激光作为光源，调节第一可调衰减片(7)和信号发生器(2)，即调节激光功率，或激光脉冲周期、脉冲宽度；通过计算机(24)设置所述的数据采集器(31)的采样频率、采样点数和样品控制台(21)的运动速度和第一激光器(1)同步工作；

②测量透射开孔和透射闭孔数据：

将所述的待测样品(22)放置在所述的样品旋转台(23)上，调整待测样品(22)的测量面垂直于所述的主光轴，即z轴，所述的物镜(17)的焦点处为z＝0，所述的待测样品(22)的初始位置为-10z₀，定义z₀＝kw₀ ²/2为激光衍射长度，其中k＝2π/λ，λ为入射激光波长，

为激光束腰半径，NA为物镜(17)的数值孔径，所述的计算机(24)同时启动所述的样品控制台(21)和数据采集器(31)，待测样品(22)沿主光轴正向运动，经过物镜(17)的焦点，运动范围为20z₀，所述的第三光电探测器(28)和第四光电探测器(30)将探测的光强信号转换为电压信号，数据采集器(31)同时采集第三光电探测器(28)和第四光电探测器(30)输出的电压信号并送入所述的计算机(24)，分别为透射开孔数据和透射闭孔数据，以采集到的电压值为纵坐标，z为横坐标，记录为透射开孔曲线V_TO(z_n)_{λ，t，η，p}和透射闭孔曲线V_TC(z_n)_{λ，t，η，P，S}，其中：n＝1.2.3.......，N，λ为入射激光的波长，t为激光脉冲周期，η为激光脉冲宽度，P为第一光电探测器(11)表征的激光功率，S为第二孔径光阑(29)对高斯光束的线性透过率，λ，t，η，P，S根据实验条件得到，z_n为各采样点的横坐标，z₁～z_N的坐标值为-10z₀～10z₀，焦点处的横坐标值为z_n＝0，N为采样点数；

③通过所述的CCD相机(15)观察待测样品(22)上扫描点表面形貌；根据观察到的待测样品(22)扫描点的表面形貌，判断该扫描点的表面形貌是否发生变化，若表面形貌未发生变化，则该点数据可靠，计算机(24)保存该点数据；若表面形貌发生了变化，则该点数据不可靠，计算机(24)删去该点数据；

④测量反射开孔和透射开孔数据：

启动所述的样品旋转台(23)，带动所述的待测样品(22)旋转，所述的待测样品(22)与主光轴成45°夹角，调整待测样品(22)的位置位于-10z₀，所述的计算机(24)同时启动所述的物镜控制台(16)和数据采集器(31)，所述的物镜(17)沿z轴负方向运动，运动范围为20z₀，相当于所述的待测样品(22)从负z轴经过所述的物镜(17)的焦点到达正z轴，数据采集器(31)同时采集第二光电探测器(18)和第三光电探测器(28)输出的电压信号并送入所述的计算机(24)，分别为反射开孔数据和透射开孔数据，记录反射开孔曲线为V_RO(z_n)_{λ，t，η，P}，n＝1，2...N，透射开孔曲线记录与第②步中相同；

⑤将样品旋转台(23)向着与第④步骤中相反方向旋转45°，使待测样品(22)与主光轴垂直，通过所述的CCD相机(15)观察待测样品(22)表面形貌；

⑥根据观察到的待测样品(22)扫描点的表面形貌，判断该扫描点的表面形貌是否发生变化，若表面形貌未发生变化，则该点数据可靠，计算机(24)保存该点数据；若表面形貌发生了变化，则该点数据不可靠，计算机(24)删去该点数据；

⑦调节第一可调衰减片(7)，改变入射激光的功率，或调节信号发生器(2)，改变入射激光的脉冲周期与脉冲宽度，重复上述第②、③、④、⑤、⑥步骤，测量不同激光条件下待测样品的光学非线性数据，以获得不同激光功率、不同激光脉冲宽度和不同激光脉冲周期作用下待测样品(22)的透射开孔曲线V_TO(z_n)_{λ，t，η，p}、透射闭孔曲线V_TC(z_n)_{λ，t，η，P，S}和反射开孔曲线为V_RO(z_n)_{λ，t，η，P}，n＝1，2...N；

二、测量波长λ₂的激光作用下材料的非线性数据：

⑧如需测量波长λ₂的激光作用下的材料非线性性质，选择波长λ₂的激光作为光源，关闭第一激光器(1)，开启第二激光器(5)，重复上述第②、③、④、⑤、⑥、⑦步，得到波长λ₂的激光作用下待测样品(22)的光学非线性数据；

三、对测得的数据进行处理：

⑨对透射开孔曲线V_TO(z_n)_{λ，t，η，p}，n＝1，2，3，......，N，作归一化处理，将上述曲线中所有的纵坐标值除以z₁处的纵坐标值，得到样品的归一化开孔透过率曲线T_O(z_n)_{λ，t，η，P}，n＝1，2，3，......，N，令纵坐标值为极值处对应的横坐标为z_n＝0即焦点，曲线在焦点处呈现波谷或波峰，在远离焦点处归一化透过率为1；

同样对反射开孔曲线V_RO(z_n)_{λ，t，η，P}作处理，得到样品的归一化开孔反射率曲线R_O(z_n)_{λ，t，η，P}，令纵坐标值为极值处对应的横坐标为z_n＝0即焦点，曲线在焦点处呈现波谷或波峰，在远离焦点处归一化透过率为1；

同样对透射闭孔曲线V_TC(z_n)_{λ，t，η，P，S}，n＝1，2...N作处理，得到样品的归一化闭孔透过率，再将其除以归一化开孔透过率，得到归一化相对透过率曲线T_C/O(z_n)_{λ，t，η，P，S}，该曲线既有波峰又有波谷，令曲线波峰和波谷中间位置的横坐标为z_n＝0即焦点，曲线在焦点附近呈现类似sin函数或cos函数的形状，在远离焦点处归一化透过率为1；

⑩所述的计算机(24)运用软件Origin，用以下公式以及上述归一化开孔透过率曲线、归一化开孔反射率曲线、归一化相对透过率的曲线，得到非线性吸收系数和非线性折射率。

由归一化开孔透过率曲线，取焦点z_n＝0处开孔透过率值T_O(0)，代入下式计算得到待测样品(22)的非线性吸收系数β：

β＝2.83[1-T_O(0)]/I₀L_eff    (1)

式中，L_eff＝[1-exp(-α₀L)]/α₀为样品的有效厚度，α₀为线性吸收系数，可查得，L为样品的实际厚度；

为激光束腰处光功率密度，P定义与前面相同；

由归一化相对透过率曲线T_C/O(z_n)_{λ，t，η，P，S}，取波峰、波谷处的相对透过率值，根据下式计算得到待测样品(22)的非线性折射率n₂：

$n_2=\frac{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{PV}}}{0.406{(1-S)}^{0.25}k{L}_{\mathrm{eff}}{I}_0}$

式中，ΔT_PV＝T_P-P_V，T_P、T_V分别为归一化相对透过率曲线的波峰和波谷透过率值；S＝1-exp(-2r_a ²/ω_a ²)为第二孔径光阑(29)对高斯光束的线性透过率，r_a、ω_a分别为第二孔径光阑半径和光束截面半径；

由开孔反射率曲线计算非线性折射率n₂，非线性折射率n₂由下式确定：

$n_2=\frac{2r^{\′}({n_0}^4-2{n_0}^2+1)}{I_0{n}_0(8\sqrt{2{n_0}^2-1}-\sqrt{n_0})}$

式中：r′为归一化非线性反射系数：r′＝1-R_O(0)，其中R_O(0)为取焦点z_n＝0处开孔反射率值，由开孔反射率曲线R_O(z_n)_{λ，t，η，P}确定；

n₀为材料的线性折射率，已知；

为激光束腰处光功率密度。

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