CN103033488A - 可实时观察监测z扫描光学非线性测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种可实时观察监测z扫描光学非线性测量装置和方法，主要包括光源调制监测部分，数据采集部分以及照明观察部分。装置中采用两个光源，既可以方便切换光源，采用信号发生器控制岀射激光的脉冲宽度，脉冲周期，功率可调；可以测量样品的透射开孔和透射闭孔数据，还可测量样品反射开孔数据；本发明不仅适用于透明材料的非线性吸收系数和非线性折射率，而且适用于半透明，不透明材料的非线性测量。装置中对于样品运动平台加入了显微物镜，照明光源以及CCD相机，可以实时观察样品表面形貌，避免由于样品形貌变化对测量数据的影响；同时加入示波器实时监测作用激光波形功率，提高材料非线性测量的精度和准确性。

Description

可实时观察监测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，特别是一种可实时观察监测z扫描光学非线性测量装置和方法。

背景技术

近年来，全光开关以及光感应器等应用使得研究人员对于具有较大较快非线性特性的材料的研究兴趣浓厚，研究主要包括材料的非线性折射率以及非线性吸收系数等。随着非线性光学材料的飞速发展，需要更灵敏的非线性测量方法，目前主要的非线性系数测量的方法包括简并四波混频法、双波耦合法、椭圆偏振法、光束畸变法以及光克尔效应法等，这些测量方法测量设备复杂，成本较高，精度及效率都不尽如人意，无法达到理想测量效果。

20世纪发展起来的z扫描技术（参见M.Sheik-Bahae,IEEE J.Quantum Electronics26,760-769(1990)）以其简便的装置设计和较高的测量精度，成为目前最常用的测量材料非线性的方法。传统z扫描仅适用于透明材料的非线性测量；同时实验过程中缺乏观测***无法观察样品表面形貌是否发生变化，进而导致无法确定材料的非线性变化曲线是来源于激光导致的本征效应还是激光导致材料本身结构发生的变化；同时单光路的设计局限了对于不同波长材料非线性特性的研究；更为重要的是忽略了样品反射光信息，使得传统透射z扫描方法处理半透明或不透明样品时数据的不准确。

发明内容

本发明的内容在于提供一种可实时观察监测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；不仅可以测量透明材料的非线性折射率和非线性吸收系数，还可以测量不透明，半透明材料的非线性折射率和非线性吸收系数；可以改变作用激光的参数，以便研究不同激光条件下材料的非线性特性；实验中可以实时观察被测点的表面形貌变化情况以及作用激光的波形功率变化。

本发明的技术解决方案如下：

一种可实时观察监测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依次是第一分光镜、第一激光分光镜、扩束镜、第二分光镜、第一物镜、第一分光棱镜、第二激光分光镜、待测样品、第二分光棱镜、孔径光阑、第一光电探测器，所述的第一激光分光镜与主光轴成45°，所述的第二激光器经过第三分光镜入射到所述的第一激光分光镜；所述的第一信号发生器与第一激光器相连；所述的第二信号发生器与第二激光器相连；所述的第一分光镜与主光轴成45°；在所述的第一分光镜的反射光输出方向设置第五分光镜、第一聚焦透镜、第五光电探测器；所述的第五分光镜与光轴成45°；在所述的第五分光镜的反射光输出方向设置第二聚焦透镜、第六光电探测器；所述的第三分光镜与光轴成45°；在所述的第三分光镜的反射光输出方向设置第四分光镜、第三聚焦透镜、第七光电探测器；所述的第四分光镜与光轴成45°；在所述的第四分光镜的反射光输出方向设置第四聚焦透镜、第八光电探测器；所述的第二分光镜与主光轴成45°；在所述的第二分光镜的反射光输出方向设置第五聚焦透镜、第四光电探测器；在所述的第一分光棱镜的反射光输出方向设置第六聚焦透镜、第三光电探测器；所述的第二激光分光镜与主光轴成45°；在所述的第二激光分光镜的反射光输出方向设置第二物镜、第六分光镜、滤光片、CCD相机；所述的第六分光镜与光轴成45°；在所述的第六分光镜的反射光输出方向设置照明光源；所述的第一分光棱镜、第六聚焦透镜、第三光电探测器、第二激光分光镜、待测样品、照明光源、第六分光镜、第二物镜、滤光片、CCD相机置于样品电机运动平台上；在所述的第二分光棱镜的反射光输出方向设置第七聚焦透镜、第二光电探测器；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，CCD相机、样品电机运动平台、示波器与计算机相连；所述的第五光电探测器，第六光电探测器，第七光电探测器，第八光电探测器，与示波器相连。

所述的第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜是对波长λ₁，λ₂的激光透射率95%，反射率5%的分光镜；所述的第四分光镜、第五分光镜是对波长λ₁，λ₂的激光透射率50%，反射率50%的分光镜；所述的第六分光镜是对照明光源透射率50%，反射率50%的分光镜；所述的第一分光棱镜是对波长λ₁，λ₂的激光透射率80%，反射率20%的分光棱镜；所述的第二分光棱镜是对波长λ₁，λ₂的激光透射率50%，反射率50%的分光棱镜；所述的第一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，且对波长λ₁的激光反射率95%以上，透射率5%以下的分光镜；所述的第二激光分光镜是对波长λ₁，λ₂的激光透射率95%以上，反射率5%以下，且对照明光源反射率95%以上，透射率5%以下的分光镜；所述的滤光片是对波长λ₁，λ₂的激光透射率1%以下，反射率99%以上，且对照明光源的反射率1%以下，透射率99%以上的滤光片。所述的第一物镜是NA=0.1的物镜；所述的第二物镜是NA=0.4的显微物镜。

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。

利用上述可实时观察监测z扫描光学非线性测量装置进行非线性吸收系数和非线性折射率的测量方法，其特点在于包括下列步骤：

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，所述的第一信号发生器控制第一激光器发出波长λ₁的激光作为光源，调节第一信号发生器，即调节激光功率，或激光脉冲周期，脉冲宽度；通过计算机设置所述的样品电机运动平台的运动速度和第一光电探测器，第二光电探测器，第三光电探测器，第四光电探测器的采样频率、采样点数和第一激光器同步工作；

②测量透射开孔、透射闭孔和反射开孔数据;

将所述的待测样品放置在所述的样品电机运动平台上，调整待测样品的测量面垂直于所述的主光轴，即z轴，所述的第一物镜的焦点处为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为第一物镜的数值孔径，所述的计算机同时启动所述的样品电机运动平台和第一光电探测器，第二光电探测器，第三光电探测器，第四光电探测器，待测样品沿主光轴正向运动，经过第一物镜的焦点，运动范围20z₀，所述的第一光电探测器，第二光电探测器，第三光电探测器，第四光电探测器将探测的光强信号送入所述的计算机，其中采集第四光电探测器的输出光强信号为入射激光的功率监测数据P；采集第一光电探测器，第二光电探测器，第三光电探测器的输出光强信号分别为透射闭孔数据，透射开孔数据和反射开孔数据，以采集到的光强值为纵坐标，z为横坐标，记录为透射闭孔曲线I_TC(z_n)_{λ，t，η，P，S},透射开孔曲线I_TO（z_n)_{λ，t，η，P},和反射开孔曲线I_RO(z_n)_{λ，t，η，P},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为第四光电探测器（38）表征的激光功率，S为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相机实时观察实验过程中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是否发生变化，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通过所述的第五光电探测器，第六光电探测器分别将由第一激光器发射出的脉冲激光波形和功率信号输入至示波器，根据示波器呈现的信号观测由第一激光器发射出的脉冲激光质量，判断经所述第一信号发生器调制第一激光器发射出的脉冲激光是否符合实验条件，波形功率是否稳定。若波形或功率与设置不符，则z扫描实验数据不可靠；

⑤调节第一信号发生器，改变入射激光的功率以及脉冲周期和脉冲宽度，重复上述②③④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闭孔曲线I_TC(z_n)_{λ，t，η，P，S},透射开孔曲线I_TO(z_n)_{λ，t，η，P},和反射开孔曲线I_RO(z_n)_{λ，t，η，P},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：

⑥测量波长λ₂的激光作用下材料的非线性性质，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，重复上述②③步骤；

⑦通过所述的第七光电探测器，第八光电探测器分别将由第二激光器发射出的脉冲激光波形和功率信号输入至示波器，根据示波器呈现的信号观测由第二激光器发射出的脉冲激光质量，判断经所述第二信号发生器调制第二激光器发射出的脉冲激光是否符合实验条件，波形功率是否稳定。若波形或功率与设置不符，则z扫描实验数据不可靠；

⑧调节第二信号发生器，改变入射激光的功率以及脉冲周期和脉冲宽度，重复上述⑥⑦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闭孔曲线I_TC(z_n)_{λ，t，η，P，S},透射开孔曲线I_TO(z_n)_{λ，t，η，P},和反射开孔曲线I_RO(z_n)_{λ，t，η，P},n=1.2.3……,N；

三、对测得的数据进行处理：

⑨对反射开孔曲线I_RO(z_n)_{λ，t，η，P},n=1.2.3……,N，用功率检测数据P所得到的峰值光强其中

与反射开孔曲线数值相减，得到有效光强I_eff(z_n)，其中I_eff(z_n)＝P-I₀(z_n)；

对透射开孔曲线I_TO(z_n)_{λ，t，η，P} n＝1.2.3......，N作归一化处理，将上述曲线中的纵坐标值除以z₁处的纵坐标值，得到样品的归一化开孔透射率曲线T_O(z_n)_{λ，t，η，P} n＝1.2.3......，N，令纵坐标为极值处对应的横坐标为z_π＝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I_RO(z_n)_{λ，t，η，P}，透射闭孔曲线I_TC(z_n)_{λ，t，η，P，S},作处理，得到归一化开孔反射率曲线R_O(z_n)_{λ，t，η，P} n＝1.2.3......，N，以及归一化闭孔透射率曲线T_C(z_n)_{λ，t，η，P，S}，再将T_C(z_n)_{λ，t，η，P，S}除以T_O(z_n)_{λ，t，η，P}，得到归一化相对透射率曲线T_C/O(z_n)_{λ，t，η，P，S}；

⑩由归一化开孔透射率曲线，取焦点z_n＝0处开孔透射率值T_O(0)，代入下式计算得到待测样品（9）的非线性吸收系数β：

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

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

由归一化相对透射率曲线T_C/O(z_n)_{λ，t，η，P，S}，取波峰、波谷处相对透射率值，根据下式计算得到待测样品（9）的非线性折射率n₂：

$n_2=\frac{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{PV}}}{0.416{(1-s)}^{0.25}k{L}_{\mathrm{eff}}{I}_{\mathrm{eff}}\left(0\right)}---\left(2\right)$

上式中，ΔT_PV＝T_P-T_V，T_P，T_V分别为归一化相对透射率曲线的波峰和波谷透射率值；

为孔径光阑（11）对高斯光束的线性透射率，γ_a，ω_a分别为孔径光阑半径和光束截面半径。

本发明的技术效果：

本发明中采用两个光源，光源切换方便，可以研究不同光源下材料的非线性折射率和非线性吸收系数。

采用信号发生器使得岀射激光脉冲功率，脉冲宽度和脉冲周期可调，脉冲功率可从0到100%连续可调，脉冲宽度可以从10ns到连续光任意调节；

可以同时测量样品的透射开孔和透射闭孔数据，以及样品的反射开孔数据，可以测量透明，半透明或不透明材料的非线性系数，数据处理简单。

样品电机运动平台加入显微成像***，实验过程中利用CCD实时观察样品表面形貌，滤光片滤去作用激光对于成像的影响。

作用激光通过光电探测器和示波器实时监测脉冲功率，波形，提高材料非线性测量的精度和准确性。

附图说明

图1是本发明可实时观察监测z扫描光学非线性测量装置的光路结构图。

图2是本发明可实时观察监测z扫描光学非线性测量装置的归一化开孔透射率曲线实验数据及理论拟合值与z扫描位置关系图。

图3是本发明可实时观察监测z扫描光学非线性测量装置的归一化开孔反射率曲线实验数据及理论拟合值与z扫描位置关系图。

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是本发明实现可实时观察监测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，本发明可实时观察监测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13，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依次是第一分光镜2、第一激光分光镜3、扩束镜4、第二分光镜5、第一物镜6、第一分光棱镜7、第二激光分光镜8、待测样品9、第二分光棱镜10、孔径光阑11、第一光电探测器12，所述的第一激光分光镜3与主光轴成45°，所述的第二激光器13经过第三分光镜14入射到所述的第一激光分光镜3；所述的第一信号发生器25与第一激光器1相连；所述的第二信号发生器26与第二激光器13相连；所述的第一分光镜2与主光轴成45°；在所述的第一分光镜2的反射光输出方向设置第五分光镜20、第一聚焦透镜21、第五光电探测器22；所述的第五分光镜20与光轴成45°；在所述的第五分光镜20的反射光输出方向设置第二聚焦透镜23、第六光电探测器24；所述的第三分光镜14与光轴成45°；在所述的第三分光镜14的反射光输出方向设置第四分光镜15、第三聚焦透镜16、第七光电探测器17；所述的第四分光镜15与光轴成45°；在所述的第四分光镜15的反射光输出方向设置第四聚焦透镜18、第八光电探测器19；所述的第二分光镜5与主光轴成45°；在所述的第二分光镜5的反射光输出方向设置第五聚焦透镜37、第四光电探测器38；在所述的第一分光棱镜7的反射光输出方向设置第六聚焦透镜27、第三光电探测器28；所述的第二激光分光镜8与主光轴成45°；在所述的第二激光分光镜8的反射光输出方向设置第二物镜33、第六分光镜32、滤光片34、CCD相机35；所述的第六分光镜32与光轴成45°；在所述的第六分光镜32的反射光输出方向设置照明光源31；所述的第一分光棱镜7、第六聚焦透镜27、第三光电探测器28、第二激光分光镜8、待测样品9、照明光源31、第六分光镜32、第二物镜33、滤光片34、CCD相机35置于样品电机运动平台36上；在所述的第二分光棱镜10的反射光输出方向设置第七聚焦透镜29、第二光电探测器30；所述的第一光电探测器12，第二光电探测器30，第三光电探测器28，第四光电探测器38，CCD相机35、样品电机运动平台36、示波器39与计算机40相连；所述的第五光电探测器22，第六光电探测器24，第七光电探测器17，第八光电探测器19，与示波器39相连。

所述的第一分光镜2、第二分光镜5、第三分光镜14是对波长λ₁，λ₂的激光透射率95%，反射率5%的分光镜；所述的第四分光镜15、第五分光镜20是对波长λ₁，λ₂的激光透射率50%，反射率50%的分光镜；所述的第六分光镜32是对照明光源透射率50%，反射率50%的分光镜；所述的第一分光棱镜7是对波长λ₁，λ₂的激光透射率80%，反射率20%的分光棱镜；所述的第二分光棱镜10是对波长λ₁，λ₂的激光透射率50%，反射率50%的分光棱镜；所述的第一激光分光镜3是对波长λ₁的激光透射率95%以上，反射率5%以下，且对波长λ₁的激光反射率95%以上，透射率5%以下的分光镜；所述的第二激光分光镜8是对波长λ₁，λ₂的激光透射率95%以上，反射率5%以下，且对照明光源反射率95%以上，透射率5%以下的分光镜；所述的滤光片34是对波长λ₁，λ₂的激光透射率1%以下，反射率99%以上，且对照明光源的反射率1%以下，透射率99%以上的滤光片。所述的第一物镜6是NA=0.1的物镜；所述的第二物镜33是NA=0.4的显微物镜。

在本实施例中，第一激光器1选用激光波长为632.8nm的半导体激光器，第二激光器13选用激光波长为405nm的半导体激光器。

参照图1，本发明可实时观察监测z扫描光学非线性测量装置分为三部分，第一部分是基于激光的非线性探测***，第二部分是基于照明光源的CCD观察***，第三部分是基于示波器的作用激光监测***。第一部分的飞信息探测***由两部分组成：①透射开孔和透射闭孔探测部分；②反射开孔探测部分。

①透射开孔和透射闭孔探测部分：主要由第一激光器1、第二激光器13、第一信号发生器25、第二信号发生器26、第一激光分光镜3、扩束镜4、第一物镜6、待测样品9、样品电机运动平台36、第二分光棱镜10、聚焦透镜29、孔径光阑11、第一光电探测器12、第二光电探测器30组成。这部分利用第一信号发生器25、第二信号发生器26，将入射激光调节成脉冲功率，脉冲宽度和脉冲周期可变的脉冲光，激光通过第一物镜6聚焦到待测样品9，由样品电机运动平台36控制待测样品9在z轴运动，岀射光经过第二分光棱镜10分成两束光：透射束光和反射束光。透射束光经过孔径光阑11后到达第一光电探测器12，此为透射闭孔探测部分，所述的反射束光经聚焦透镜29到达第二光电探测器30，此为透射开孔探测部分。

②反射开孔探测部分：主要由第一激光器1、第二激光器13、第一信号发生器25、第二信号发生器26、第一激光分光镜3、扩束镜4、第一物镜6、待测样品9、样品电机运动平台36、第一分光棱镜7、聚焦透镜27、第三光电探测器28组成。这部分同样利用第一信号发生器25、第二信号发生器26，使得入射激光脉冲功率，脉冲宽度和脉冲周期可调。激光通过第一物镜6聚焦到待测样品9，由样品电机运动平台36控制待测样品9在z轴运动，由待测样品9反射的反射光，经第一分光棱镜7反射后，经聚焦透镜27到达第三光电探测器28，此为反射开孔探测部分。

CCD观察***：主要由第二激光分光镜8、照明光源31、第六分光镜32、第二物镜33、滤光片34、CCD相机35组成，这部分中照明光由照明光源31发出，经过第六分光镜32，第二物镜33聚焦后，由第二激光分光镜8反射进入主光路，到达待测样品9表面，待测样品9表面将观察的照明光反射沿原路返回，该返回光镜经所述第二激光分光镜8反射，第二物镜33，透射经过第六分光镜32、滤光片34到达CCD相机35，滤光镜34滤去激光的影响，当待测样品9表面到达第二物镜33的焦平面时，在CCD相机35上可出清晰的像。待测样品9在激光作用下产生的透射率或反射率的变化，这个变化既可以来源于激光导致的材料非线性本征效应，也可以来自激光导致材料本身结构发生的变化，本观察***以便精确分析非线性的产生来源。

激光监测***：主要由第一分光镜2、第五分光镜20、聚焦透镜21、第五光电探测器22；聚焦透镜23、第六光电探测器24、第三分光镜14、第四分光镜15、聚焦透镜16、第七光电探测器17、聚焦透镜18、第八光电探测器19、第二分光镜5、聚焦透镜37、第四光电探测器38、示波器39、计算机40组成，第一激光器1发出的入射激光少部分经第一分光镜2反射后，由第五分光镜20分成两束光：透射束光和反射束光。透射束光经过聚焦物镜21后到达第五光电探测器2，后在示波器39上呈现脉冲波形，此为第一激光器1入射激光波形探测部分，所述的反射束光经聚焦透镜23到达第六光电探测器24，后在示波器39上呈现脉冲功率变化，此为第一激光器1入射激光功率探测部分；第二激光器13发出的入射激光少部分经第三分光镜14反射后，由第四分光镜15分成两束光：透射束光和反射束光。透射束光经过聚焦物镜16后到达第七光电探测器17，后在示波器39上呈现脉冲波形，此为第二激光器13入射激光波形探测部分，所述的反射束光经聚焦透镜18到达第八光电探测器19，后在示波器39上呈现脉冲功率变化，此为第二激光器13入射激光功率探测部分；第一激光器1、第二激光器13发出的入射激光少部分经第二分光镜5反射后，同时经聚焦透镜37到达第四光电探测器38，经计算机40处理，此为入射激光功率噪声监测部分。待测样品9在激光作用下产生的透射率或反射率的变化，这个变化既可以来源于激光导致的材料非线性本征效应，也可以来自激光器自身功率，脉冲不稳定所造成的变化，本监测***以便精确分析非线性的产生来源。

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根据测量需要，选择激光波长632.8nm，所述的信号发生器25控制第一激光器1发出波长632.8nm的激光作为光源，调节信号发生器25，即调节激光功率，或激光脉冲周期，脉冲宽度；通过计算机40设置所述的样品电机运动平台36的运动速度和第一光电探测器12，第二光电探测器30，第三光电探测器28，第四光电探测器38的采样频率、采样点数和第一激光器1同步工作；

②测量透射开孔、透射闭孔和反射开孔数据;

将所述的待测样品9放置在所述的样品电机运动平台36上，调整待测样品9的测量面垂直于所述的主光轴，即z轴，所述的第一物镜6的焦点处为z=0，所述的待测样品9的初始位置为-10z₀，定义

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为第一物镜6的数值孔径，所述的计算机40同时启动所述的样品电机运动平台36、第一光电探测器12、第二光电探测器30、第三光电探测器28和第四光电探测器38，待测样品9沿主光轴正向运动，经过第一物镜6的焦点，运动范围20z₀，所述的第一光电探测器12，第二光电探测器30，第三光电探测器28，第四光电探测器38将探测的光强信号送入所述的计算机40，其中采集第四光电探测器38的输出光强信号为入射激光的功率监测数据P；采集第一光电探测器12，第二光电探测器30，第三光电探测器28的输出光强信号分别为透射闭孔数据，透射开孔数据和反射开孔数据，以采集到的光强值为纵坐标，z为横坐标，记录为透射闭孔曲线I_TC(z_n)_{λ，t，η，P，S},透射开孔曲线I_TO(z_n)_{λ，t，η，P},和反射开孔曲线I_RO(z_n)_{λ，t，η，P},其中n=1.2.3……,2000,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为第四光电探测器38表征的激光功率，S为孔径光阑11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；设置样品电机运动平台速度为10um/s。

③通过所述的CCD相机35实时观察实验过程中待测样品9上扫描点表面形貌，根据观察到的待测样品9扫描点的表面形貌，判断该扫描点的表面是否发生变化，若表面形貌发生了变化，则该点数据不可靠，计算机40删去该点数据；

④通过所述的第五光电探测器22，第六光电探测器24分别将由第一激光器1发射出的脉冲激光波形和功率信号输入至示波器39，根据示波器39呈现的信号观测由第一激光器1发射出的脉冲激光质量，判断经所述第一信号发生器25调制第一激光器1发射出的脉冲激光是否符合实验条件，波形功率是否稳定。若波形或功率与设置不符，则z扫描实验数据不可靠；

⑤调节第一信号发生器25，改变入射激光的功率以及脉冲周期和脉冲宽度，重复上述②③④步骤，测量不同激光条件下待测样品9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9的透射闭孔曲线I_TC(z_n)_{λ，t，η，P，S},透射开孔曲线I_TO(z_n)_{λ，t，η，P},和反射开孔曲线I_RO(z_n)_{λ，t，η，P},n=1.2.3……,2000；

二、测量波长405nm的激光作用下材料的非线性数据：

⑥测量波长405nm的激光作用下材料的非线性性质，选择波长405nm的激光作为光源，关闭第一激光器1，开启第二激光器13，重复上述②③步骤；

⑦通过所述的第七光电探测器17，第八光电探测器19分别将由第二激光器13发射出的脉冲激光波形和功率信号输入至示波器39，根据示波器39呈现的信号观测由第二激光器13发射出的脉冲激光质量，判断经所述第二信号发生器26调制第二激光器13发射出的脉冲激光是否符合实验条件，波形功率是否稳定。若波形或功率与设置不符，则z扫描实验数据不可靠；

⑧调节第二信号发生器26，改变入射激光的功率以及脉冲周期和脉冲宽度，重复上述⑥⑦步骤，测量不同激光条件下待测样品9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9的透射闭孔曲线I_TC(z_n)_{λ，t，η，P，S},透射开孔曲线I_TO(z_n)_{λ，t，η，P},和反射开孔曲线I_RO(z_n)_{λ，t，η，P},n=1.2.3……,2000；

三、对测得的数据进行处理：

⑨对反射开孔曲线I_RO(z_n)_{λ，t，η，P},n=1.2.3……,2000，用功率检测数据P所得到的峰值光强其中

与反射开孔曲线数值相减，得到有效光强I_eff(z_n)，其中I_eff(z_n)＝P-I₀(z_n)；

对透射开孔曲线I_TO(z_n)_{λ，t，η，P} n＝1.2.3......，2000作归一化处理，将上述曲线中的纵坐标值除以z₁处的纵坐标值，得到样品的归一化开孔透射率曲线T_O(z_n)_{λ，t，η，P} n＝1.2.3......，2000，令纵坐标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I_RO(z_n)_{λ，t，η，P}，透射闭孔曲线I_TC(z_n)_{λ，t，η，P，S},作处理，得到归一化开孔反射率曲线R_O(z_n)_{λ，t，η，P} n＝1.2.3......，2000，以及归一化闭孔透射率曲线T_C(z_n)_{λ，t，η，P，S}，再将T_C(z_n)_{λ，t，η，P，S}除以T_O(z_n)_{λ，t，η，P}，得到归一化相对透射率曲线T_C/O(z_n)_{λ，t，η，P，S}；

⑩由归一化开孔透射率曲线，取焦点z_n＝0处开孔透射率值T_O(0)，代入下式计算得到待测样品（9）的非线性吸收系数β：

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

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

由归一化相对透射率曲线T_C/O(z_n)_{λ，t，η，P，S}，取波峰、波谷处相对透射率值，根据下式计算得到待测样品9的非线性折射率n₂：

$n_2=\frac{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{PV}}}{0.416{(1-s)}^{0.25}k{L}_{\mathrm{eff}}{I}_{\mathrm{eff}}\left(0\right)}---\left(2\right)$

上式中，ΔT_PV＝T_P-T_V，T_P，T_V分别为归一化相对透射率曲线的波峰和波谷透射率值；为孔径光阑11对高斯光束的线性透射率，γ_a，ω_a分别为孔径光阑半径和光束截面半径。

Claims (4)

1.一种可实时观察监测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（13），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依次是第一分光镜（2）、第一激光分光镜（3）、扩束镜（4）、第二分光镜（5）、第一物镜（6）、第一分光棱镜（7）、第二激光分光镜（8）、待测样品（9）、第二分光棱镜（10）、孔径光阑（11）、第一光电探测器（12），所述的第一激光分光镜（3）与主光轴成45°，所述的第二激光器（13）经过第三分光镜（14）入射到所述的第一激光分光镜（3）；所述的第一信号发生器（25）与第一激光器（1）相连；所述的第二信号发生器（26）与第二激光器（13）相连；所述的第一分光镜（2）与主光轴成45°；在所述的第一分光镜（2）的反射光输出方向设置第五分光镜（20）、第一聚焦透镜（21）、第五光电探测器（22）；所述的第五分光镜（20）与光轴成45°；在所述的第五分光镜（20）的反射光输出方向设置第二聚焦透镜（23）、第六光电探测器（24）；所述的第三分光镜（14）与光轴成45°；在所述的第三分光镜（14）的反射光输出方向设置第四分光镜（15）、第三聚焦透镜（16）、第七光电探测器（17）；所述的第四分光镜（15）与光轴成45°；在所述的第四分光镜（15）的反射光输出方向设置第四聚焦透镜（18）、第八光电探测器（19）；所述的第二分光镜（5）与主光轴成45°；在所述的第二分光镜（5）的反射光输出方向设置第五聚焦透镜（37）、第四光电探测器（38）；在所述的第一分光棱镜（7）的反射光输出方向设置第六聚焦透镜（27）、第三光电探测器（28）；所述的第二激光分光镜（8）与主光轴成45°；在所述的第二激光分光镜（8）的反射光输出方向设置第二物镜（33）、第六分光镜（32）、滤光片（34）、CCD相机（35）；所述的第六分光镜（32）与光轴成45°；在所述的第六分光镜（32）的反射光输出方向设置照明光源（31）；所述的第一分光棱镜（7）、第六聚焦透镜（27）、第三光电探测器（28）、第二激光分光镜（8）、待测样品（9）、照明光源（31）、第六分光镜（32）、第二物镜（33）、滤光片（34）、CCD相机（35）置于样品电机运动平台（36）上；在所述的第二分光棱镜（10）的反射光输出方向设置第七聚焦透镜（29）、第二光电探测器（30）；所述的第一光电探测器（12），第二光电探测器（30），第三光电探测器（28），第四光电探测器（38），CCD相机（35）、样品电机运动平台（36）、示波器（39）与计算机（40）相连；所述的第五光电探测器（22），第六光电探测器（24），第七光电探测器（17），第八光电探测器（19），与示波器（39）相连。

2.根据权利要求1所述的可实时观察监测z扫描光学非线性测量装置，其特征在于所述的第一分光镜（2）、第二分光镜（5）、第三分光镜（14）是对波长λ₁，λ₂的激光透射率95%，反射率5%的分光镜；所述的第四分光镜（15）、第五分光镜（20）是对波长λ₁，λ₂的激光透射率50%，反射率50%的分光镜；所述的第六分光镜（32）是对照明光源透射率50%，反射率50%的分光镜；所述的第一分光棱镜（7）是对波长λ₁，λ₂的激光透射率80%，反射率20%的分光棱镜；所述的第二分光棱镜（10）是对波长λ₁，λ₂的激光透射率50%，反射率50%的分光棱镜；所述的第一激光分光镜（3）是对波长λ₁的激光透射率95%以上，反射率5%以下，且对波长λ₁的激光反射率95%以上，透射率5%以下的分光镜；所述的第二激光分光镜（8）是对波长λ₁，λ₂的激光透射率95%以上，反射率5%以下，且对照明光源反射率95%以上，透射率5%以下的分光镜；所述的滤光片（34）是对波长λ₁，λ₂的激光透射率1%以下，反射率99%以上，且对照明光源的反射率1%以下，透射率99%以上的滤光片。所述的第一物镜（6）是NA=0.1的物镜；所述的第二物镜（33）是NA=0.4的显微物镜。

3.根据权利要求1所述的可实时观察监测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（13）发出的激光光束为高斯光束。

4.利用权利要求1所述的可实时观察监测z扫描光学非线性测量装置进行非线性吸收系数和非线性折射率的测量方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

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，所述的信号发生器（25）控制第一激光器（1）发出波长λ₁的激光作为光源，调节信号发生器（25），即调节激光功率，或激光脉冲周期，脉冲宽度；通过计算机（40）设置所述的样品电机运动平台（36）的运动速度和第一光电探测器（12），第二光电探测器（30），第三光电探测器（28），第四光电探测器（38）的采样频率、采样点数和第一激光器（1）同步工作；

②测量透射开孔、透射闭孔和反射开孔数据;

将所述的待测样品（9）放置在所述的样品电机运动平台（36）上，调整待测样品（9）的测量面垂直于所述的主光轴，即z轴，所述的第一物镜（6）的焦点处为z=0，所述的待测样品（9）的初始位置为-10z₀，定义

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为第一物镜（6）的数值孔径，所述的计算机（40）同时启动所述的样品电机运动平台（36）和第一光电探测器（12），第二光电探测器（30），第三光电探测器（28），第四光电探测器（38），待测样品（9）沿主光轴正向运动，经过第一物镜（6）的焦点，运动范围20z₀，所述的第一光电探测器（12），第二光电探测器（30），第三光电探测器（28），第四光电探测器（38）将探测的光强信号送入所述的计算机（40），其中采集第四光电探测器（38）的输出光强信号为入射激光的功率监测数据P；采集第一光电探测器（12），第二光电探测器（30），第三光电探测器（28）的输出光强信号分别为透射闭孔数据，透射开孔数据和反射开孔数据，以采集到的光强值为纵坐标，z为横坐标，记录为透射闭孔曲线I_TC(z_n)_{λ，t，η，P，S},透射开孔曲线I_TO(z_n)_{λ，t，η，P},和反射开孔曲线I_RO(z_n)_{λ，t，η，P},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为第四光电探测器（38）表征的激光功率，S为孔径光阑（11）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（35）实时观察实验过程中待测样品（9）上扫描点表面形貌，根据观察到的待测样品（9）扫描点的表面形貌，判断该扫描点的表面是否发生变化，若表面形貌发生了变化，则该点数据不可靠，计算机（40）删去该点数据；

④通过所述的第五光电探测器（22），第六光电探测器（24）分别将由第一激光器（1）发射出的脉冲激光波形和功率信号输入至示波器（39），根据示波器（39）呈现的信号观测由第一激光器（1）发射出的脉冲激光质量，判断经所述第一信号发生器（25）调制第一激光器（1）发射出的脉冲激光是否符合实验条件，波形功率是否稳定。若波形或功率与设置不符，则z扫描实验数据不可靠；

⑤调节第一信号发生器（25），改变入射激光的功率以及脉冲周期和脉冲宽度，重复上述②③④步骤，测量不同激光条件下待测样品（9）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（9）的透射闭孔曲线I_TC(z_n)_{λ，t，η，P，S},透射开孔曲线I_TO(z_n)_{λ，t，η，P},和反射开孔曲线I_RO(z_n)_{λ，t，η，P},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：

⑥测量波长λ₂的激光作用下材料的非线性性质，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（13），重复上述②③步骤；

⑦通过所述的第七光电探测器（17），第八光电探测器（19）分别将由第二激光器（13）发射出的脉冲激光波形和功率信号输入至示波器（39），根据示波器（39）呈现的信号观测由第二激光器（13）发射出的脉冲激光质量，判断经所述第二信号发生器（26）调制第二激光器（13）发射出的脉冲激光是否符合实验条件，波形功率是否稳定。若波形或功率与设置不符，则z扫描实验数据不可靠；

⑧调节第二信号发生器（26），改变入射激光的功率以及脉冲周期和脉冲宽度，重复上述⑥⑦步骤，测量不同激光条件下待测样品（9）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（9）的透射闭孔曲线I_TC(z_n)_{λ，t，η，P，S},透射开孔曲线I_TO(z_n)_{λ，t，η，P},和反射开孔曲线I_RO(z_n)_{λ，t，η，P},n=1.2.3……,N；

三、对测得的数据进行处理：

⑨对反射开孔曲线I_RO(z_n)_{λ，t，η，P},n=1.2.3……,N，用功率检测数据P所得到的峰值光强

其中

与反射开孔曲线数值相减，得到有效光强I_eff(z_n)，其中I_eff(z_n)＝P-I₀(z_n)；

对透射开孔曲线I_TO(z_n)_{λ，t，η，P} n＝1.2.3......，N作归一化处理，将上述曲线中的纵坐标值除以z₁处的纵坐标值，得到样品的归一化开孔透射率曲线T_O(z_n)_{λ，t，η，P} n＝1.2.3......，N，令纵坐标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I_RO(z_n)_{λ，t，η，P}，透射闭孔曲线I_TC(z_n)_{λ，t，η，P，S},作处理，得到归一化开孔反射率曲线R_O(z_n)_{λ，t，η，P} n＝1.2.3......，N，以及归一化闭孔透射率曲线T_C(z_n)_{λ，t，η，P，S}，再将T_C(z_n)_{λ，t，η，P，S}除以T_O(z_n)_{λ，t，η，P}，得到归一化相对透射率曲线T_C/O(z_n)_{λ，t，η，P，S}；

⑩由归一化开孔透射率曲线，取焦点z_n＝0处开孔透射率值T_O(0)，代入下式计算得到待测样品（9）的非线性吸收系数β：

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

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

由归一化相对透射率曲线T_C/O(z_n)_{λ，t，η，P，S}，取波峰、波谷处相对透射率值，根据下式计算得到待测样品（9）的非线性折射率n₂：

$n_2=\frac{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{PV}}}{0.416{(1-s)}^{0.25}k{L}_{\mathrm{eff}}{I}_{\mathrm{eff}}\left(0\right)}---\left(2\right)$

上式中，ΔT_PV＝T_P-T_V，T_P，T_V分别为归一化相对透射率曲线的波峰和波谷透射率值；

为孔径光阑（11）对高斯光束的线性透射率，γ_a，ω_a分别为孔径光阑半径和光束截面半径。

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