CN105403534A - 一种测量材料瞬态光学非线性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量材料瞬态光学非线性的方法，激光束分为泵浦光和探测光两束激光。经过延迟线的泵浦光聚焦到待测样品上，使非线性样品产生光学非线性；经过样品后的探测光被分光镜分为两束，一束直接进入第一探测器，另一束通过一个圆形挡板后，再经过一个圆形小孔后进入第二探测器；其特征在于：在所述探测光光路中，远场放置一个圆形挡板，其测量步骤为：①放上待测样品，用两个探测器分别收集不同时刻探测光的能量；②对不同延迟时间的探测光能量曲线进行处理，获得光学非线性参数。按本发明方法工作的测量***灵敏度非常高、数据处理简单，可同时测量非线性吸收和折射，无需分开进行等优点。

Description

一种测量材料瞬态光学非线性的方法

技术领域

本发明涉及一种利用光学手段在来测试或分析材料的方法，具体涉及一种研究材料的非线性光学物理机制以及测量其光学物理参数的方法，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

非线性光学领域的飞速发展离不开对光学非线性材料的研究。寻找各种用途的理想光学非线性材料是非线性光学领域的一个非常重要的任务。具有大的光学非线性系数和超快光响应的材料被认为是用于制造高速光电设备的新兴材料，在光学工程领域，如全光开关等元器件中有着巨大的潜在应用价值。而对光学非线性材料的研究则需要借助于各种光学非线性测量技术。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。在光学非线性样品中，一般情况下不止一种非线性机制，通常会存在二种甚至更多的非线性机制相互作用，而一般的非线性测量技术不能很简单地把各种光学非线性机制区分开。Z扫描方法(MansoorSheik-Bahae,AliA.Said,Tai-HuiWei,DavidJ.Hagan,E.W.VanStryland.“Sensitivemeasurementofopticalnonlinearitiesusingasinglebeam”,IEEEJ.QuantumElect,26,760-769(1990))是目前最常用的单光束测量材料光学非线性的方法，此方法是在光束畸变测量方法的基础上提出的,其优点是光路简单，处理方法简单，测量精度高,并且可同时测量非线性吸收与折射。但这种方法很难准确的确定材料的光学非线性机制以及材料一些具体的重要的光学物理参数。

在Z-scan的基础上,1994年J.Wang等人提出了时间分辨Z-scan技术(J.Wang,M.Sheik-Bahae,A.A.Said,D.J.Hagan,andE.W.VanStryland,“Time-resolvedZ-scanmeasurementsofopticalnonlinearities”,J.Opt.Soc.Am.B,11,1009-1017,1994)。这种方法通过对样品出射的不同时刻探测光的位相和强度的变化情况的分析来确定材料光学非线性的机制以及各个能级重要的光学物理参数。但这种方法在测量样品非线性折射随时间变化的特征时比较麻烦，由于不同时刻激光的空间分布和能量是不同的，从而会引起较大的测量误差。最近提出的一种相位物体(PO)泵浦探测方法(JunyiYang,YinglinSong,YuxiaoWang,ChangweiLi,XiaoJin,andMinShui.Time-resolvedpump-probetechnologywithphaseobjectformeasurementsofopticalnonlinearities.OpticsExpress,17,7110-7116(2009))，这种方法能同时测量非线性吸收和非线性折射动力学过程，但这种方法的灵敏度受到主光路T-PO技术的限制。另外对于非简并非线性折射动力学测量时，需根据对应的探测波长更换不同的相位物体。本发明提出一种测量材料瞬态光学非线性的技术，能克服传统时间分辨Z-scan及PO泵浦探测技术的缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量材料瞬态光学非线性的方法，用于材料光学非线性特别是非线性折射的检测，确定材料的光学非线性机制并可同时准确的测量材料重要的非线性光学参数。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：激光束被分为两束，一束光的光强比较强，另外一束光的光强比较弱。光强较强一束为泵浦光，较弱的一束为探测光，含有时间延迟线的泵浦光聚焦到待测样品14上，使样品产生光学非线性；所述待测样品14位于探测光光路中透镜13的焦平面上，出射的探测光经一分光镜15分为两束，一束直接进入第一探测器17，另一束通过一个圆形光阑和一个圆形挡板后进入第二探测器，其特征在于：在探测光路的样品后的远场位置没有放置小孔，而是放置了一圆孔和一个圆形不透光挡板，其测量步骤为：

①将待测样品放置在透镜的焦点位置，用两个探测器分别收集不同时刻探测光的能量，获得不同时间的探测光能量曲线；

②对上述获得的不同延迟时间的探测光能量曲线进行处理，获得所需的检测材料的光学非线性参数。

上述技术方案中，所述步骤②中的处理包括，分别作出开孔归一化的透射能量以及挡板归一化随延迟时间的变化曲线，其中开孔归一化透射能量随延迟时间的变化曲线只与非线性吸收有关，挡板归一化随延迟时间的变化曲线与非线性吸收和非线性折射都有关系，对开孔归一化透射能量随延迟时间的变化曲线进行拟合得到有关非线性吸收的光学参量的大小和寿命；在非线性吸收参数已知的情况下，通过对挡板归一化随延迟时间的变化曲线进行拟合得到非线性折射相关参量的数值。

其中上述技术方案中，所述圆孔和圆形挡板的大小要根据探测光路远场处的衍射主光斑的大小进行调节，让边缘的衍射光通过，圆孔和挡板组合后的透过率小于0.001。

上述技术方案中，所述泵浦光的时间延迟通过两个反射镜和一个棱镜实现，由反射镜改变泵浦光的方向，调节棱镜和反射镜之间的间距，及改变泵浦光到样品的距离，实现对延迟时间的调节。

上述技术方案中，所述棱镜的移动范围为0到30cm，时间延迟范围为-100ps到1.9ns。

优选的技术方案，所述挡板到透镜的距离与产生平顶光的小孔到透镜的距离符合透镜成像和公式为优选。

优选的技术方案，所述探测光和泵浦光聚焦到待测样品上的夹角(α)在3°到8°范围内。

本发明的技术方案中，非线性样品受到泵浦光的激发后产生光学非线性，对入射光的振幅和相位产生影响；又由于光学非线性随着时间是不断变化的，所以对于不同时刻的探测光产生的影响是不同的，通过分析不同时刻的探测光的情况就能够同时测量出样品的非线性吸收和非线性折射时间特性曲线，从而可以确定各个能级的吸收截面和寿命以及折射率体积。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

1.***测量灵敏度非常高，比Z-scan和PO泵浦探测技术高两个数量级；

2.本方法对非线性吸收和非线性的折射的测量是同时完成的；

3.本方法中泵浦光和探测光不要求同轴，可以以一个小的夹角相交，通过样品后二者自动分离，因而用探测器接收信号时十分方便；而基于传统Z扫描方法的泵浦探测方法由于泵浦光和探测光共轴的，当光束通过样品之后必须考虑光束的分离问题，特别是当泵浦光和探测光波长接近或相等的时候光路会更加麻烦；

4.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，能够保证测试参数全面，测试结果准确，极大地减小了测量的误差；另外本方法对光路要求简单，测试速度快捷。

附图说明

附图1是本发明实施例一中的圆形小孔示意图；

附图2是本发明实施例一中的圆形挡板示意图；

附图3是本发明实施例一中的测量材料瞬态光学非线性的方法的工作原理图；

附图4为本发明实施例一中挡板归一化透过率随延迟时间的变化图：

其中：1、入射激光束；2、分束器；3、泵浦光束；4、反射镜；5、直角棱镜；6、反射镜；7、凸透镜；8、探测光束；9、反射镜；10、凸透镜；11、凸透镜；12、圆形小孔；13、凸透镜；14、待测样品；15、分束器；16、凸透镜；17、第一探测器；18、圆形小孔；19、圆形挡板；20、凸透镜；21、第二探测器。

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，上述技术方案中方法，以探测光路和泵浦光路为基础，泵浦光路主要由两个反射镜4、6，直角棱镜5，凸透镜7组成，直角棱镜5可以前后平移改变泵浦光到样品的距离，即延迟时间；探测光路主要由反射镜9，凸透镜10，凸透镜11，圆形小孔12，凸透镜13，分束器15，凸透镜16，圆形小孔18，圆形挡板19，凸透镜20，第一探测器17和第二探测器21组成；泵浦光路与探测光路同时聚焦于待测样品14上。

利用分束器2把激光脉冲1分成泵浦光束3和探测光束8。探测光束8经过反射镜9改变方向，透过凸透镜10和凸透镜11扩束，扩束后的激光经过小孔12后形成平顶光，光束经凸透镜13会聚到放置在焦点的待测样品14上，经过分束器15后，分成两束光，透射的一束经小孔18和圆形挡板19后，经凸透镜20会聚后由第二探测器21接收，反射的一束经凸透镜16会聚后由第一探测器17接收；泵浦光束3经过反射镜4，直角棱镜5，反射镜6构成的延迟平台，由凸透镜7聚焦到待测样品14上，使待测样品14产生光学非线性，对探测光的吸收和折射产生影响，又由于光学非线性是随时间是不断变化的，前后平移直角棱镜5可以对不同时刻的探测光产生不同的影响，并被第二探测器21和第一探测器17接收。

在本实施例中，激光光束为532nm激光，脉宽21ps。样品为DMF溶剂，其在532nm处的非线性线性吸收很弱，非线性折射主要为克尔效应。

具体的检测步骤为：(1)在样品前挡住探测光，将第二探测器21放在样品14的位置，测量泵浦光的能量。(2)放上样品14，前后平移直角棱镜6，连续记录不同延迟时间的探测光的能量。(3)分别作出开孔归一化的透射能量以及闭孔归一化随延迟时间的变化曲线。

对于DMF光学非线性测量的实验和理论计算具体过程如下：

在考虑慢变振幅近似和薄样品近似的情况下探测光在样品中传播满足

$\frac{{\∂I}_p}{{\∂z}^{\′}}=-{\mathrm{\Δ\αI}}_p---\left(1\right)$

$\frac{\mathrm{d\φ}}{{\mathrm{dz}}^{\′}}=\mathrm{k\Δn}---\left(2\right)$

Δn为折射率变化，Δα为吸收系数变化，z'激光在样品中传播的光程。在DMF溶剂中，非线性吸收非常弱，主要考虑光克尔效应引起的非线性折射变化。

Δn＝n₂I(3)

因为在泵探实验中探测光比泵浦光弱了很多倍，所以可以认为克尔效应主要是由泵光产生的图3是DMF溶剂的泵浦探测的非线性折射结果的实验理论曲线。实验中我们将泵浦光的能量设置为1.7μJ，其他测量条件和上面保持一致。测量结果如图4所示，DMF的非线性折射是由克尔效应引起的，从图中可以发现用PO时间分辨泵浦探测技术对溶剂DMF进行闭孔测量时，曲线几乎没有变化，为一条直线(右上小图)。说明溶剂DMF在强泵浦光激发后，非线性响应信号还是不能被弱探测光识别，在此能量条件下无法用相位物体的时间分辨泵浦探测技术进行非线性的测量。在相同条件下我们也用高灵敏度挡板泵浦探测技术来研究溶剂DMF的非线性折射效应，从测量结果可以看出，存在一个较明显的非线性响应，归一化透过率曲线仍然为一单峰形状。

Claims (7)

1.一种测量材料瞬态光学非线性的方法，激光束被分为两束，一束光的光强比较强，另外一束光的光强比较弱；光强较强一束为泵浦光，较弱的一束为探测光，含有时间延迟线的泵浦光聚焦到待测样品14上，使样品产生光学非线性；所述待测样品14位于探测光光路中透镜13的焦平面上，出射的探测光经一分光镜15分为两束，一束直接进入第一探测器17，另一束通过一个圆形光阑和一个圆形挡板后进入第二探测器，其特征在于：在探测光路的样品后的远场位置没有放置小孔，而是放置了一个圆形不透光挡板，其测量步骤为：

①将待测样品放置在透镜的焦点位置，用两个探测器分别收集不同时刻探测光的能量，获得不同时间的探测光能量曲线；

②对上述获得的不同延迟时间的探测光能量曲线进行处理，获得所需的检测材料的光学非线性参数。

2.根据权利要求1所述的测量材料瞬态光学非线性的方法，其特征在于：所述步骤②中的处理包括，分别作出开孔归一化的透射能量以及挡板归一化随延迟时间的变化曲线，对开孔归一化透射能量随延迟时间的变化曲线进行拟合得到有关非线性吸收的光学参量的大小和寿命；在非线性吸收参数已知的情况下，通过对挡板归一化随延迟时间的变化曲线进行拟合得到非线性折射相关参量的数值。

3.根据权利要求1所述的材料瞬态光学非线性的测量方法，在探测光路的样品后的远场位置放置一个圆形不透光挡板和一个圆孔。

4.根据权利要求1所述的一种测量材料瞬态光学非线性的方法，其特征在于：所述泵浦光的时间延迟通过两个反射镜和一个棱镜实现，由反射镜改变泵浦光的方向，调节棱镜和反射镜之间的间距，及改变泵浦光到样品的距离，实现对延迟时间的调节。

5.根据权利要求1所述的测量材料瞬态光学非线性的方法，其特征在于：所述棱镜的移动范围为0到30cm，时间延迟范围为-100ps到1.9ns。

6.根据权利要求1所述的测量材料瞬态光学非线性的方法，其特征在于：优选的技术方案，所述挡板到透镜的距离与产生平顶光的小孔到透镜的距离符合透镜成像和公式为优选。

7.根据权利要求1所述的测量材料瞬态光学非线性的方法，其特征在于：优选的技术方案，所述探测光和泵浦光聚焦到待测样品上的夹角()在4°到8°范围内。