專(zhuān)利名稱(chēng)：?jiǎn)蚊}沖測(cè)量材料非線(xiàn)性折射的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量材料的光學(xué)非線(xiàn)性折射的方法，屬于非線(xiàn)性光子學(xué)材 料和非線(xiàn)性光學(xué)信息處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著光通信和光信息處理等領(lǐng)域技術(shù)的飛速發(fā)展，非線(xiàn)性光學(xué)材料的研究
日益重要。光學(xué)邏輯、光學(xué)記憶、光三極管、光開(kāi)關(guān)和相位復(fù)共軛等功能的實(shí)
現(xiàn)主要依賴(lài)于非線(xiàn)性光學(xué)材料的研究進(jìn)展。
光學(xué)非線(xiàn)性測(cè)量技術(shù)是研究非線(xiàn)性光學(xué)材料的關(guān)鍵技術(shù)之一。常用的測(cè)量
方法有Z掃描、4f系統(tǒng)相干成像技術(shù)、馬赫-曾德干涉法、四波混頻、三次諧 波非線(xiàn)性干涉法、橢圓偏振法、相位物體Z-scan等。其中Z掃描方法(Mansoor Sheik-Bahae, Ali A. Said, Tai-Hui Wei， David J. Hagan, E. W. Van Stryland. "Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam", IEEE J. Quantum Elect, 26， 760-769 (1990))光路簡(jiǎn)單、靈敏度高，是目前最常用 的單光束測(cè)量材料光學(xué)非線(xiàn)性的方法。但是這種測(cè)量方法中，樣品需要在激光 傳播方向進(jìn)行移動(dòng)，并且需要激光多次激發(fā)，對(duì)薄膜和易損傷的材料不適用。 相位物體Z-scan (Junyi Yang and Yinglin Song, "Direct observation of the transient thermal lensing effect using the PO Z-scan" Vol. 34， No. 2， Doc. ID 100701)是在傳統(tǒng)Z-掃描的基礎(chǔ)上，在透鏡的前焦面的位置加一個(gè)相位物 體實(shí)現(xiàn)的。與傳統(tǒng)Z-掃描相比，所測(cè)量材料非線(xiàn)性折射的結(jié)果由傳統(tǒng)Z-掃描 的峰谷特征曲線(xiàn)變成了單峰或單谷特征曲線(xiàn)。但是，和傳統(tǒng)Z-掃描一樣，這 種測(cè)量方法也需要樣品在激光傳播方向的移動(dòng)，需要激光多次激發(fā)，容易損傷 材料。
4f相位相干成像系統(tǒng)(G. Boudebs and S. Cherukulappurath， "Nonlinear optical measurements using a 4f coherent imaging system with phase object", Phys. Rev. A， 69， 053813(2004))是近年來(lái)提出的一種測(cè)量材料非線(xiàn)性折射的
3新方法。利用4f相位相干成像技術(shù)測(cè)量非線(xiàn)性折射具有光路簡(jiǎn)單、靈敏度髙、 單脈沖測(cè)量，無(wú)需樣品移動(dòng)、對(duì)光源能量穩(wěn)定性要求不髙等優(yōu)點(diǎn)。但這種方法 需要對(duì)釆集的圖像進(jìn)行比較復(fù)雜的處理，探測(cè)器需要采用CCD，并且對(duì)CCD 的要求比較高，增加了測(cè)量的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種單脈沖測(cè)量材料非線(xiàn)性的方法，只利用一束單脈 沖，簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確地測(cè)量材料的非線(xiàn)性折射系數(shù)，并降低測(cè)量的成本。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種單脈沖測(cè)量材料非線(xiàn)性 折射的方法，將脈沖激光束分為兩束， 一束為監(jiān)測(cè)光，由探測(cè)器記錄；另一束 為探測(cè)光，經(jīng)透鏡聚焦到待測(cè)樣品上，所述探測(cè)光經(jīng)過(guò)一相位物體后照射到待 測(cè)樣品上，從待測(cè)樣品上出射的脈沖光通過(guò)一個(gè)中心和光軸重合的小孔徑光闌 后由第二探測(cè)器記錄，所述相位物體為環(huán)形結(jié)構(gòu)，該環(huán)形部與內(nèi)孔處的相位差 在3i/4 3:n/4之間，內(nèi)孔孔徑為入射光斑束腰半徑的0.1 0.3倍，測(cè)量步驟 為，
(1) 在遠(yuǎn)離焦點(diǎn)的位置放上待測(cè)樣品，用探測(cè)器收集經(jīng)過(guò)光闌后的脈沖光能 量，并計(jì)算出透過(guò)小孔能量與監(jiān)測(cè)光能量的比值；
(2) 在透鏡的焦平面位置放上待測(cè)樣品，用探測(cè)器收集經(jīng)過(guò)光闌后的脈沖光 能量，并計(jì)算出透過(guò)小孔能量與監(jiān)測(cè)光能量的比值；
(3) 對(duì)上述獲得的兩個(gè)比值進(jìn)行處理，獲得所需的檢測(cè)材料的光學(xué)非線(xiàn)性折
射系數(shù)。
上述技術(shù)方案中，所述探測(cè)器和第二探測(cè)器可以采用光能量計(jì)。
上述技術(shù)方案中，所述步驟(3)中的處理包括，將步驟(2)中得出的比值與步 驟(l)中得出的比值相除，得到樣品歸一化的非線(xiàn)性透過(guò)率，對(duì)歸一化的非線(xiàn)性 透過(guò)進(jìn)行理論擬合得到非線(xiàn)性折射系數(shù)。
其中，所述相位物體位于探測(cè)光路中透鏡之前。為方便計(jì)算，優(yōu)選的技術(shù) 方案是，所述相位物體位于探測(cè)光路中透鏡的前焦面上。
上述技術(shù)方案中，當(dāng)所述相位物體環(huán)形部與內(nèi)孔處的相位差是^W2，內(nèi)孔 大小大約為入射光斑束腰半徑的0.1倍時(shí)，系統(tǒng)的測(cè)量精度達(dá)到最髙。其大小
4和相位延遲可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)。
進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述第二探測(cè)器前的小孔徑光闌的半徑等于相位物體 的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光斑的半徑。
本發(fā)明的技術(shù)方案中，非線(xiàn)性樣品受到脈沖光的作用后，材料的折射率發(fā) 生變化，產(chǎn)生非線(xiàn)性相移，激光的光強(qiáng)越強(qiáng)，非線(xiàn)性相移越大。這樣，在焦平 面處樣品就相當(dāng)于一個(gè)變化的相位物體。根據(jù)相襯原理，在遠(yuǎn)場(chǎng)，非線(xiàn)性相移 的變化就表現(xiàn)為相位物體衍射光斑內(nèi)光場(chǎng)振幅的變化，從而就會(huì)引起小孔的透 過(guò)率的變化。另外，振幅的變化與材料非線(xiàn)性的折射符號(hào)有關(guān)。如果，非線(xiàn)性 折射為自聚焦，小孔歸一化的透過(guò)率就大于1，反之，就小于l。所以，在焦 平面位置，無(wú)需移動(dòng)樣品，在一個(gè)單脈沖的作用下，通過(guò)測(cè)量小孔歸一化的非 線(xiàn)性透過(guò)率，就可以得到樣品的非線(xiàn)性折射系數(shù)以及材料的非線(xiàn)性折射符號(hào)。
本發(fā)明方法用一種全新的思路實(shí)現(xiàn)了對(duì)非線(xiàn)性折射系數(shù)的測(cè)量，同其他非 線(xiàn)性光學(xué)測(cè)量技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)
1. 本發(fā)明采用單脈沖測(cè)量，樣品無(wú)需移動(dòng)
2. 本發(fā)明的測(cè)量非常方便，理論模型簡(jiǎn)單，可以采用光能量計(jì)作為探測(cè) 器，不需要采用高成本的CCD探測(cè)器，從而降低了測(cè)量成本；
3. 本發(fā)明測(cè)量靈敏度髙，且既可以測(cè)量非線(xiàn)性的大小又可以測(cè)量符號(hào)；
4. 本發(fā)明所述的測(cè)量方法，可以廣泛地應(yīng)用于非線(xiàn)性光學(xué)測(cè)量、非線(xiàn)性 光子學(xué)材料、非線(xiàn)性光學(xué)信息處理和光子學(xué)器件等研究領(lǐng)域，尤其是非線(xiàn)性光
功能材料的測(cè)試和改性等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，利用本發(fā)明方法，可以極大的減少測(cè)量成 本(無(wú)需移動(dòng)平臺(tái)和CCD),并能夠保證測(cè)試參數(shù)全面，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確；另外 本方法對(duì)光路要求簡(jiǎn)單，測(cè)試速度快捷。


附圖1是本發(fā)明實(shí)施例一中的相位物體示意附圖2是本發(fā)明實(shí)施例一中的含相位物體單脈沖測(cè)量非線(xiàn)性折射系數(shù)方 法的工作原理圖。
其中1、激光脈沖；2、分束器；3、探測(cè)器；4、相位物體；5、凸透鏡； 6、待測(cè)樣品；7、小孔；8、第二探測(cè)器。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述
實(shí)施例一參見(jiàn)附圖2所示， 一種含相位物體單脈沖測(cè)量功能材料的非線(xiàn) 性參數(shù)的裝置，光路由分束器2,相位物體4,凸透鏡5,小孔7,探測(cè)器3 和第二探測(cè)器8組成；激光脈沖l聚焦于待測(cè)樣品6上。
利用分束器2把激光脈沖1分成兩束光，監(jiān)測(cè)光的能量由探測(cè)器3接收， 另外一束光透過(guò)相位物體4后由凸透鏡5聚焦到待測(cè)樣品6上，透射后的光束 經(jīng)小孔7后由探測(cè)器8接收。
在本實(shí)施例中，激光光束為Nd:YAG激光器(Ekspla， PL2143B)倍頻以 后的532nm激光，脈寬21ps。型號(hào)為(Rjp-765 energy probe)的兩探測(cè)器連 接在能量計(jì)(Rj-7620 ENERGY RATIOMETER, Laserprobe)上。待測(cè)樣品為二 硫化碳(CS2)。
具體的檢測(cè)步驟為(l)將待測(cè)樣品6放在靠近凸透鏡5的位置，利用第 二探測(cè)器8測(cè)量透過(guò)小孔7的能量，同時(shí)利用探測(cè)器3測(cè)量監(jiān)測(cè)光的能量，將 第二探測(cè)器8所測(cè)得的能量除以探測(cè)器3的能量，得到一個(gè)能量比值。(2)將 樣品6放在透鏡5的焦平面的位置，利用第二探測(cè)器8測(cè)量透過(guò)小孔7的能量， 同時(shí)利用探測(cè)器3測(cè)量監(jiān)測(cè)光的能量，將第二探測(cè)器8所測(cè)得的能量除以探測(cè) 器3的能量，得到一個(gè)能量比值。(3)將步驟(2)中的比值除以步驟(1)中的比值， 得到樣品透過(guò)小孔歸一化的非線(xiàn)性透過(guò)率。(4)根據(jù)步驟(3)中得到的非線(xiàn)性透 過(guò)率，得出樣品的非線(xiàn)性折射系數(shù)。
對(duì)于CS2非線(xiàn)性測(cè)量的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算具體過(guò)程如下
假設(shè)入射光束為基模髙斯光，其場(chǎng)強(qiáng)表達(dá)式為
￡0V) = ￡0exp —~j exp —口
L化」L 2t」 ")
式中，Eo為脈沖激光的最大場(chǎng)強(qiáng)值，r為光束的半徑，^為入射光束的束 腰半徑，7為脈沖光1/e半寬的時(shí)間。 相位物體的透過(guò)率為
"r)-exp(O (r<Lp)或,0) = 1 (r>Lp) (2)式中，^為相位物體的相位延遲。 相位物體后表面的場(chǎng)強(qiáng)分布為
<formula>formula see original document page 7</formula> (3)
傳播到樣品表面的光場(chǎng)可通過(guò)傅立葉-貝塞爾變換得到，
<formula>formula see original document page 7</formula> (4)
式中，f為透鏡的焦距，J。為零階貝塞爾函數(shù)。
在樣品中，考慮慢變振幅近似和薄樣品近似的情況，脈沖激光的相位變化 在樣品中傳播滿(mǎn)足
<formula>formula see original document page 7</formula> (5)
A"為折射率變化，z'激光在樣品中傳播的光程。在CS2中，
式中，"2為樣品的非線(xiàn)性折射系數(shù)； 則樣品后表面的光場(chǎng)為
不考慮樣品非線(xiàn)性時(shí)，則樣品后表面的光場(chǎng)為
為作用在樣品上的光強(qiáng)
<formula>formula see original document page 7</formula> (7b)
從樣品的后表面?zhèn)鞑サ叫】椎墓鈭?chǎng)可通過(guò)菲涅爾衍射公式得到
<formula>formula see original document page 7</formula>
不考慮樣品非線(xiàn)性時(shí)，則光場(chǎng)為
<formula>formula see original document page 7</formula> (8a)
<formula>formula see original document page 7</formula> (8b)
式中，d為遠(yuǎn)場(chǎng)小孔到焦點(diǎn)的距離。
對(duì)小孔處的光強(qiáng)進(jìn)行空間和時(shí)間的積分，可得到透過(guò)小孔的能量。將此能 量與在不考慮樣品非線(xiàn)性的情況下得到的透過(guò)小孔的能量相比，就得到透過(guò)小孔的歸一化非線(xiàn)性透過(guò)率
f ]^2兀產(chǎn)2 ￡。4 (i^^1
對(duì)小孔的歸一化非線(xiàn)性透過(guò)率進(jìn)行擬合，就可以得到樣品的非線(xiàn)性折射系數(shù)。
在實(shí)施例一中，入射能量為0,22AJ,相位物體的半徑為0.5mm，相位延遲 為^=0.5兀，相位物體前入射光束的束腰半徑為2.8 mm，遠(yuǎn)場(chǎng)小孔到焦點(diǎn)的距 離為1.6 m，小孔的半徑為2 mm。實(shí)驗(yàn)測(cè)得小孔歸一化的非線(xiàn)性透過(guò)率為 1.4481,改變樣品非線(xiàn)性折射系數(shù)"2，使得理論計(jì)算的非線(xiàn)性透過(guò)率和實(shí)驗(yàn)測(cè) 得的相吻合，可得CS2的非線(xiàn)性折射系數(shù)為^ =3.3x10-18 m2/W，和文獻(xiàn)報(bào)道上 的值一致。
權(quán)利要求
1. 一種單脈沖測(cè)量材料非線(xiàn)性折射的方法，將脈沖激光束分為兩束，一束為監(jiān)測(cè)光，由探測(cè)器記錄；另一束為探測(cè)光，經(jīng)透鏡聚焦到待測(cè)樣品上，其特征在于所述探測(cè)光經(jīng)過(guò)一相位物體后照射到待測(cè)樣品上，從待測(cè)樣品上出射的脈沖光通過(guò)一個(gè)中心和光軸重合的小孔徑光闌后由第二探測(cè)器記錄，所述相位物體為環(huán)形結(jié)構(gòu)，該環(huán)形部與內(nèi)孔處的相位差在π/4～3π/4之間，內(nèi)孔孔徑為入射光斑束腰半徑的0.1～0.3倍，測(cè)量步驟為，(1)在遠(yuǎn)離焦點(diǎn)的位置放上待測(cè)樣品，用探測(cè)器收集經(jīng)過(guò)光闌后的脈沖光能量，并計(jì)算出透過(guò)小孔能量與監(jiān)測(cè)光能量的比值；(2)在透鏡的焦平面位置放上待測(cè)樣品，用探測(cè)器收集經(jīng)過(guò)光闌后的脈沖光能量，并計(jì)算出透過(guò)小孔能量與監(jiān)測(cè)光能量的比值；(3)對(duì)上述獲得的兩個(gè)比值進(jìn)行處理，獲得所需的檢測(cè)材料的光學(xué)非線(xiàn)性折射系數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單脈沖測(cè)量材料非線(xiàn)性折射的方法，其特征在 于所述步驟(3)中的處理包括，將步驟(2)中得出的比值與步驟(1)中得出的比值 相除，得到樣品歸一化的非線(xiàn)性透過(guò)率，對(duì)歸一化的非線(xiàn)性透過(guò)進(jìn)行理論擬合 得到非線(xiàn)性折射系數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單脈沖測(cè)量材料非線(xiàn)性折射的方法，其特征在 于所述相位物體位于探測(cè)光路中透鏡之前。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的單脈沖測(cè)量材料非線(xiàn)性折射的方法，其特征在 于所述相位物體位于探測(cè)光路中透鏡的前焦面上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單脈沖測(cè)量材料非線(xiàn)性折射的方法，其特征在 于所述相位物體環(huán)形部與內(nèi)孔處的相位差是n/2。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單脈沖測(cè)量材料非線(xiàn)性折射的方法，其特征在 于所述第二探測(cè)器前的小孔徑光闌的半徑等于相位物體的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光斑的半 徑。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種單脈沖測(cè)量材料非線(xiàn)性折射的方法，在探測(cè)光路中增加一相位物體，在一個(gè)單脈沖作用下，通過(guò)測(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)小孔的非線(xiàn)性透過(guò)率，可以確定材料的非線(xiàn)性折射系數(shù)。按本發(fā)明方法工作的測(cè)量系統(tǒng)光路簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，單脈沖測(cè)量、樣品無(wú)需移動(dòng)，可以同時(shí)測(cè)量非線(xiàn)性折射的大小和符號(hào)，測(cè)量結(jié)果精確，極大的減少測(cè)量成本等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/41GK101482502SQ20091002832
公開(kāi)日2009年7月15日 申請(qǐng)日期2009年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月8日
發(fā)明者宋瑛林, 李常偉, 楊俊義, 敏 稅, 肖 金 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)