專利名稱：基于z掃描的泵浦探測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種利用光學(xué)手段在來(lái)測(cè)試或分析材料的裝置，具體涉及一種研究材料的非線性光學(xué)物理機(jī)制以及測(cè)量其光學(xué)物理參數(shù)的裝置，屬于非線性光子學(xué)材料和非線性光學(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技術(shù)的飛速發(fā)展，非線性光學(xué)材料的研究顯得日益重要。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)主要依賴于非線性光學(xué)材料的研究進(jìn)展。光學(xué)非線性測(cè)量技術(shù)是研究非線性光學(xué)材料的關(guān)鍵技術(shù)之一，其中弄清材料的光學(xué)非線性機(jī)制，如何準(zhǔn)確的確定材料重要的物理參量對(duì)于如何應(yīng)用材料是非常重要的。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 nonlinearitiesusing a single beam”，IEEE J.Quantum Elect，26，760-769(1990))是目前最常用的單光束測(cè)量材料光學(xué)非線性的方法，此方法是在光束畸變測(cè)量方法的基礎(chǔ)上提出的，其優(yōu)點(diǎn)是光路簡(jiǎn)單，處理方法簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，并且可同時(shí)測(cè)量非線性吸收與折射。但這種方法很難準(zhǔn)確地確定材料的光學(xué)非線性機(jī)制以及材料對(duì)應(yīng)的重要的光學(xué)物理參數(shù)。
在Z掃描(Z-scan)的基礎(chǔ)上，1994年J.Wang等人提出了時(shí)間分辨Z-scan技術(shù)(J.Wang，M.Sheik-Bahae，A.A.Said，D.J.Hagan，and E.W.VanStryland，“Time-resolved Z-scan measurements of opticalnonlinearities”，J.Opt.Soc.Am.B，11，1009-1017，1994)。這種方法通過(guò)對(duì)樣品出射的不同時(shí)刻探測(cè)光的位相和強(qiáng)度的變化情況的分析來(lái)確定材料光學(xué)非線性的機(jī)制以及各個(gè)能級(jí)重要的光學(xué)物理參數(shù)。但這種方法在測(cè)量樣品非線性折射隨時(shí)間變化的特征時(shí)比較麻煩，而且誤差比較大，具體表現(xiàn)為(1)測(cè)量時(shí)需先測(cè)量樣品的非線性吸收的時(shí)間特征，然后再把樣品分別放在兩個(gè)位置進(jìn)行非線性折射時(shí)間特征的測(cè)量，最后還要除去非線性吸收的影響。(2)不能同時(shí)進(jìn)行非線性吸收和非線性折射時(shí)間特征的測(cè)量。由于不同時(shí)刻激光的空間分布和能量是不同的，從而會(huì)引起較大的測(cè)量誤差。
因而，需要尋求新的探測(cè)方法，以準(zhǔn)確地確定材料的光學(xué)非線性機(jī)制以及材料對(duì)應(yīng)的重要的光學(xué)物理參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種基于Z掃描的泵浦探測(cè)裝置，用于光學(xué)非線性材料的檢測(cè)，利用本裝置，可以確定材料的光學(xué)非線性機(jī)制并可同時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量材料重要的非線性光學(xué)參數(shù)。
為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是一種基于Z掃描的泵浦探測(cè)裝置，包括激光光源、分束器，所述分束器把入射激光束分為兩束，分別進(jìn)入泵浦光路和探測(cè)光路，所述泵浦光路包括時(shí)間延遲部件和凸透鏡；所述探測(cè)光路包括凸透鏡、出射分束器和兩個(gè)探測(cè)器，待測(cè)樣品位于凸透鏡的后焦面上，在所述探測(cè)光路的凸透鏡之前，設(shè)置有相位物體。
上述技術(shù)方案中，所述相位物體位于所述探測(cè)光光路中凸透鏡的前焦面上。
所述兩個(gè)探測(cè)器分別為第一探測(cè)器和第二探測(cè)器，在出射分束器和第一探測(cè)器之間設(shè)置有凸透鏡，在出射分束器和第二探測(cè)器之間設(shè)置有中心和光軸重合的小孔徑光闌。
上述技術(shù)方案中，所述時(shí)間延遲部件由兩個(gè)反射鏡和一個(gè)直角棱鏡構(gòu)成，直角棱鏡相對(duì)反射鏡具有直線平移運(yùn)動(dòng)的自由度。所述直角棱鏡的移動(dòng)范圍為0到22.5cm。
優(yōu)選的技術(shù)方案，所述探測(cè)光和泵浦光聚焦到待測(cè)樣品上的夾角在3°到8°范圍內(nèi)。
采用上述探測(cè)裝置，可以實(shí)現(xiàn)基于Z掃描的泵浦探測(cè)，其方法是，把激光束分為兩束，光強(qiáng)較強(qiáng)的一束為泵浦光，較弱的一束為探測(cè)光，泵浦光經(jīng)過(guò)時(shí)間延遲聚焦到待測(cè)樣品上，使處于基態(tài)的非線性樣品產(chǎn)生非線性吸收和非線性折射；所述待測(cè)樣品位于探測(cè)光光路中凸透鏡的焦平面上，出射的探測(cè)光經(jīng)一分光鏡分為兩束，一束直接進(jìn)入第一探測(cè)器，另一束通過(guò)一個(gè)中心和光軸重合的小孔徑光闌后進(jìn)入第二探測(cè)器；在所述探測(cè)光光路中，凸透鏡之前設(shè)置有相位物體，其測(cè)量步驟為 ①放上待測(cè)樣品，用兩個(gè)探測(cè)器分別收集不同時(shí)刻探測(cè)光的能量； ②對(duì)上述獲得的不同延遲時(shí)間的探測(cè)光能量曲線進(jìn)行處理，獲得所需的檢測(cè)材料的光學(xué)非線性參數(shù)。
上文中，所述步驟②中的處理包括，分別作出開(kāi)孔歸一化的透射能量以及閉孔除以開(kāi)孔的歸一化隨延遲時(shí)間的變化曲線，其中開(kāi)孔歸一化透射能量隨延遲時(shí)間的變化曲線只與非線性吸收有關(guān)，閉孔除以開(kāi)孔的歸一化隨延遲時(shí)間的變化曲線與非線性吸收和非線性折射都有關(guān)系，對(duì)開(kāi)孔歸一化透射能量隨延遲時(shí)間的變化曲線進(jìn)行擬合得到有關(guān)非線性吸收的光學(xué)參量的大小和壽命；在非線性吸收參數(shù)已知的情況下，通過(guò)對(duì)閉孔除以開(kāi)孔的歸一化隨延遲時(shí)間的變化曲線進(jìn)行擬合得到非線性折射相關(guān)參量的數(shù)值。
所述泵浦光的時(shí)間延遲通過(guò)兩個(gè)反射鏡和一個(gè)直角棱鏡實(shí)現(xiàn)，由反射鏡改變泵浦光的方向，調(diào)節(jié)直角棱鏡和反射鏡之間的間距，改變泵浦光的行進(jìn)距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)延遲時(shí)間的調(diào)節(jié)。其中，所述直角棱鏡的移動(dòng)范圍為0到22.5cm，對(duì)應(yīng)的時(shí)間延遲范圍為-200ps到1.3ns。
非線性樣品受到泵浦光的激發(fā)后處于基態(tài)的粒子躍向激發(fā)態(tài)，粒子布居數(shù)分布的變化導(dǎo)致對(duì)入射光的非線性吸收和非線性折射響應(yīng)；又由于粒子布居數(shù)隨著時(shí)間是不斷變化的，所以對(duì)于不同時(shí)刻的探測(cè)光產(chǎn)生的影響是不同的，從樣品探測(cè)光束的位相和強(qiáng)度的變化就可以得知這個(gè)時(shí)刻樣品中的粒子布居情況，通過(guò)分析不同時(shí)刻的探測(cè)光的情況就能夠同時(shí)測(cè)量出樣品的非線性吸收和非線性折射時(shí)間特性曲線，從而可以確定各個(gè)能級(jí)的吸收截面和壽命以及折射率體積。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn) 1.本實(shí)用新型的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量非常方便，沒(méi)有樣品的移動(dòng)，理論模型簡(jiǎn)單。
2.采用本實(shí)用新型的裝置，可以同時(shí)完成對(duì)非線性吸收和非線性的折射的測(cè)量，而基于傳統(tǒng)Z掃描方法的泵浦探測(cè)裝置對(duì)非線性吸收和非線性的折射的測(cè)量是分別進(jìn)行的，至少得進(jìn)行三次測(cè)量(焦點(diǎn)，峰位置和谷位置各一次)。
3.由于探測(cè)光和泵浦光以一個(gè)小的夾角相交，本實(shí)用新型對(duì)光路的要求低，用探測(cè)器接收信號(hào)時(shí)十分方便。
4.本實(shí)用新型的測(cè)量裝置，可以廣泛地應(yīng)用于非線性光學(xué)測(cè)量、非線性光子學(xué)材料、非線性光學(xué)信息處理和光子學(xué)器件等研究領(lǐng)域，尤其是非線性光功能材料的測(cè)試和改性等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

附圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例一中的相位物體示意圖； 附圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例一中的泵浦探測(cè)方法的工作原理圖； 附圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例一中開(kāi)孔歸一化透過(guò)率隨延遲時(shí)間的變化圖； 附圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例一中閉孔除以開(kāi)孔歸一化透過(guò)濾隨延遲時(shí)間的變化圖。
其中1、入射激光束；2、分束器；3、探測(cè)光路；4、泵浦光路；5、反射鏡；6、直角棱鏡；7、反射鏡；8、凸透鏡；9、反射鏡；10、相位物體；11、凸透鏡；12、待測(cè)樣品；13、出射分束器；14、小孔徑光闌；15、第二探測(cè)器；16、凸透鏡；17、第一探測(cè)器。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述 實(shí)施例一參見(jiàn)附圖2所示，一種基于Z掃描的泵浦探測(cè)裝置，包括激光光源、分束器2，所述分束器2把入射激光束1分為兩束，分別進(jìn)入泵浦光路4和探測(cè)光路3，所述泵浦光路4包括兩個(gè)反射鏡5、7和一個(gè)直角棱鏡6構(gòu)成的時(shí)間延遲部件和凸透鏡8，直角棱鏡相對(duì)反射鏡具有直線平移運(yùn)動(dòng)的自由度，移動(dòng)范圍為0到22.5cm；所述探測(cè)光路包括凸透鏡11、出射分束器13和兩個(gè)探測(cè)器，所述兩個(gè)探測(cè)器分別為第一探測(cè)器17和第二探測(cè)器15，在出射分束器13和第一探測(cè)器17之間設(shè)置有凸透鏡16，在出射分束器13和第二探測(cè)器15之間設(shè)置有中心和光軸重合的小孔徑光闌14；待測(cè)樣品12位于凸透鏡11的后焦面上，在所述探測(cè)光路的凸透鏡11的前焦面上，設(shè)置有相位物體10；所述探測(cè)光和泵浦光聚焦到待測(cè)樣品上的夾角在3°到8°范圍內(nèi)。
利用分束器2把激光脈沖1分成探測(cè)光路3和泵浦光路4，探測(cè)光路3經(jīng)過(guò)反射鏡9改變方向，透過(guò)相位物體10后由凸透鏡11聚焦到待測(cè)樣品12上，經(jīng)過(guò)分束器13后，分成兩束光，透射的一束經(jīng)小孔14后由第二探測(cè)器15接收，反射的一束經(jīng)凸透鏡16會(huì)聚后由第一探測(cè)器17接收；泵浦光路4經(jīng)過(guò)反射鏡5，直角棱鏡6，反射鏡7構(gòu)成的延遲平臺(tái)，由凸透鏡8聚焦到待測(cè)樣品12上，使待測(cè)樣品12處于基態(tài)的粒子受到激發(fā)躍遷到激發(fā)態(tài)，粒子布居數(shù)分布的變化對(duì)探測(cè)光路3的吸收和折射產(chǎn)生影響，又由于粒子布居數(shù)隨時(shí)間是不斷變化的，前后平移直角棱鏡6可以對(duì)不同時(shí)刻的探測(cè)光路3產(chǎn)生不同的影響，并被第二探測(cè)器15和第一探測(cè)器17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-765energy probe)的兩探測(cè)器連接在能量計(jì)(Rj-7620ENERGY RATIOMETER，Laserprobe)。待測(cè)樣品為磺化肽睛銅(CuPcTs)，其在532nm處線性吸收很弱，為激發(fā)態(tài)光學(xué)非線性。
具體的檢測(cè)步驟為(1)將第一探測(cè)器17放在樣品12的位置，測(cè)量泵浦光的能量。(2)放上樣品12，前后平移直角棱鏡6，連續(xù)記錄不同延遲時(shí)間的探測(cè)光的能量。(3)分別作出開(kāi)孔歸一化的透射能量以及閉孔除以開(kāi)孔的歸一化隨延遲時(shí)間的變化曲線。
對(duì)于CuPcTs非線性測(cè)量的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算具體過(guò)程如下 在考慮慢變振幅近似和薄樣品近似的情況下探測(cè)光在樣品中傳播滿足 Δn為折射率變化，Δα為吸收系數(shù)變化，z′激光在樣品中傳播的光程。在CuPcTs溶液樣品中， Δα＝σ0N0+σ1N1(3) Δn＝Δη1N1(4) 式中，N0，N1分別為基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)的粒子布居數(shù)；σ0，σ1分別為基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)的吸收截面；Δη1為第一激發(fā)態(tài)的折射體積與基態(tài)折射體積的差。
因?yàn)樵诒锰綄?shí)驗(yàn)中探測(cè)光比泵浦光弱了很多倍，所以可以認(rèn)為激發(fā)態(tài)上的粒子布據(jù)數(shù)是由泵光產(chǎn)生的 N00為基態(tài)初始的粒子布居數(shù)。
泵浦光通過(guò)樣品每一層后的光強(qiáng)變化為 圖3是CuPcTs溶液的泵浦探測(cè)的吸收結(jié)果曲線。最初，溶液的吸收隨著時(shí)間的變化而迅速增加，這是主要是由于第一激發(fā)態(tài)吸收的緣故，說(shuō)明第一激發(fā)態(tài)的吸收截面σ1要比基態(tài)的吸收截面σ0大。當(dāng)泵浦脈沖光通過(guò)樣品后，探測(cè)光的透過(guò)率沒(méi)有出現(xiàn)恢復(fù)，并保持不變出現(xiàn)一段低的不變的透過(guò)率。這主要是因?yàn)榈谝患ぐl(fā)態(tài)的能級(jí)壽命很長(zhǎng)，粒子布居數(shù)不變，并且第一激發(fā)態(tài)的吸收截面σ1要比基態(tài)的吸收截面σ0大的緣故。圖4為CuPcTs溶液的泵浦探測(cè)折射曲線，零延時(shí)后出現(xiàn)一段高的不變的透過(guò)率是因?yàn)榈谝患ぐl(fā)態(tài)的折射體積比基態(tài)折射體積大并且第一激發(fā)態(tài)壽命很長(zhǎng)的緣故。通過(guò)擬合圖3中的吸收泵探曲線可以得到第一激發(fā)態(tài)的吸收截面為σ1＝89.5×10-22m2。擬合圖4可以得到第一激發(fā)態(tài)的折射體積為Δη1＝4.3×10-21m2。
權(quán)利要求1.一種基于Z掃描的泵浦探測(cè)裝置，包括激光光源、分束器，所述分束器把入射激光束分為兩束，分別進(jìn)入泵浦光路和探測(cè)光路，所述泵浦光路包括時(shí)間延遲部件和凸透鏡；所述探測(cè)光路包括凸透鏡、出射分束器和兩個(gè)探測(cè)器，待測(cè)樣品位于凸透鏡的后焦面上，其特征在于在所述探測(cè)光路的凸透鏡之前，設(shè)置有相位物體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Z掃描的泵浦探測(cè)裝置，其特征在于所述相位物體位于所述探測(cè)光光路中凸透鏡的前焦面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的其于Z掃描的泵浦探測(cè)裝置，其特征在于所述兩個(gè)探測(cè)器分別為第一探測(cè)器和第二探測(cè)器，在出射分束器和第一探測(cè)器之間設(shè)置有凸透鏡，在出射分束器和第二探測(cè)器之間設(shè)置有中心和光軸重合的小孔徑光闌。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Z掃描的泵浦探測(cè)裝置，其特征在于所述時(shí)間延遲部件由兩個(gè)反射鏡和一個(gè)直角棱鏡構(gòu)成，直角棱鏡相對(duì)反射鏡具有直線平移運(yùn)動(dòng)的自由度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于Z掃描的泵浦探測(cè)裝置，其特征在于所述直角棱鏡的移動(dòng)范圍為0到22.5cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Z掃描的泵浦探測(cè)裝置，其特征在于所述探測(cè)光和泵浦光聚焦到待測(cè)樣品上的夾角在3°到8°范圍內(nèi)。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于Z掃描的泵浦探測(cè)裝置，包括激光光源、分束器，所述分束器把入射激光束分為兩束，分別進(jìn)入泵浦光路和探測(cè)光路，所述泵浦光路包括時(shí)間延遲部件和凸透鏡；所述探測(cè)光路包括凸透鏡、出射分束器和兩個(gè)探測(cè)器，待測(cè)樣品位于凸透鏡的后焦面上，其特征在于在所述探測(cè)光路的凸透鏡之前，設(shè)置有相位物體。本實(shí)用新型的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量非常方便可以廣泛地應(yīng)用于非線性光學(xué)測(cè)量、非線性光子學(xué)材料、非線性光學(xué)信息處理和光子學(xué)器件等研究領(lǐng)域，尤其是非線性光功能材料的測(cè)試和改性等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
文檔編號(hào)G01N21/01GK201222032SQ200820041810
公開(kāi)日2009年4月15日 申請(qǐng)日期2008年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月17日
發(fā)明者楊俊義, 李云波, 宋瑛林, 顧濟(jì)華, 王玉曉 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)