專利名稱：基于相位物體單脈沖反射測(cè)量材料非線性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用光學(xué)手段測(cè)量材料的非線性性質(zhì)的方法，具體涉及 一種基于相位物體的單脈沖反射測(cè)量介質(zhì)界面反射光學(xué)非線性以及應(yīng)用反 射光測(cè)量薄膜光學(xué)非線性性質(zhì)的方法，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領(lǐng)域技術(shù)的飛速發(fā)展，非線性光學(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。
對(duì)于透過(guò)率較高的介質(zhì)，目前常用的測(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、三次諧波非線性干涉法、橢圓偏振法 等。其中，Z掃描方法光路簡(jiǎn)單、靈敏度髙，是目前最常用的單光束測(cè)量材 料光學(xué)非線性的方法，但是這種測(cè)量方法需要樣品在激光傳播方向的移動(dòng)， 需要激光多次激發(fā)，對(duì)薄膜和易損傷的材料不適用，而且對(duì)激光能量的穩(wěn)定 性和樣品表面的平整度要求比較髙。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)量材料非線性折射的新方法，利用4f相位相干成像技術(shù) 測(cè)量非線性折射具有光路簡(jiǎn)單、靈敏度高、單脈沖測(cè)量，無(wú)需樣品移動(dòng)、對(duì) 光源能量穩(wěn)定性要求不高等優(yōu)點(diǎn)。然而，上述幾種測(cè)量方法都是通過(guò)測(cè)量透 射光的變化來(lái)測(cè)量介質(zhì)的光學(xué)非線性，對(duì)于透過(guò)率很低的介質(zhì)以及研究介質(zhì) 表面光學(xué)非線性是不適用的。
針對(duì)上述問(wèn)題，D. V. Petrov等于1994年人提出了可測(cè)量介質(zhì)表面光學(xué) 非線性的反射Z掃描法(D. V. Petrov， A. S. L. Gomes, and Cid B. de Arabjo，
3"Reflection Z-scan technique for measurements of optical properties of surfaces", Appl. Phy. Lett, 65,1067 (1994))，然而，這種方法和傳統(tǒng)的透射Z 掃描法一樣，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 傷介質(zhì)的表面；此外，由于是對(duì)反射光的測(cè)量，反射面在測(cè)量的過(guò)程中要移 動(dòng)，這就增大了測(cè)量的難度并影響了測(cè)量的準(zhǔn)確性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于相位物體單脈沖反射測(cè)量材料非線性的 方法，以準(zhǔn)確測(cè)量介質(zhì)表面的光學(xué)非線性。
為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種基于相位物體單 脈沖反射測(cè)量材料非線性的方法，入射激光通過(guò)第一分束鏡分成兩束， 一束 為監(jiān)測(cè)光，由第一探測(cè)器記錄，另一束光經(jīng)過(guò)相位物體后被透鏡聚焦到待測(cè) 樣品上，被待測(cè)樣品表面反射的脈沖光被第二分束鏡分成兩路， 一路直接由 第二探測(cè)器記錄，另一路通過(guò)一個(gè)中心和光軸重合的小孔光闌后進(jìn)入第三探 測(cè)器；其測(cè)量步驟為
(1) 在遠(yuǎn)離焦點(diǎn)光強(qiáng)弱的位置放上待測(cè)樣品，用第一探測(cè)器、第二探測(cè) 器、第三探測(cè)器收集經(jīng)過(guò)光闌后的脈沖光能量，由此計(jì)算出開(kāi)孔反射能量、 透過(guò)小孔能量分別與監(jiān)測(cè)光能量的比值;
(2) 在焦平面位置放上待測(cè)樣品，用第一探測(cè)器、第二探測(cè)器、第三探 測(cè)器收集經(jīng)過(guò)光闌后的脈沖光能量，并計(jì)算出開(kāi)孔反射能量、透過(guò)小孔能量 分別與監(jiān)測(cè)光能量的比值；
(3) 將步驟(2)中得出的兩個(gè)比值與步驟(1)中得出的兩個(gè)比值相除，得到 待測(cè)樣品歸一化的非線性開(kāi)孔和閉孔反射率；對(duì)這兩個(gè)歸一化的非線性透過(guò) 率進(jìn)行理論擬合得到非線性折射和吸收系數(shù)。
當(dāng)相位物體的相位延遲大約為0.5;r,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)到最高，因此可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。 上述技術(shù)方案中，所述相位物體放在所述透鏡前的任一位置。 優(yōu)選的技術(shù)方案是，所述相位物體放在所述透鏡的前焦面上。以便于計(jì)算。上述技術(shù)方案中，所述小孔光闌的半徑等于所述相位物體的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光 斑的半徑。
本發(fā)明的工作原理是非線性樣品受到脈沖光的作用后，材料的吸收系 數(shù)和折射率發(fā)生變化，導(dǎo)致被樣品反射的光場(chǎng)的振幅和相位發(fā)生變化，激光
的光強(qiáng)越強(qiáng)，反射光的振幅和相位變化越大，由第二探測(cè)器直接收集的反射 光的能量就會(huì)和線性情況不同。同時(shí)，根據(jù)相襯原理，非線性相移的變化在 遠(yuǎn)場(chǎng)就表現(xiàn)為衍射光斑內(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，振幅和相位的變化與材料的非線性折射和吸收的符號(hào)有關(guān)，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)量歸一化的 開(kāi)孔和閉孔非線性反射率，就可以同時(shí)得到樣品的非線性折射和吸收的系數(shù) 和符號(hào)。
由于上述技術(shù)方案的采用，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
1. 本發(fā)明開(kāi)發(fā)了一種新的測(cè)量介質(zhì)表面的光學(xué)非線性的方法，實(shí)現(xiàn)了 對(duì)非線性折射和吸收系數(shù)的測(cè)量，可廣泛應(yīng)用于介質(zhì)界面非線性光學(xué)以及薄 膜非線性光學(xué)測(cè)量的研究領(lǐng)域，不僅能夠保證測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，極大地減小測(cè) 量的誤差，測(cè)試速度快捷，而且能夠極大的降低成本。
2. 本發(fā)明的光路簡(jiǎn)單，沒(méi)有樣品的移動(dòng)，靈敏度髙，且測(cè)量非常方便， 理論模型簡(jiǎn)單。
3. 本發(fā)明采用單脈沖測(cè)量，不易損傷介質(zhì)的表面，可保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。


附圖1是本發(fā)明實(shí)施例一的工作原理附圖2是本發(fā)明實(shí)施例一中相位物體的示意附圖3是本發(fā)明實(shí)施例一中入射光在待測(cè)樣品內(nèi)反射的示意圖。
其中1、入射激光；2、第一分束鏡；3、第一探測(cè)器;4、相位物體；
5、透鏡；6、待測(cè)樣品；7、第二分束鏡；8、第二探測(cè)器；9、小孔光闌；
10、第三探測(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1~3所示， 一種基于相位物體單脈沖反射測(cè)量材料非線性的方 法，入射激光1通過(guò)第一分束鏡2分成兩束， 一束為監(jiān)測(cè)光，由第一探測(cè)器 3記錄，另一束光經(jīng)過(guò)相位物體4后被透鏡5聚焦到待測(cè)樣品6上，被待測(cè) 樣品6表面反射的脈沖光被第二分束鏡7分成兩路， 一路直接由第二探測(cè)器 8記錄，另一路通過(guò)一個(gè)中心和光軸重合的小孔光闌9后進(jìn)入第三探測(cè)器10;
具體的檢測(cè)步驟為
(1) 將待測(cè)樣品6放在靠近透鏡5的位置，利用第二探測(cè)器8和第三 探測(cè)器10分別測(cè)量開(kāi)孔和透過(guò)小孔光闌9的能量，同時(shí)利用第一探測(cè)器3 測(cè)量監(jiān)測(cè)光的能量，將第二探測(cè)器8和第三探測(cè)器10所測(cè)得的能量除以第 一探測(cè)器3的能量，得到兩個(gè)能量比值；
(2) 將待測(cè)樣品6放在透鏡5的焦平面的位置，利用第二探測(cè)器8和 第三探測(cè)器10分別測(cè)量開(kāi)孔和透過(guò)小孔光闌9的能量，同時(shí)利用第一探測(cè) 器3測(cè)量監(jiān)測(cè)光的能量，將第二探測(cè)器8和第三探測(cè)器10所測(cè)得的能量除 以第一探測(cè)器3的能量，得到另外兩個(gè)能量比值；
(3) 將步驟(2)中的兩個(gè)比值分別除以步驟(1)中的兩個(gè)比值，得到樣品 開(kāi)孔和透過(guò)小孔歸一化的非線性反射率；在通過(guò)數(shù)值模擬，得出待測(cè)樣品的 非線性折射和吸收系數(shù)。
在本實(shí)施例中，入射激光為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)的探測(cè)器 連接在能量計(jì)(Rj-7620 ENERGY RATIOMETER， Laserprobe)上；所述待測(cè) 樣品為在單晶硅片基片表面以靜電自組裝技術(shù)制備的30-雙層 CuPc(COONa)4/PDDA薄膜。
對(duì)于CuPc(COONa)4/PDDA薄膜非線性測(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exp
2t'
式中，^為脈沖激光的最大場(chǎng)強(qiáng)值，f為光束的半徑，
半徑，r為脈沖光1/e半寬的時(shí)間。 相位物體的透過(guò)率為
(1)
為入射光束的束腰
1 (M)
(2)
式中，(p,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
￡01(^) = ￡(W>(". (3)
由于相位物體放在透鏡前焦面，則傳播到樣品前表面的光場(chǎng)可直接通過(guò) 傅立葉-貝塞爾變換得到，
2兀
義/ "10
(4)
式中，/為透鏡的焦距，A為零階貝塞爾函數(shù)。
通常來(lái)說(shuō)，反射光束的改變是由于表面效應(yīng)(反射系數(shù)的改變)或者體效 應(yīng)(傳播到薄膜里面的光波多次反射后振幅和相位的改變)引起的，如果反射 光束的改變只是由表面效應(yīng)引起的，菲涅爾反射系數(shù)包括了由非線性引起的 折射率和吸收系數(shù)的改變，有效地反射系數(shù)可以表示為
/"、 浮cos 0 - a/茅-sin2 0
茅
COS0 +
(5)
sin 0
其中^= 。+"2|￡。2( ^)|2+,悟+ ^|￡。2(/1力|2)為復(fù)折射率，"。和ct。為材料的線
性折射率和線性吸收系數(shù)， 2和/ 為材料的非線性折射率和非線性吸收系數(shù)， e為入射角。
如果非線性主要是由體效應(yīng)引起的，比如硅片上鍍一層透明薄膜，因?yàn)?我們關(guān)心的是非線性情況與線性情況的比值，為了簡(jiǎn)化分析，可以忽略薄膜 表面反射并假設(shè)入射光在樣品內(nèi)部只經(jīng)歷一次反射，而且基底后表面的反射可以忽略，參考附圖3，這樣，有效的反射系數(shù)可以表示為
尺e(。") = rexexp(—(20￡/7。/^"0 —sin
(盧2/^—1/2)
(./A-〃2/p—1/2)
(6)
其中
￡,(《，0 = ￡02", 0 x re x exp[—a(
(./*"2//)—1/2)
"02 -sin2曙l+
4ff =[1-exp(-WV"02-sin2S)]/a0 ， ￡,(r1;0為在基底表面反射的光場(chǎng)，丄為樣品的
厚度，A為基底的線性折射率。則反射光的光場(chǎng)可以表示為
￡,.(^ ) = ￡。2(^)^0^) (7) 對(duì)于線性情況，只考慮線性衰減，則反射光的光場(chǎng)可以表示為
A。 Oi,0 = ￡。2 (/i,,) exp(-a。丄"。/ V"。2 _sin20) ( 8 )
線性情況下被樣品反射的光傳播到小孔光闌處的光場(chǎng)可通過(guò)菲涅爾衍 射公式得到
<formula>formula see original document page 8</formula>
(9)
同樣，非線性情況下小孔光闌處的光場(chǎng)為
<formula>formula see original document page 8</formula>
(10)
式中，d為遠(yuǎn)場(chǎng)小孔光闌到透鏡焦點(diǎn)的距離。
對(duì)小孔處的光強(qiáng)在空間和時(shí)間上進(jìn)行積分，可得到透過(guò)小孔的能量。將 考慮樣品非線性的和不考慮非線性情況下得到的透過(guò)小孔的能量相比，就得 到歸一化的閉孔反射率
<formula>formula see original document page 8</formula>(ii)
Ra為小孔光闌的半徑大小。
開(kāi)孔情況下，直接對(duì)樣品表面反射光在空間和時(shí)間上進(jìn)行積分，得到開(kāi) 孔能量，將考慮樣品非線性的和不考慮非線性情況下得到的開(kāi)孔能量相比， 就得到歸一化的開(kāi)孔反射率<formula>formula see original document page 9</formula>L丄2訂H—一
R,為樣品上光斑的半徑大小。
對(duì)歸一化的開(kāi)孔和閉孔反射率同時(shí)進(jìn)行擬合，就可以得到樣品的非線性 折射和吸收系數(shù)。
在本實(shí)施例一中，入射激光能量為0.8A/J，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0.8 m，小孔的半徑為1 mm。實(shí)驗(yàn)測(cè)得開(kāi)孔和閉孔歸一化的非 線性反射率分別為0.5981和1.2553。改變樣品非線性折射系數(shù) ，使得理論
計(jì)算的非線性透過(guò)率和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的相吻合，可得的非線性吸收系數(shù)為
戶=1.4xl0-7 m/W，非線性折射系數(shù)為 =4.2x10-15 m2/W ，和文獻(xiàn)報(bào)道上的值一
致。參見(jiàn)文獻(xiàn)Y. Li， Y. Song, T. Wei， C. He, X. Zhang, Y. Wang, K. Yang, M. Shen and J. Yang, "Measurements of the third-order nonlinearity of inhomogeneous samples using the nonlinear-imaging technique with phase object," Appl. Phys. B 91(2008) 119-122.
9
權(quán)利要求
1.一種基于相位物體單脈沖反射測(cè)量材料非線性的方法，其特征在于入射激光通過(guò)第一分束鏡分成兩束，一束為監(jiān)測(cè)光，由第一探測(cè)器記錄，另一束光經(jīng)過(guò)相位物體后被透鏡聚焦到待測(cè)樣品上，被待測(cè)樣品表面反射的脈沖光被第二分束鏡分成兩路，一路直接由第二探測(cè)器記錄，另一路通過(guò)一個(gè)中心和光軸重合的小孔光闌后進(jìn)入第三探測(cè)器；其測(cè)量步驟為(1)在遠(yuǎn)離焦點(diǎn)光強(qiáng)弱的位置放上待測(cè)樣品，用第一探測(cè)器、第二探測(cè)器、第三探測(cè)器收集經(jīng)過(guò)光闌后的脈沖光能量，由此計(jì)算出開(kāi)孔反射能量、透過(guò)小孔能量分別與監(jiān)測(cè)光能量的比值；(2)在焦平面位置放上待測(cè)樣品，用第一探測(cè)器、第二探測(cè)器、第三探測(cè)器收集經(jīng)過(guò)光闌后的脈沖光能量，并計(jì)算出開(kāi)孔反射能量、透過(guò)小孔能量分別與監(jiān)測(cè)光能量的比值；(3)將步驟(2)中得出的兩個(gè)比值與步驟(1)中得出的兩個(gè)比值相除，得到待測(cè)樣品歸一化的非線性開(kāi)孔和閉孔反射率；對(duì)這兩個(gè)歸一化的非線性透過(guò)率進(jìn)行理論擬合得到非線性折射和吸收系數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相位物體單脈沖反射測(cè)量材料非線性的 方法，其特征在于所述相位物體放在所述透鏡前的任一位置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相位物體單脈沖反射測(cè)量材料非線性的 方法，其特征在于所述相位物體放在所述透鏡的前焦面上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相位物體單脈沖反射測(cè)量材料非線性的 方法，其特征在于所述小孔光闌的半徑等于所述相位物體的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光斑 的半徑。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于相位物體單脈沖反射測(cè)量材料非線性的方法，入射激光通過(guò)第一分束鏡分成兩束，一束為監(jiān)測(cè)光，由第一探測(cè)器記錄，另一束光經(jīng)過(guò)相位物體后被透鏡聚焦到待測(cè)樣品上，被待測(cè)樣品表面反射的脈沖光被第二分束鏡分成兩路，一路直接由第二探測(cè)器記錄，另一路通過(guò)一個(gè)中心和光軸重合的小孔光闌后進(jìn)入第三探測(cè)器。本發(fā)明開(kāi)發(fā)了一種新的測(cè)量介質(zhì)表面的光學(xué)非線性的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非線性折射和吸收系數(shù)的測(cè)量，可廣泛應(yīng)用于介質(zhì)界面非線性光學(xué)以及薄膜非線性光學(xué)測(cè)量的研究領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01N21/41GK101609001SQ200910182228
公開(kāi)日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2009年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月1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)