專利名稱：基于相位物體z掃描的泵浦探測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用光學(xué)手段來測試或分析材料的方法，具體涉及一種研究材料的非線性光學(xué)物理機制以及測量其光學(xué)物理參數(shù)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)：
非線性光學(xué)領(lǐng)域的飛速發(fā)展離不開對光學(xué)非線性材料的研究。尋找各種用途的理想光學(xué)非線性材料是非線性光學(xué)領(lǐng)域的一個非常重要的任務(wù)。具有大的光學(xué)非線性系數(shù)和超快光響應(yīng)的材料被認為是用于制造高速光電設(shè)備的新興材料，在光學(xué)工程領(lǐng)域，如全光開關(guān)等元器件中有著巨大的潛在應(yīng)用價值。而對光學(xué)非線性材料的研究則需要借助于各種光學(xué)非線性測量技術(shù)。光學(xué)非線性測量技術(shù)是研究非線性光學(xué)材料的關(guān)鍵技術(shù)之一。在光學(xué)非線性樣品中，一般情況下不止一種非線性機制，通常會存在二種甚至更多的非線 性機制相互作用，而一般的非線性測量技術(shù)不能很簡單地把各種光學(xué)非線性機制區(qū)分開。Z 掃描方法(Mansoor Sheik-Bahae, Ali A. Said, Tai-Hui Wei, David J. Hagan, E. ff. VanStryland.“Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam，，，IEEE J. Quantum Elect, 26, 760-769 (1990))是目前最常用的單光束測量材料光學(xué)非線性的方法，此方法是在光束畸變測量方法的基礎(chǔ)上提出的，其優(yōu)點是光路簡單，處理方法簡單，測量精度高，并且可同時測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)非線性機制以及材料一些具體的、重要的光學(xué)物理參數(shù)。在Z-scan的基礎(chǔ)上，1994年J. Wang等人提出了時間分辨Z_scan技術(shù)(J Wang,M. Sheik-Bahae, A. A. Said, D.J. Hagan, and E. ff. Van Stryland, “Time-resolved Z-scanmeasurements of optical nonlinearities，，，J. Opt. Soc. Am. B, 11,1009-1017,1994)。這種方法通過對樣品出射的不同時刻探測光的位相和強度的變化情況的分析來確定材料光學(xué)非線性的機制以及各個能級重要的光學(xué)物理參數(shù)。但這種方法在測量樣品非線性折射隨時間變化的特征時比較麻煩，而且誤差比較大，具體表現(xiàn)為(1)測量時需先測量樣品的非線性吸收的時間特征，然后再把樣品分別放在兩個位置進行非線性折射時間特征的測量，最后還要除去非線性吸收的影響。(2)不能同時進行非線性吸收和非線性折射時間特征的測量，由于不同時刻激光的空間分布和能量是不同的，從而會引起較大的測量誤差。最近提出的一種相位物體(PO)泵浦探測方法(Junyi Yang, Yinglin Song,Yuxiao Wang,ChangweiLi,Xiao Jin,and Min Shui. Time-resolved pump-probe technology with phase objectfor measurements of optical nonlinearities. Optics Express,17,7110-7116(2009)),這種方法能同時測量非線性吸收和非線性折射動力學(xué)過程，但這種方法的靈敏度受到主光路T-PO技術(shù)的限制。另外對于非簡并非線性折射動力學(xué)測量時，需根據(jù)對應(yīng)的探測波長更換不同的相位物體。本發(fā)明提出一種高靈敏度泵浦探測技術(shù)能克服傳統(tǒng)時間分辨Z-scan及PO泵浦探測技術(shù)的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高靈敏度泵浦探測方法，用于材料光學(xué)非線性特別是非線性折射的檢測，確定材料的光學(xué)非線性機制并可同時準(zhǔn)確的測量材料重要的非線性光學(xué)參數(shù)。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是基于相位物體Z掃描的泵浦探測方法，包括如下步驟把入射激光束分為兩束，其中光強較強的一束為泵浦光，光強較弱的一束為探測光，泵浦光經(jīng)過時間延遲聚焦到非線性待測樣品上，使處于基態(tài)的待測樣品產(chǎn)生非線性吸收和非線性折射；所述待測樣品位于探測光路中透鏡的焦平面上，在探測光路的所述待測樣品后的遠場位置放置一個其中心和光軸重合的圓形光闌以及一個其中心和光軸重合的圓形不透光擋板，經(jīng)樣品出射的探測光通過一個分光鏡分為兩束，其中一束直接進入第一探測器，另一束通過所述圓形光闌和圓形不透光擋板后進入第二探測器；所述方法的具體測量步驟為
①在光路上放入待測樣品，用所述第一和第二探測器分別收集不同時刻探測光的倉;②對上述獲得的不同延遲時間的探測光能量曲線進行處理，獲得所需的檢測材料的光學(xué)非線性參數(shù)。上述技術(shù)方案中，所述步驟②中的處理包括分別作出開孔歸一化的透射能量以及閉孔歸一化隨延遲時間的變化曲線，其中開孔歸一化透射能量隨延遲時間的變化曲線只與非線性吸收有關(guān)，閉孔歸一化隨延遲時間的變化曲線與非線性吸收和非線性折射都有關(guān)系，對開孔歸一化透射能量隨延遲時間的變化曲線進行擬合得到有關(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，通過對閉孔歸一化隨延遲時間的變化曲線進行擬合得到非線性折射相關(guān)參量的數(shù)值。上述技術(shù)方案中，所述泵浦光的時間延遲通過兩個反射鏡和一個直角棱鏡實現(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，改變泵浦光的行進距離，實現(xiàn)對延遲時間的調(diào)節(jié)。其中，所述直角棱鏡的平行移動范圍為0到30cm，時間延遲范圍為-200ps 到 I. 8nso優(yōu)選的技術(shù)方案，所述探測光路中產(chǎn)生平頂光的圓形小孔和所述圓形不透光擋板到透鏡的距離符合透鏡成像公式。所述圓形光闌和圓形不透光擋板的尺寸根據(jù)探測光路遠場處的衍射主光斑的大小可進行調(diào)節(jié)，讓邊緣的衍射光通過，圓形光闌和圓形不透光擋板組合后的透過率小于
0.01。當(dāng)擋板大小一定時,適當(dāng)調(diào)節(jié)光闌的大小,可使系統(tǒng)的靈敏度達到最大值。優(yōu)選的技術(shù)方案，所述探測光和泵浦光聚焦到待測樣品上的夾角在3°到8°范圍內(nèi)。本發(fā)明的技術(shù)方案中，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)隨著時間是不斷變化的，所以對于不同時刻的探測光產(chǎn)生的影響是不同的，從樣品探測光束的位相和強度的變化就可以得知這個時刻樣品中的粒子布居情況，通過分析不同時刻的探測光的情況就能夠同時測量出樣品的非線性吸收和非線性折射時間特性曲線，從而可以確定各個能級的吸收截面和壽命以及折射率體積。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點I.系統(tǒng)測量靈敏度非常高，比Z-scan和PO泵浦探測技術(shù)高兩個數(shù)量級。2.本方法對非線性吸收和非線性的折射的測量是同時完成的，而基于傳統(tǒng)Z掃描方法的泵浦探測方法對非線性吸收和非線性的折射的測量是分別進行的，至少得進行三次測量(焦點，峰位置和谷位置各一次)。3.本方法中泵浦光和探測光不要求同軸，可以以一個小的夾角相交，通過樣品后二者自動分離，因而用探測器接收信號時十分方便；而基于傳統(tǒng)Z掃描方法的泵浦探測方法由于泵浦光和探測光共軸的，當(dāng)光束通過樣品之后必須考慮光束的分離問題，特別是當(dāng)泵浦光和探測光波長接近或相等的時候光路會更加麻煩。4.本發(fā)明所述的測量方法，可以廣泛地應(yīng)用于非線性光學(xué)測量、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試和改 性等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，利用本發(fā)明方法，能夠保證測試參數(shù)全面，測試結(jié)果準(zhǔn)確，極大地減小了測量的誤差；另外本方法對光路要求簡單，測試速度快捷。


圖I是本發(fā)明具體實施例中的圓形光闌示意圖。圖2是本發(fā)明具體實施例中的圓形擋板示意圖。圖3是本發(fā)明具體實施例中的高靈敏度泵浦探測方法的工作原理圖。其中1、入射激光束；2、分束器；3、泵浦光束；4、反射鏡；5、直角棱鏡；6、反射鏡；7、凸透鏡；8、探測光束；9、反射鏡；10、凸透鏡；11、凸透鏡；12、圓形小孔；13、凸透鏡；14、待測樣品；15、分束器；16、凸透鏡；17、第一探測器；18、圓形光闌；19、圓形擋板；20、凸透鏡；21、第二探測器。圖4是本發(fā)明具體實施例中無擋板歸一化透過率隨延遲時間的變化圖。圖5為本發(fā)明具體實施例中擋板歸一化透過率隨延遲時間的變化圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述參見附圖3所示，一種高靈敏度的光功能材料非線性參數(shù)測量方法，以探測光路和泵浦光路為基礎(chǔ)，泵浦光路主要由兩個反射鏡4、6，直角棱鏡5，凸透鏡7組成，直角棱鏡5可以前后平移以改變泵浦光的延遲時間；探測光路主要由反射鏡9，凸透鏡10，凸透鏡11，圓形小孔12,凸透鏡13,分束器15,凸透鏡16,圓形光闌18 (孔半徑為Ra),圓形擋板19 (半徑為Rd)，凸透鏡20，第一探測器17和第二探測器21組成；泵浦光路與探測光路同時聚焦于待測樣品14上。利用分束器2把激光脈沖I分成泵浦光束3和探測光束8。探測光束8經(jīng)過反射鏡9改變方向，透過凸透鏡10和凸透鏡11擴束，擴束后的激光經(jīng)過小孔12后形成平頂光，光束經(jīng)凸透鏡13會聚到放置在焦點的待測樣品14上，經(jīng)過分束器15后，分成兩束光，透射的一束經(jīng)圓形光闌18和圓形擋板19后，經(jīng)凸透鏡20會聚后由第二探測器21接收，反射的一束經(jīng)凸透鏡16會聚后由第一探測器17接收；泵浦光束3經(jīng)過反射鏡4，直角棱鏡5，反射鏡6構(gòu)成的延遲平臺，由凸透鏡7聚焦到待測樣品14上，使待測樣品14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)分布的變化對探測光的吸收和折射產(chǎn)生影響，又由于粒子布居數(shù)隨時間是不斷變化的，前后平移直角棱鏡5可以對不同時刻的探測光產(chǎn)生不同的影響，并被第二探測器21和第一探測器17接收。在本實施例中，激光光束為532nm激光，脈寬21ps。樣品為AlClPc/DMF溶液，其在532nm處線性吸收很弱，具有較強的激發(fā)態(tài)光學(xué)非線性。具體的檢測步驟為(I)在樣品前擋住探測光，將第二探測器21放在樣品14的位置，測量泵浦光的能量。(2)放上樣品14，前后平移直角棱鏡5，連續(xù)記錄不同延遲時間的探測光的能量。(3)分別作出開孔歸一化的透射能量以及閉孔歸一化隨延遲時間的變化曲線。對于AlClPc/DMF非線性測量的實驗和理論計算具體過程如下在考慮慢變振幅近似和薄樣品近似的情況下探測光在樣品中傳播滿足
權(quán)利要求
1.基于相位物體Z掃描的泵浦探測方法，包括如下步驟把入射激光束分為兩束，其中光強較強的一束為泵浦光，光強較弱的一束為探測光，泵浦光經(jīng)過時間延遲聚焦到非線性待測樣品上，使處于基態(tài)的待測樣品產(chǎn)生非線性吸收和非線性折射；所述待測樣品位于探測光路中透鏡(13)的焦平面上，其特征在于在探測光路的所述待測樣品后的遠場位置放置一個其中心和光軸重合的圓形光闌(18)以及一個其中心和光軸重合的圓形不透光擋板(19)，經(jīng)樣品出射的探測光通過一個分光鏡(15)分為兩束，其中一束直接進入第一探測器(17)，另一束通過所述圓形光闌(18)和圓形不透光擋板(19)后進入第二探測器(21);具體測量步驟為①在光路上放入待測樣品，用所述第一和第二探測器分別收集不同時刻探測光的能量; ②對上述獲得的不同延遲時間的探測光能量曲線進行處理，獲得所需的檢測材料的光學(xué)非線性參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于相位物體Z掃描的泵浦探測方法，其特征在于所述步驟②中的對探測光能量曲線處理包括分別作出開孔歸一化的透射能量以及閉孔歸一化隨延遲時間的變化曲線，對開孔歸一化透射能量隨延遲時間的變化曲線進行擬合得到有關(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，通過對閉孔歸一化隨延遲時間的變化曲線進行擬合得到非線性折射相關(guān)參量的數(shù)值。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于相位物體Z掃描的泵浦探測方法，其特征在于所述泵浦光的時間延遲通過兩個反射鏡和一個直角棱鏡實現(xiàn)，其中，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，改變泵浦光的行進距離，實現(xiàn)對延遲時間的調(diào)節(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于相位物體Z掃描的泵浦探測方法，其特征在于所述直角棱鏡的平行移動范圍為O到30cm，時間延遲范圍為_200ps到I. 8ns。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高靈敏度泵浦探測方法，其特征在于所述探測光路中產(chǎn)生平頂光的圓形小孔(12)和所述圓形不透光擋板(19)到透鏡的距離符合透鏡成像公式為優(yōu)選。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于相位物體Z掃描的泵浦探測方法，其特征在于所述圓形光闌(18)和圓形不透光擋板(19)的尺寸根據(jù)探測光路遠場處的衍射主光斑的大小進行調(diào)節(jié)，讓邊緣的衍射光通過；所述圓形光闌(18)和圓形不透光擋板(19)組合后的透過率小于 0. 01。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于相位物體Z掃描的泵浦探測方法，其特征在于所述探測光和泵浦光聚焦到待測樣品上的夾角在3°到8°范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于相位物體Z掃描的泵浦探測方法，包括如下步驟把入射激光束分為兩束，其中光強較強的一束為泵浦光，光強較弱的一束為探測光，泵浦光經(jīng)過時間延遲聚焦到非線性待測樣品上，使處于基態(tài)的待測樣品產(chǎn)生非線性吸收和非線性折射；待測樣品位于探測光路中透鏡的焦平面上，在探測光路的待測樣品后的遠場位置放置一個其中心和光軸重合的圓形光闌以及一個其中心和光軸重合的圓形擋板，出射的探測光通過一分光鏡分為兩束，其中一束直接進入第一探測器，另一束通過光闌和擋板后進入第二探測器。按本發(fā)明方法工作的測量系統(tǒng)靈敏度非常高、數(shù)據(jù)處理簡單，非線性吸收和折射可以同時測量而不需要分開進行，具有測量結(jié)果精確等優(yōu)點。
文檔編號G01N21/17GK102645408SQ201210089129
公開日2012年8月22日 申請日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月30日
發(fā)明者宋瑛林, 楊俊義 申請人:常熟微納激光光子技術(shù)有限公司