一種多通道測量材料光學非線性的方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種能同時測量多個材料光學非線性的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著光通信和光信息處理等領域技術(shù)的飛速發(fā)展，非線性光子學材料研究日益重 要。光邏輯、光存儲、光Ξ極管、光開關等功能的實現(xiàn)主要依賴于非線性光子學材料的研究 進展。介質(zhì)光學非線性參數(shù)的測量技術(shù)是研究非線性光學材料的關鍵技術(shù)。而對光學非 線性材料的研究則需要借助于各種光學非線性測量技術(shù)。常用的測量方法有Z掃描、4f系 統(tǒng)相干成像技術(shù)、馬赫-曾德干設法、簡并四波混頻、Ξ次諧波法、楠圓偏振法、相位物體 Z-scan等。其中Z掃描方法（MansoorSheik-Bahae,AliA.Said,Tai-HuiWei,David J.Hagan,E.W.VanStryland."Sensitivemeasurementofopticalnonlinearities usingasinglebeam",IE邸J.如antumElect, 26, 760-769 (1990))具有實驗裝 置簡單、靈敏度高、可W同時測量非線性吸收和非線性折射的大小和符號等優(yōu)點，已成為應 用最廣泛的一種光學非線性測量方法。但是運種測量方法需要樣品在激光傳播方向的移 動，需要激光多次激發(fā)，對薄膜和易損傷的材料不適用。4f相位相干成像系統(tǒng)（G.Boudebs andS.Cherukulappurath,"Nonlinearopticalmeasurementsusinga4fcoherent imagingsystemwithphaseobject",Phys.Rev.A, 69, 053813(2004))是近年來提 出的一種測量材料非線性折射的新方法。利用4f相位相干成像技術(shù)測量非線性折射具有 光路簡單、靈敏度高、單脈沖測量，無需樣品移動、對光源能量穩(wěn)定性要求不高等優(yōu)點。但運 種方法需要對采集的圖像進行比較復雜的處理，而且對CCD的要求比較高，增加了測量方 法的成本。相位物體Z-scan(JunyiYangandYinglinSong,"Directobservationof thetransientthermallensingeffectusingthePOZ-scan"，34, 157-159 (2009)) 就是在原有傳統(tǒng)Z-scan的基礎上，在透鏡的前焦面的位置加一個相位物體。與傳統(tǒng) Z-scan相比，所測量材料非線性折射的結(jié)果由傳統(tǒng)Z-scan的峰谷特征曲線變成了單峰或 單谷特征曲線。和傳統(tǒng)Z-scan-樣，運種測量方法也需要樣品在激光傳播方向的移動， 需要激光多次激發(fā)，容易損傷材料。在P0-Z掃描技術(shù)的基礎上，發(fā)展出了一種更簡便的 研究材料光學非線性的含相位物體透過率測量技術(shù)（T-P0)(化nyiYang,XueruZhang, YuxiaoWang,MinShui,ChangweiLi,XiaoJin,andYinglinSong,"Methodwitha phaseobjectformeasurementofopticalnonlinearities"，OpticsLetters, 34, 2513-2515(2009))。通過在遠場放置一個小孔，根據(jù)所得的歸一化非線性透過率經(jīng)過數(shù)值 模擬，可W得出樣品的Ξ階非線性折射率。運種方法具有單光束測量、光路簡單、可同時測 量非線性折射的大小和符號、無需樣品的移動等優(yōu)點。但上述的運些測量裝置每次都只能 測量一個材料的光學非線性，而且測量后都需要經(jīng)過繁瑣的數(shù)值模擬計算才能得到樣品的 光學非線性系數(shù)。
[0003] 多通道光學非線性測量技術(shù)巧妙地利用相位物體來實現(xiàn)了多個樣品同時進行光 學非線性的測量。而我們新提出的多通道光學非線性測量技術(shù)是在原P0Z-掃描光路中并 聯(lián)幾個相同光路，就能很好地實現(xiàn)對多個樣品進行光學非線性的同時測量，且不需要復雜 的擬合計算。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供的一種多通道光學非線性測量技術(shù)，該技術(shù)能同時測量多個樣品的光 學非線性，也能有效的測量和區(qū)分介質(zhì)的Ξ階非線性折射系數(shù)的大小與符號，不需要復雜 繁瑣的擬合計算。 陽〇化]為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：在原有的ΡΟΖ-掃描主光路中在并聯(lián) 四個相同的Ρ0Ζ-掃描光路。在Ξ個主光路中放置待測樣品，參考光路放置參考樣品。通 過待測樣品與參考樣品的非線性透射率變化相比可測得Ξ階非線性折射系數(shù)，從而避免擬 合計算。
[0006] 利用多通道光學非線性測量技術(shù)進行非線性折射率的測量分兩部分進行，即能量 校準和非線性測量。非線性測量的具體步驟為： (1) 在不放樣品的情況下，測量四條光路的實際能量，并與第一探測器D1能量相比，獲 得比值。即進行能量校準； (2) 分別在參考樣品光路和待測樣品光路的透鏡的焦平面位置放上參考樣品和待測樣 品，參考樣品和Ξ個待測樣品，然后在第一分束器前放入一衰減片，用四個探測器測量脈沖 光能量，并分別計算出第二探測器D2所測能量和第Ξ、四及五探測器D3、D4及D5所測能量 與第一探測器D1所測能量的比值； (3) 將衰減片撤去，用四個探測器測量脈沖光能量，并分別計算出第二探測器D2所測 能量和第Ξ、四及五探測器D3、D4及D5所測能量與第一探測器D1所測能量的比值； (4) 對步驟ω和似中獲得的比值進行簡單的數(shù)學處理，獲得所需的檢測材料的光學非 線性折射系數(shù)。
[0007] 上述技術(shù)方案中，所述步驟樹中的處理包括，分別將將步驟似中得到的參考樣品 和待測樣品的比值與步驟ω中得到的比值對應的相除，從而得到標準樣品和待測樣品歸一 化的非線性透過率，對待測樣品和標準樣品的歸一化的非線性透過率進行簡單的數(shù)學處理 就能得到待測樣品的非線性折射系數(shù)。
[0008]上述技術(shù)方案中，所述相位物體的相位延遲為0.25 31~0.75 31，大小為入射到相 位物體上的光斑束腰半徑的0. 05~0. 5倍。
[0009]優(yōu)選的技術(shù)方案，當所述相位物體的相位延遲為0. 47 31，大小為入射光斑束腰半 徑的0. 1倍時，系統(tǒng)對非線性折射的測量精度達到最高。其大小和相位延遲可W根據(jù)實際 情況調(diào)節(jié)。
[0010] 上述技術(shù)方案中第二探測器和第Ξ、四及第五探測器前的小孔光闊的半徑的大小 等于相位物體的遠場衍射光斑的半徑大小。
[0011] 本發(fā)明的技術(shù)方案的每個光路中，非線性樣品受到脈沖光的作用后，材料的折射 性質(zhì)發(fā)生變化，產(chǎn)生光學非線性，樣品產(chǎn)生的非線性相移隨激光的光強的變化而變化。運 樣，在焦平面處樣品就相當于一個變化的相位物體。根據(jù)相襯原理，在遠場，非線性相移的 變化就表現(xiàn)為相位物體衍射光斑內(nèi)光場振幅的變化，從而就會引起小孔的透過率的變化。 另外，振幅的變化與材料非線性的折射符號有關。如果，非線性折射為自聚焦，小孔歸一化 的透過率就大于1，反之，就小于1。所W，在焦平面位置，無需移動樣品，通過測量小孔歸一 化的非線性透過率，就可W得到四條光路中每個樣品的非線性折射系數(shù)W及材料的非線性 折射符號。另外理論計算表明，當非線性相移符合時，小孔歸一化非線性透過率與非線性相 移變化可W近似的認為是線性關系，運樣通過將Ξ個待測樣品歸一化的非線性透過率與參 考樣品的歸一化非線性透過率進行比較，無需數(shù)值模擬，就能直接得到Ξ個待測樣品的非 線性折射率。
[0012] 本發(fā)明方法用一種全新的思路實現(xiàn)了對多個樣品光學非線性進行同時測量，同其 他非線性光學測量技術(shù)相比，具有W下優(yōu)點： 1. 本發(fā)明克服了W往測量技術(shù)每次只能測量一個樣品的缺點，可同時測量多個樣品， 節(jié)省了測量時間； 2. 本發(fā)明測量過程中樣品無需移動，解決了待測樣品易損傷的問題； 3. 本發(fā)明的測量方法非常方便，無需繁瑣的數(shù)值模擬計算； 4. 可W同時測量樣品非線性折射的大小和非線性折射的符號； 5. 本發(fā)明所述的測量方法，可W廣泛地應用于材料的非線性光學測量、非線性光子學 材料、非線性光學信息處理和光子學器件等研究領域，尤其是非線性光功能材料的測試和 改性等關鍵環(huán)節(jié)。利用本發(fā)明方法，可W極大地減少測量時間，一次可測量3個樣品，并能 夠保證測試參數(shù)全面，測試結(jié)果準確。
【附圖說明】
[0013] 附圖1是本發(fā)明實施例一中的相位物體示意圖。
[0014] 附圖2是本發(fā)明實施例一中的多通道光學非線性測量技術(shù)的工作原理圖。
[0015] 附圖3是本發(fā)明實施例一中的歸一化非線性透過率T隨非線性相移的變化關系曲 線 其中：1、激光器；2、第一分束器；3、第一透鏡；4、第一探測器；5、1/2玻片；6、偏振片； 7、相位物體；8、第二分束器；9、第二透鏡10、參考樣品；11、第一小孔；12、第二探測器；13、 第Ξ分束器；14、第Ξ透鏡；15、待測樣品1 ;16、第二小孔；17、