專利名稱：一種雙通道二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)的研制，屬于光譜儀器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
非線性光學(xué)(nonlinear optics，簡稱NL0)，是現(xiàn)代光學(xué)的重要分支，是研究在強(qiáng)光作用下物質(zhì)的響應(yīng)與場(chǎng)強(qiáng)呈現(xiàn)的非線性關(guān)系的科學(xué)，這些與非線性有關(guān)的光學(xué)效應(yīng)稱為非線性光學(xué)效應(yīng)。在激光器問世后，非線性光學(xué)效應(yīng)展現(xiàn)出許多新奇的物理現(xiàn)象，在現(xiàn)代高科技領(lǐng)域，如光通訊、光計(jì)算機(jī)、激光雷達(dá)、衛(wèi)星測(cè)距、激光精密加工、激光化學(xué)、激光醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛和深遠(yuǎn)的應(yīng)用。研究及尋找新的高性能的非線性光學(xué)材料已成為目前非線性光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。二階非線性光學(xué)效應(yīng)(又稱倍頻效應(yīng))，是一種重要的非線性光學(xué)效應(yīng)，通過測(cè)試非線性光學(xué)材料的倍頻性能可以判斷其非線性系數(shù)的大小。為了探討非線性光學(xué)材料應(yīng)用的可能性，急需評(píng)估它們的二階非線性光學(xué)倍頻性能的優(yōu)劣，以便進(jìn)一步開展相關(guān)應(yīng)用研究。目前，二階非線性光學(xué)效應(yīng)測(cè)試裝置仍未見有成熟的商業(yè)整機(jī)產(chǎn)品，國內(nèi)外的研究人員普遍的做法是利用1. 06 μ m調(diào)Q激光激發(fā)樣品，直接通過單個(gè)探測(cè)器對(duì)樣品產(chǎn)生的各種光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。在檢測(cè)過程中，先是利用1.06μπι調(diào)Q激光激發(fā)標(biāo)準(zhǔn)樣品，然后用同樣強(qiáng)度的激光激發(fā)待測(cè)樣品，將這兩種樣品產(chǎn)生的光信號(hào)進(jìn)行比較，分析是否產(chǎn)生532nm 的倍頻綠光并對(duì)綠光特性進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而判定待測(cè)樣品是否具有倍頻效應(yīng)以及倍頻能力的強(qiáng)弱。這種使用單個(gè)探測(cè)器的檢測(cè)方法存在以下問題和不足(1)每次對(duì)待測(cè)樣品檢測(cè)的同時(shí)，都需要對(duì)一種或兩種以上的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行檢測(cè)比較，檢測(cè)過程繁瑣而且難以保證每次檢測(cè)的復(fù)現(xiàn)性；( 倍頻光與非倍頻光難以識(shí)別。具有無心結(jié)構(gòu)的材料在強(qiáng)激光的激發(fā)下可能會(huì)產(chǎn)生二階非線性倍頻激光和其它光學(xué)效應(yīng)如熒光、光解、光化學(xué)反應(yīng)等非倍頻光。 單個(gè)探測(cè)器接收的是倍頻光和非倍頻光，因此在檢測(cè)過程很難對(duì)倍頻光和其它光效應(yīng)特別是熒光進(jìn)行嚴(yán)格的區(qū)分和識(shí)別，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不可靠；C3)對(duì)一些二階非線性光學(xué)效應(yīng)較弱的待測(cè)樣品，其產(chǎn)生的很弱的倍頻光信號(hào)與其它非倍頻光乃至背景光混在一起而難以分開檢測(cè)，因而無法標(biāo)定這種待測(cè)樣品的非線性光學(xué)特性。有的研究人員通過引入光譜儀把激光激發(fā)樣品產(chǎn)生的倍頻光以及其它光效應(yīng)產(chǎn)生的非倍頻光分開，然后采用CCD探測(cè)器接收信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外變頻材料二階非線性光學(xué)效應(yīng)的分析。然而這種設(shè)計(jì)方案由于采用光譜儀并結(jié)合CCD探測(cè)器檢測(cè)倍頻信號(hào)，導(dǎo)致體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以移動(dòng)；同時(shí)成本造價(jià)昂貴，一整套系統(tǒng)搭建下來需耗資100萬元左右，難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化和普及化。因此，開發(fā)出一套結(jié)構(gòu)簡單、輕巧實(shí)用、操作方便、高靈敏度且能對(duì)不同性質(zhì)的光信號(hào)進(jìn)行有效檢測(cè)和識(shí)別的二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)非線性光學(xué)材料的研究具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是開發(fā)出一套輕巧實(shí)用、操作方便、高靈敏度且能對(duì)材料的倍頻光和非倍頻光兩種不同性質(zhì)的光信號(hào)進(jìn)行有效檢測(cè)和識(shí)別的新型的雙通道二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案1. 一種雙通道二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，包括激光光源(1)、透光片O)、樣品架 (3)、聚焦透鏡G)、分光鏡(5)、第一濾光片(6)、第一光電倍增管(7)、第二濾光片(8)、第二光電倍增管(9)、信號(hào)接收分析儀(10)、避光盒(13)，其特征在于該系統(tǒng)的透光片0)， 樣品架(3)，聚焦透鏡G)、分光鏡( 依次放置在激光光源(1)的光路上；第一濾光片(6) 和第一光電倍增管(7)置于分光鏡(5)的透射光路上，而第二濾光片(8)和第二光電倍增管(9)置于分光鏡(5)的反射光路上；避光盒(13)為一密閉的暗盒，僅有由透光片(2)透射激光進(jìn)入的一個(gè)窗口。2.如項(xiàng)1所述的雙通道二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)的分光鏡
(5)以45°放置，且鍍有45°入射時(shí)對(duì)倍頻光半透半反的介質(zhì)膜，能將倍頻光分別半透半反給第一光電倍增管(7)和第二光電倍增管(9)。3.如項(xiàng)1所述的雙通道二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)的樣品架 (3)置于聚焦透鏡(4)的前焦點(diǎn)處，而第一光電倍增管(7)和第二光電倍增管(9)的光子接收面分別置于聚焦透鏡的經(jīng)分光鏡(5)反射和透射后的焦點(diǎn)處。4.如項(xiàng)1所述的雙通道二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)的透光片 (2)為透射激光光源(1)所發(fā)射激光的窄帶濾光片，第一濾光片(6)鍍制能反射激光光源 (1)所發(fā)射激光的高反介質(zhì)膜，第二濾光片(8)為透射倍頻光的窄帶濾光片；透光片O)、第一濾光片(6)、第二濾光片(8)也可以選用能實(shí)現(xiàn)上述功能的其它相關(guān)材料。5.如項(xiàng)1所述的雙通道二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)的信號(hào)接收分析儀(10)連接避光盒(1 里的第一光電倍增管(7)和第二光電倍增管(9)，為雙通道示波器或者數(shù)據(jù)采集卡連接計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)接收分析裝置，用于接收并顯示第一光電倍增管 (7)和第二光電倍增管(9)輸出的信號(hào)。該雙通道二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)的避光盒(13)為一密閉的暗盒，僅有由透光片(2)透射激光進(jìn)入的一個(gè)窗口，能有效避免環(huán)境光對(duì)樣品測(cè)試的影響。樣品測(cè)試室(11) 和信號(hào)接收室(1 兩個(gè)暗室隔開，樣品測(cè)試室(11)里待測(cè)樣品激發(fā)的各種光信號(hào)僅能通過聚焦透鏡(4)聚焦進(jìn)入到信號(hào)接收室(12)，有效減少了樣品測(cè)試室(11)里其他背景光對(duì)信號(hào)接收室(1 里的光電倍增管接收信號(hào)的干擾。在材料的二階非線性光學(xué)檢測(cè)過程中，需要對(duì)激光激發(fā)樣品所產(chǎn)生的倍頻光和其它光效應(yīng)產(chǎn)生的非倍頻光進(jìn)行嚴(yán)格的區(qū)分和識(shí)別，才能判斷待測(cè)樣品是否具有倍頻效應(yīng)以及倍頻能力的強(qiáng)弱。通常如果非倍頻光太強(qiáng)，則所測(cè)樣品非線性光學(xué)性能差，很難具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。如果是只有倍頻光或者是倍頻光相對(duì)非倍頻光較強(qiáng)，則所測(cè)樣品非線性光學(xué)性能較好，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。因而根據(jù)激光激發(fā)樣品所產(chǎn)生的光信號(hào)中包含倍頻光和非倍頻光的強(qiáng)弱以及相對(duì)強(qiáng)弱關(guān)系，我們創(chuàng)新性地提出雙通道二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)的新設(shè)計(jì)方案。激光激發(fā)樣品所產(chǎn)生的光信號(hào)經(jīng)45°分光鏡( 半透半反后，由于第一濾光片
(6)鍍制能反射激光光源(1)所發(fā)射激光的高反介質(zhì)膜，對(duì)其他波長則透過，因此透過第一濾光片(6)被第一光電倍增管(7)接收的光信號(hào)就包含了所有的倍頻光和非倍頻光；而由于第二濾光片(8)為透射倍頻光的窄帶濾光片，則透過第二濾光片(8)被第二光電倍增管 (9)接收的光信號(hào)就僅僅只有倍頻光。第一、第二光電倍增管將接收的光信號(hào)進(jìn)行放大倍增后輸出給信號(hào)接收分析儀(10)如雙通道示波器，通過分析兩路信號(hào)的強(qiáng)弱差異可判別待測(cè)樣品是否具有倍頻效應(yīng)以及倍頻能力的強(qiáng)弱。如第一路信號(hào)明顯強(qiáng)于第二路信號(hào)，則說明樣品所激發(fā)的光信號(hào)中非倍頻光很強(qiáng)，樣品材料的非線性光學(xué)性能很差；如果第一路信號(hào)幾乎與第二路信號(hào)強(qiáng)弱一樣，則說明樣品所激發(fā)的光信號(hào)中非倍頻光很弱，樣品材料具有一定的非線性光學(xué)性能，此時(shí)如果第一、第二路信號(hào)越強(qiáng)則說明樣品材料的倍頻能力越強(qiáng)，非線性光學(xué)性能越好。從而通過分析兩路信號(hào)的強(qiáng)弱差異，該雙通道二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了樣品材料的二階非線性光學(xué)效應(yīng)的定性分析。通過一次樣品測(cè)試，該雙通道二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)就準(zhǔn)確判別了樣品是否具有倍頻效應(yīng)以及倍頻能力的強(qiáng)弱。如果用石英、磷酸二氫鉀(KDP)、磷酸二氫銨(ADP)、磷酸二氘鉀(KD*P)、鈮酸鋰(LiNbO3)等已知材料為標(biāo)準(zhǔn)物，通過測(cè)試未知樣品倍頻光的強(qiáng)度，與標(biāo)準(zhǔn)物在相同條件下的倍頻光強(qiáng)度進(jìn)行比較，即可獲得所測(cè)未知樣品的倍頻系數(shù)的大小，實(shí)現(xiàn)定量測(cè)試分析。該雙通道二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)用于材料的二階非線性光學(xué)測(cè)試，可以用于粉末和單晶體形態(tài)的樣品材料測(cè)試。在測(cè)試過程中，樣品放于樣品架C3)上。樣品架(3)是一個(gè)六維精細(xì)調(diào)整架。對(duì)于單晶樣品的測(cè)試，可以通過調(diào)節(jié)樣品架(3)的高低和角度實(shí)現(xiàn)單晶樣品的相位匹配。若單晶樣品產(chǎn)生的倍頻光較強(qiáng)，則可在樣品架(3)上放置衰減片，以防止較強(qiáng)的倍頻光對(duì)光電倍增管的損害。對(duì)于粉末樣品的測(cè)試，如果倍頻光信號(hào)較弱，由于該系統(tǒng)的樣品架C3)置于聚焦透鏡的前焦點(diǎn)處，而第一光電倍增管(7)和第二光電倍增管(9)的光子接收面分別置于聚焦透鏡的經(jīng)分光鏡(5)反射和透射后的焦點(diǎn)處，因此聚焦透鏡(4)能將粉末樣品發(fā)散的倍頻信號(hào)光最大限度地聚焦到第一光電倍增管(7)和第二光電倍增管(9)的光子接收面上，而光電倍增管是一種能將微弱的光信號(hào)經(jīng)過9 12 個(gè)倍增極的放大轉(zhuǎn)換成可測(cè)電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換器件，因此粉末樣品即使是只產(chǎn)生較弱的倍頻光信號(hào)，但由于聚焦透鏡的聚焦和光電倍增管的多級(jí)放大作用，較弱的倍頻光信號(hào)也能經(jīng)光電倍增管放大轉(zhuǎn)換成可測(cè)的電信號(hào)輸出給信號(hào)接收分析儀，從而實(shí)現(xiàn)了有效、準(zhǔn)確判別粉末樣品的倍頻性能。該雙通道二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)的激光光源為脈沖激光。該系統(tǒng)還可調(diào)節(jié)激光光源的能量強(qiáng)弱、結(jié)合樣品架上是否選擇放置衰減片以及調(diào)節(jié)第一、第二光電倍增管的倍增電壓值的大小，從而使待測(cè)樣品所激發(fā)的光信號(hào)分兩路以較好的脈沖波形輸出并顯示在信號(hào)接收分析儀上。此外，使用不同波長的激光光源，對(duì)透光片、分光鏡、第一濾光片、第二濾光片鍍制相應(yīng)功能的介質(zhì)膜，選用對(duì)樣品所激發(fā)倍頻光信號(hào)相應(yīng)靈敏的第一、第二光電倍增管可以實(shí)現(xiàn)樣品不同波長非線性光學(xué)性能的測(cè)試。綜上所述，該雙通道二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、輕巧實(shí)用、操作方便，具有波段使用范圍寬、響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品材料二階非線性光學(xué)效應(yīng)的定性和定量測(cè)試，具有廣泛的應(yīng)用前景和使用價(jià)值。


附圖1，為雙通道二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)示意圖1，激光光源；2，透光片；3，樣品架；4，聚焦透鏡；5，分光鏡；6，第一濾光片；7，第一光電倍增管；8，第二濾光片；9，第二光電倍增管；10，信號(hào)接收分析儀；11，樣品測(cè)試室；12，信號(hào)接收室；13，避光盒。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 該雙通道二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)用作1微米波段的二階非線性光學(xué)測(cè)試時(shí)，則附圖中，激光光源(1)為1微米波段的脈沖激光，如1064nm調(diào)Q脈沖激光；透光片(2)為透射1微米波段的窄帶濾光片，或者選用紅外濾光片替代；樣品架C3)放置于聚焦透鏡的前焦點(diǎn)處，而第一光電倍增管(7)和第二光電倍增管(9)的光子接收面分別置于聚焦透鏡的經(jīng)分光鏡(5)反射和透射后的焦點(diǎn)處；第一濾光片(6)鍍制能反射1微米波段的高反介質(zhì)膜(反射率R > 99. 9% )，對(duì)其他波長則透過，或者選用隔熱玻璃替代； 第二濾光片(8)為倍頻光532nm的窄帶濾光片(反射率R<50%)；分光鏡(5)鍍有500nm 波段45°半透半反的介質(zhì)膜；第一光電倍增管(7)和第二光電倍增管(9)均選用對(duì)500nm 波段光信號(hào)較為靈敏的光電倍增管；避光盒(1 為一密閉的暗盒，由樣品測(cè)試室(11)和信號(hào)接收室(1 兩個(gè)暗室組成；樣品架C3)置于樣品測(cè)試室(11)中，分光鏡(5)、第一濾光片(6)、第一光電倍增管(7)、第二濾光片(8)、第二光電倍增管(9)均置于信號(hào)接收室(12) 中；信號(hào)接收分析儀(10)通過數(shù)據(jù)線連接避光盒(1 里的第一光電倍增管(7)和第二光電倍增管(9)，為雙通道示波器或者數(shù)據(jù)采集卡連接計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)接收分析裝置，用于接收并顯示第一光電倍增管(7)和第二光電倍增管(9)輸出的信號(hào)。實(shí)施例2 該雙通道二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)用作2微米波段的二階非線性光學(xué)測(cè)試時(shí)，則附圖中，激光光源(1)為2微米波段的脈沖激光，如1997nm調(diào)Q脈沖激光；透光片(2)為透射2微米波段的窄帶濾光片；樣品架C3)放置于聚焦透鏡(4)的前焦點(diǎn)處，而第一光電倍增管(7)和第二光電倍增管(9)的光子接收面分別置于聚焦透鏡(4)的經(jīng)分光鏡 (5)反射和透射后的焦點(diǎn)處；第一濾光片(6)鍍制能反射2微米波段的高反介質(zhì)膜(反射率 R >99. 9% )，對(duì)其他波長則透過；第二濾光片(8)為倍頻光IOOOnm的窄帶濾光片(反射率R< 50% )；分光鏡(5)鍍有IOOOnm波段45°半透半反的介質(zhì)膜；第一光電倍增管(7) 和第二光電倍增管(9)均選用對(duì)IOOOnm波段光信號(hào)較為靈敏的光電倍增管；避光盒(13) 為一密閉的暗盒，由樣品測(cè)試室(11)和信號(hào)接收室(12)兩個(gè)暗室組成；樣品架(3)置于樣品測(cè)試室(11)中，分光鏡(5)、第一濾光片(6)、第一光電倍增管(7)、第二濾光片(8)、第二光電倍增管(9)均置于信號(hào)接收室(1 中；信號(hào)接收分析儀(10)通過數(shù)據(jù)線連接避光盒(1 里的第一光電倍增管(7)和第二光電倍增管(9)，為雙通道示波器或者數(shù)據(jù)采集卡連接計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)接收分析裝置，用于接收并顯示第一光電倍增管(7)和第二光電倍增管 (9)輸出的信號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種雙通道二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，包括激光光源(1)、透光片O)、樣品架(3)、 聚焦透鏡(4)、分光鏡( 、第一濾光片(6)、第一光電倍增管(7)、第二濾光片(8)、第二光電倍增管(9)、信號(hào)接收分析儀(10)、避光盒(13)，其特征在于該系統(tǒng)的透光片0)，樣品架 (3)，聚焦透鏡0)、分光鏡( 依次放置在激光光源(1)的光路上；第一濾光片(6)和第一光電倍增管(7)置于分光鏡(5)的透射光路上，而第二濾光片(8)和第二光電倍增管(9) 置于分光鏡(5)的反射光路上；避光盒(13)為一密閉的暗盒，僅有由透光片(2)透射激光進(jìn)入的一個(gè)窗口。
2.如權(quán)利要求1所述的雙通道二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)的分光鏡(5)以45°放置，且鍍有45°入射時(shí)對(duì)倍頻光半透半反的介質(zhì)膜，能將倍頻光分別半透半反給第一光電倍增管(7)和第二光電倍增管(9)。
3.如權(quán)利要求1所述的雙通道二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)的樣品架C3)置于聚焦透鏡的前焦點(diǎn)處，而第一光電倍增管(7)和第二光電倍增管(9)的光子接收面分別置于聚焦透鏡的經(jīng)分光鏡(5)反射和透射后的焦點(diǎn)處。
4.如權(quán)利要求1所述的雙通道二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)的透光片( 為透射激光光源(1)所發(fā)射激光的窄帶濾光片，第一濾光片(6)鍍制能反射激光光源(1)所發(fā)射激光的高反介質(zhì)膜，第二濾光片(8)為透射倍頻光的窄帶濾光片；透光片 O)、第一濾光片(6)、第二濾光片(8)也可以選用能實(shí)現(xiàn)上述功能的其它相關(guān)材料。
5.如權(quán)利要求1所述的雙通道二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)的信號(hào)接收分析儀(10)連接避光盒(1 里的第一光電倍增管(7)和第二光電倍增管(9)，為雙通道示波器或者數(shù)據(jù)采集卡連接計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)接收分析裝置，用于接收并顯示第一光電倍增管⑵和第二光電倍增管(9)輸出的信號(hào)。
全文摘要
一種雙通道二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，用于測(cè)試材料的二階非線性光學(xué)效應(yīng)。包括激光光源、透光片、樣品架、聚焦透鏡、分光鏡、第一濾光片、第一光電倍增管、第二濾光片、第二光電倍增管、信號(hào)接收分析儀、避光盒。根據(jù)激光激發(fā)樣品所產(chǎn)生的光信號(hào)中包含倍頻光和非倍頻光的強(qiáng)弱以及相對(duì)強(qiáng)弱關(guān)系，采用第一、第二光電倍增管對(duì)樣品所激發(fā)的光信號(hào)光分別經(jīng)過第一濾光片和第二濾光片濾光后進(jìn)行兩路探測(cè)，通過對(duì)兩路探測(cè)信號(hào)的比較分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)包括粉末和單晶樣品二階非線性光學(xué)效應(yīng)的定性和定量測(cè)試。該雙通道二階非線性光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、輕巧實(shí)用、操作方便，具有波段使用范圍寬、響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品材料二階非線性光學(xué)效應(yīng)的定性和定量測(cè)試，具有廣泛的應(yīng)用前景和使用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01N21/63GK102192899SQ20101011623
公開日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2010年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月2日
發(fā)明者吳柏昌, 張戈, 朱海永, 魏勇, 黃凌雄, 黃呈輝 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所