專利名稱：一種高精度測量材料線性折射率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所涉及的是在原有測量材料光學(xué)非線性的4f相位相干成像系統(tǒng)的基礎(chǔ)上將其改進(jìn)為可高精度測量材料線性折射率的測量方法，屬于光子學(xué)材料和光學(xué)信息處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
折射率是介質(zhì)最重要的光學(xué)參數(shù)之一。折射率測量儀器已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)和科學(xué)研究領(lǐng)域。常用的折射率測量儀器工作原理主要基于光的反射(包括全反射)、折射、偏振、干涉等。早期此類研究主要集中于偏振光及偏振光與材料相互作用的物理學(xué)研究以及儀器的光學(xué)研究。近30年來，計(jì)算機(jī)的發(fā)展使橢偏儀在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。硬件的自動(dòng)化和軟件的成熟大大提高了運(yùn)算的速度，逐漸成熟的的軟件處理方法和越來越貼近實(shí)際的數(shù)學(xué)建模提供了折射率測量的新方法。對于宏觀尺寸的晶體、光學(xué)玻璃等介質(zhì)，目前折射率測量精度可達(dá)5 X 10_6。但是對于薄膜材料，其折射率測量主要使用橢偏儀測量，精度可達(dá)到5X10_3，但儀器價(jià)格比較昂貴。較高精度的折射率測量儀的研究具有非常重要的意義。4f 相位相干成像系統(tǒng)(G. Boudebs and S. Cherukulappurath, “Nonlinearoptical measurements using a 4f coherent imaging system with phase object”，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。它是受到澤爾尼克空間濾波實(shí)驗(yàn)中可以將相位變化轉(zhuǎn)化為圖象中強(qiáng)度的變化啟發(fā)而提出的。應(yīng)用4f相位相干成像系統(tǒng)測量材料的非線性主要有兩個(gè)步驟一是能量定標(biāo)，將校準(zhǔn)的能量計(jì)放置在樣品的位置，然后發(fā)射一個(gè)激光脈沖，這時(shí)能量計(jì)的示數(shù)即是實(shí)驗(yàn)中打到樣品上的能量，它與CCD探測到的參考光斑的強(qiáng)度是成正線性關(guān)系的，參考光路監(jiān)視每個(gè)激光脈沖能量的變化，然后通過CCD測得的光強(qiáng)的空間分布可以計(jì)算得到不同位置上的光強(qiáng)大?。欢菧y量，先在樣品前放置衰減片衰減入射光強(qiáng)，使得樣品的非線性效應(yīng)可以忽略不計(jì)，入射一個(gè)激光脈沖，通過測量系統(tǒng)打過待測樣品后CCD拍到的圖像稱為線性光斑，再將先前放置在非線性樣品之前的衰減片放置到樣品之后，這樣測得的圖像稱為非線性光斑。以線性光斑作為輸入，根據(jù)測得的圖象進(jìn)行數(shù)值擬合得到材料的非線性折射率。在4f相位相干成像系統(tǒng)中，相位物體是通過在玻璃板上鍍透明介質(zhì)薄膜而形成的，對波長為λ的光波產(chǎn)生一個(gè)相位延遲。當(dāng)入射光經(jīng)過非線性樣品的相位調(diào)制后，就會(huì)在4f的出射面轉(zhuǎn)變?yōu)楣獍吖鈴?qiáng)分布的變化。本發(fā)明所提出的方法是將待測的樣品如薄膜代替原來4f相位相干成像技術(shù)中的相位物體，而非線性樣品采用已知非線性折射率的標(biāo)準(zhǔn)樣品，從而通過光斑光強(qiáng)的變化擬合得到薄膜的線性折射率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高精度測量材料線性折射率的方法，通過將傳統(tǒng)4f系統(tǒng)的相位物體變成待測的樣品，能非常方便地、高精度地獲得材料的線性折射率。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
—種高精度測量材料線性折射率的方法，包括由待測樣品、分束鏡、第一凸透鏡、非線性標(biāo)準(zhǔn)材料、第二凸透鏡、第一中性衰減片和CCD相機(jī)依次組成的測量系統(tǒng)，和由所述分束鏡、第一反射鏡、第三凸透鏡、第四凸透鏡、第二中性衰減片、第二反射鏡、第三反射鏡和所述CCD相機(jī)依次組成的參考系統(tǒng)；所述第一凸透鏡和第二凸透鏡構(gòu)成4f系統(tǒng)，待測樣品放置在所述4f系統(tǒng)的物面上；所述非線性標(biāo)準(zhǔn)材料放置在測量系統(tǒng)的傅里葉平面上；所述CCD相機(jī)放置在所述4f系統(tǒng)的像平面上接收光斑圖像；具體測量步驟如下①能量校準(zhǔn)將光路中的非線性標(biāo)準(zhǔn)材料取走，將校準(zhǔn)的能量計(jì)放置在第一凸透鏡和第二凸透鏡之間的某一位置，使得激光光斑能夠全部打到能量計(jì)的探頭上；然后發(fā)射一個(gè)激光脈沖，用所述能量計(jì)測量脈沖的能量，同時(shí)利用所述CCD相機(jī)采集參考光路的參考光斑，參考光斑的強(qiáng)弱對應(yīng)于入射脈沖能量的大?。辉偻ㄟ^對參考光斑的計(jì)算得到測量過程中入射到所述非線性標(biāo)準(zhǔn)樣品上的激光脈沖的能量及能量分布；②非線性測量將所述非線性標(biāo)準(zhǔn)材料放置在測量系統(tǒng)的傅里葉平面上，入射一個(gè)脈沖激光經(jīng)過所述待測樣品，在所述CCD相機(jī)上獲得兩個(gè)光斑，即入射光經(jīng)過測量系統(tǒng)的非線性標(biāo)準(zhǔn)樣品后在所述CCD相機(jī)上獲得的非線性光斑和從參考光路中得到的參考光斑；由獲得的非線性光斑和參考光斑進(jìn)行數(shù)值擬合得到所述待測樣品的線性折射率。其中，第一凸透鏡的焦距等于第二凸透鏡的焦距，第三凸透鏡的焦距等于第四凸透鏡的焦距。所述待測樣品到第一凸透鏡的距離等于第一凸透鏡的焦距；第二凸透鏡到CXD相機(jī)的距離等于第二凸透鏡的焦距。進(jìn)一步地，第三凸透鏡的焦距大于第一凸透鏡的焦距。待測樣品到分束鏡、分束鏡到第一反射鏡、第一反射鏡到第三凸透鏡這三段距離之和等于第三凸透鏡的焦距；第四凸透鏡到第二反射鏡、第二反射鏡到第三反射鏡、第三反射鏡到CCD相機(jī)這三段距離之和等于第四凸透鏡的焦距。為了提高光斑能量利用率，所述分束鏡的透過率和反射率各為50%。入射光斑的尺寸要大于待測樣品的大小。待測樣品可放置在一規(guī)則形狀的光闌內(nèi)。本發(fā)明首先把經(jīng)過擴(kuò)束的脈沖激光的光斑中心區(qū)域一小部分光為入射光，然后把待測物體放置在測量光路的物平面上。測量之前先進(jìn)行能量定標(biāo)，將校準(zhǔn)的能量計(jì)放置在樣品的位置，然后發(fā)射一個(gè)激光脈沖，這時(shí)能量計(jì)的示數(shù)即是測量中打到非線性標(biāo)準(zhǔn)樣品上的能量，它與CCD探測到的參考光斑的強(qiáng)度是成正線性關(guān)系的。利用這個(gè)比例系數(shù)，在測量中通過參考光斑的強(qiáng)度直接可以推測出照射到樣品上的脈沖能量的大小及能量的分布。完成定標(biāo)后進(jìn)行測量。取走能量計(jì)把非線性標(biāo)準(zhǔn)樣品放在主光路焦點(diǎn)處，再入射一個(gè)脈沖光，在CXD上將得到兩個(gè)光斑入射光經(jīng)過主光路經(jīng)過非線性標(biāo)準(zhǔn)樣品后在CXD上獲得非線性光斑和經(jīng)過參考光路后得到的參考光斑。由于參考光斑和非線性光斑是同一個(gè)脈沖分離得到的，因此參考光斑的空間分布就能代表非線性脈沖在入射面上的空間分布情況。參考光路所獲得的參考光斑的空間分布與入射脈沖在入射面 上的空間分布情況是相同的，可以用線性光斑來代替非線性光斑在入射面上的空間分布進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)獲得的圖像進(jìn)行數(shù)值擬合，擬合中將利用參考光斑上的光強(qiáng)分布作為入射光光強(qiáng)分布，在數(shù)值擬合中僅有待測樣品的線性折射率ns為變量。通過改變ns的取值使模擬非線性光斑與實(shí)驗(yàn)非線性光斑吻合從而得到ns的值。
本發(fā)明所述的測量方法，可以廣泛的應(yīng)用于材料的線性折射率或厚度的測量、光子學(xué)材料、光學(xué)信息處理和光子學(xué)器件等研究領(lǐng)域，特別是超薄薄膜的線性折射率或厚度的測量等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，利用本發(fā)明方法，測試結(jié)果準(zhǔn)確，精度高，特別是能在光斑空間分布不穩(wěn)定的情況下測量介質(zhì)的線性折射率；另外本方法光路簡單，數(shù)據(jù)處理方便，測試速度快捷。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例中應(yīng)用于高精度測量材料線性折射率的4f相位相干成像系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置圖。其中1、激光光束；2、待測物體；3、分束鏡；4、凸透鏡；5、非線性標(biāo)準(zhǔn)材料；6、凸透鏡；7、中性衰減片；8、C⑶相機(jī)；9、反射鏡；10、凸透鏡；11、凸透鏡；12、中性衰減片；13、反射鏡；14、反射鏡。圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的非線性光斑圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例中的參考光斑圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施例中的數(shù)值擬合曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述圖I是應(yīng)用于高精度測量材料線性折射率的4f相位相干成像系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置圖。實(shí)驗(yàn)裝置可以分為測量系統(tǒng)和參考系統(tǒng)兩個(gè)部分。測量系統(tǒng)由待測物體2、分束鏡3、凸透鏡4、非線性標(biāo)準(zhǔn)材料5、凸透鏡6、中性衰減片7和CCD相機(jī)8組成。其中中性衰減片7和中性衰減片12是用來保證CXD相機(jī)8在其線性響應(yīng)工作范圍以內(nèi)，凸透鏡4和凸透鏡6構(gòu)成4f系統(tǒng)，待測物體2放置在4f系統(tǒng)的物面上，非線性標(biāo)準(zhǔn)材料5放置在測量系統(tǒng)的傅里葉平面上，CXD相機(jī)8設(shè)置在4f系統(tǒng)的像平面上接收光斑圖像。擴(kuò)束的激光脈沖經(jīng)過待測物體2后形成近top-hat光，光束經(jīng)凸透鏡6的傅里葉變換會(huì)聚到放置在傅里葉面上的非線性標(biāo)準(zhǔn)材料5上，由于標(biāo)準(zhǔn)非線性樣品的非線性折射性質(zhì)使得入射的脈沖的相位發(fā)生變化。從非線性標(biāo)準(zhǔn)材料5后表面出射的脈沖經(jīng)過凸透鏡6的傅里葉逆變換由CCD相機(jī)8進(jìn)行接收，稱為非線性光斑。參考系統(tǒng)由分束鏡3、反射鏡9、凸透鏡10、凸透鏡11、中性衰減片12、反射鏡13、反射鏡14和CCD相機(jī)8組成。從待測物體2出來的激光被分束鏡3分為兩束，其中一束經(jīng)反射鏡9、凸透鏡10、凸透鏡11、中性衰減片12、反射鏡13、反射鏡14和C⑶相機(jī)8接收，稱為參考光斑。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-765 energy probe)的兩探測器連接在能量計(jì)(Rj-7620ENERGY RATIOMETER，Laserprobe)。待測樣品2為在石英底片上的二氧化硅(SiO2),非線性標(biāo)準(zhǔn)材料5為CS2，其非線性折射率為一已知值。利用應(yīng)用于高精度測量材料線性折射率的4f相位相干成像系統(tǒng)進(jìn)行線性折射率的測量分兩部分進(jìn)行，即能量校準(zhǔn)和非線性測量。能量校準(zhǔn)是將非線性標(biāo)準(zhǔn)材料5取走，將校準(zhǔn)的能量計(jì)放置在凸透鏡4和凸透鏡6之間的某一位置使得激光光斑能夠全部打到能量計(jì)探頭上。然后發(fā)射一個(gè)激光脈沖，用能量計(jì)測量脈沖的能量，同時(shí)用CCD相機(jī)8采集參考光路的參考光斑。由于此時(shí)光路中所有器件都是線性器件，所以根據(jù)參考光斑的強(qiáng)弱就可以知道入射脈沖能量的大小。這樣在非線性測量過程中的入射到標(biāo)準(zhǔn)樣品上的脈沖的能量就可以通過同一個(gè)激光脈沖產(chǎn)生的參考光斑來計(jì)算得到。非線性測量的具體步驟為將待測樣品2放置在系統(tǒng)的物平面上，非線性標(biāo)準(zhǔn)材料5放置在傅里葉平面上，再入射一個(gè)脈沖激光，在CXD相機(jī)8上可以得到兩個(gè)光斑入射光經(jīng)過測量系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)樣品后在CCD上獲得的非線性光斑(圖2)和從參考光路中得到的參考光斑(圖3)。對于SiO2線性折射率的測量實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算具體過程如下設(shè)入射光為單色平面線偏振光E (x, y) = E0 (t) exp [-j (ω t~kz) ] +cc(I)其中ω是角頻率，k是波矢，E0 (t)是包含時(shí)間的電場振幅。4f系統(tǒng)入射面的圓形光闌的透射函數(shù)為ta (x, y) = circ(^x2 + 少2 / Ra)⑶其中Ra是光闌半徑,圓形函數(shù)circ(p )定義為當(dāng)P (x,y)小于I時(shí)為I,其余地方為O。在光闌的中心有一個(gè)半徑為Lp的圓形待測物體，它對入射光產(chǎn)生一個(gè)相位變化<K。所以帶相位物體光闌的透射函數(shù)可以寫成y) = K (χ, y) exP ^Lcirc 士2+/1 lp J(3)式中，為待測物體的相位延遲，
(Pl=風(fēng)ns-\)dj λ(4)ds為待測樣品的厚度，ns為待測樣品的線性折射率。則系統(tǒng)入射面上的光場分布變?yōu)镺 (X，y) =E (x, y) t (x, y)，通過透鏡后，系統(tǒng)頻譜面上的光場分布為
「00401 S (M，v) = lVFT
dxdy
yiAyiA(5)其中FT代表傅立葉變換，u和V是焦平面上的空間頻率，是透鏡L1的焦距，λ為入射激光的波長。假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)非線性樣品具有⑴線性吸收a ο, (2)非線性折射Y。當(dāng)非線性樣品可以被看作“薄樣品”時(shí)，樣品出射表面的光場分布為SL(u,v) = S(u,v)e^L,2e^L(6)其中L是樣品的厚度。在4f系統(tǒng)出射面上由CXD探測的光強(qiáng)分布可以表示為Iim(x, y) = |U(x, y) I2 = | λ fjFT^tS^u, ν, t)H(u, ν)] |2 (7)其中FT—1代表逆傅立葉變換，H(u，ν)是光學(xué)透鏡系統(tǒng)的相干光學(xué)傳遞函數(shù)，H(u,v) = circ[(u2+v2)1/2AG/N. A. ] 0圓形函數(shù)circ(P)定義同上。N. A.是透鏡L1的數(shù)值孔徑，G是光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率。利用關(guān)系式(1)-(7)式我們能夠計(jì)算出4f系統(tǒng)出射面上的圖像。根據(jù)獲得的非線性光斑(圖2)和參考光斑(圖3)進(jìn)行數(shù)值擬合。圖4為數(shù)值擬合曲線，虛線為測量的非線性光斑(圖2)的中心切線，實(shí)線是以參考光斑(圖3)為輸入數(shù)值模擬得到的中心切線。通過改變待測樣品的線性折射率ns的取值使模擬非線性光斑與實(shí)驗(yàn)非線性光斑吻合從而 數(shù)值擬合得到SiO2的線性折射率ns的值為I. 5474。
權(quán)利要求
1.一種高精度測量材料線性折射率的方法，其特征在于由待測樣品(2)、分束鏡(3)、第一凸透鏡(4)、非線性標(biāo)準(zhǔn)材料(5)、第二凸透鏡￠)、第一中性衰減片(7)和CCD相機(jī)(8)依次組成測量系統(tǒng)；由所述分束鏡(3)、第一反射鏡(9)、第三凸透鏡(10)、第四凸透鏡(11)、第二中性衰減片(12)、第二反射鏡(13)、第三反射鏡(14)和所述CCD相機(jī)(8)依次組成參考系統(tǒng)；所述第一凸透鏡⑷和第二凸透鏡(6)構(gòu)成4f系統(tǒng)，待測樣品⑵放置在所述4f系統(tǒng)的物面上；所述非線性標(biāo)準(zhǔn)材料(5)放置在測量系統(tǒng)的傅里葉平面上；所述CCD相機(jī)(8)放置在所述4f系統(tǒng)的像平面上接收光斑圖像；具體測量步驟如下①能量校準(zhǔn)將光路中的非線性標(biāo)準(zhǔn)材料(5)取走，將校準(zhǔn)的能量計(jì)放置在第一凸透鏡(4)和第二凸透鏡(6)之間的某一位置，使得激光光斑能夠全部打到能量計(jì)的探頭上；然后發(fā)射一個(gè)激光脈沖，用所述能量計(jì)測量脈沖的能量，同時(shí)利用所述CCD相機(jī)(8)采集參考光路的參考光斑，參考光斑的強(qiáng)弱對應(yīng)于入射脈沖能量的大??；再通過對參考光斑的計(jì)算得到測量過程中入射到所述非線性標(biāo)準(zhǔn)材料(5)上的激光脈沖的能量及能量分布；②非線性測量將所述非線性標(biāo)準(zhǔn)材料(5)放置在測量系統(tǒng)的傅里葉平面上，入射一個(gè)脈沖激光經(jīng)過所述待測樣品(2)，在所述C⑶相機(jī)(8)上獲得兩個(gè)光斑，即入射光經(jīng)過測量系統(tǒng)的非線性標(biāo)準(zhǔn)材料(5)后在所述CCD相機(jī)(8)上獲得的非線性光斑和從參考光路中得到的參考光斑；由獲得的非線性光斑和參考光斑進(jìn)行數(shù)值擬合得到所述待測樣品(2)的線性折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高精度測量材料線性折射率的方法，其特征是所述第一凸透鏡(4)的焦距等于第二凸透鏡(6)的焦距，所述第三凸透鏡(10)的焦距等于第四凸透鏡(11)的焦距。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高精度測量材料線性折射率的方法，其特征是所述第三凸透鏡(10)的焦距大于第一凸透鏡(4)的焦距。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高精度測量材料線性折射率的方法，其特征是所述待測樣品(2)到分束鏡(3)、分束鏡(3)到第一反射鏡(9)、第一反射鏡(9)到第三凸透鏡(10)這三段距離之和等于第三凸透鏡(10)的焦距；第四凸透鏡(11)到第二反射鏡(13)、第二反射鏡(13)到第三反射鏡(14)、第三反射鏡(14)到CCD相機(jī)(8)這三段距離之和等于第四凸透鏡(11)的焦距。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高精度測量材料線性折射率的方法，其特征是所述分束鏡(3)的透過率和反射率各為50%。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高精度測量材料線性折射率的方法，其特征是入射光斑的尺寸大于待測樣品(2)的大小。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6之一所述的一種高精度測量材料線性折射率的方法，其特征是待測樣品(2)放置在一規(guī)則形狀的光闌內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高精度測量材料線性折射率的方法，屬于光子學(xué)材料和光學(xué)信息處理領(lǐng)域。此方法為一種能高精度測量超薄材料線性折射率的方法，通過將待測的樣品代替?zhèn)鹘y(tǒng)4f系統(tǒng)的相位物體，而傳統(tǒng)4f系統(tǒng)中的待測非線性樣品利用一已知光學(xué)非線性的標(biāo)準(zhǔn)樣品代替。對獲得的參考光斑和非線性光斑進(jìn)行數(shù)值擬合，在數(shù)值擬合中僅有待測樣品的線性折射率為變量，通過改變待測樣品的線性折射率的取值使模擬非線性光斑與實(shí)驗(yàn)非線性光斑吻合，就能非常方便地、高精度地獲得材料的線性折射率。本發(fā)明的測量方法光路簡單、數(shù)據(jù)處理方便、測試速度快捷，可以廣泛的應(yīng)用于材料的線性折射率或厚度的測量、光子學(xué)材料、光學(xué)信息處理和光子學(xué)器件等研究領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01N21/41GK102621096SQ20121008920
公開日2012年8月1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)明者劉南春, 劉小波, 宋瑛林, 楊俊義, 楊勇 申請人:常熟微納激光光子技術(shù)有限公司