專利名稱：一種測(cè)量發(fā)光材料非線性光學(xué)性質(zhì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及發(fā)光材料非線性光學(xué)性質(zhì)的測(cè)量方法。按照國(guó)際專利分類表(IPC)劃分屬于物理部，儀器分部，測(cè)量；測(cè)試類，借助于測(cè)定材料的化學(xué)或物理性質(zhì)來測(cè)試或分析材料組中的便于進(jìn)行光學(xué)測(cè)試的裝置或儀器領(lǐng)域(G01N21/01)。
背景技術(shù)：
材料的非線性光學(xué)性質(zhì)主要包括其非線性光學(xué)吸收效應(yīng)及非線性折射效應(yīng)。有關(guān)材料的非線性光學(xué)吸收效應(yīng)的研究已經(jīng)在光限幅(激光防護(hù))、激光鎖模等領(lǐng)域中獲得了大量的實(shí)際應(yīng)用。材料的非線性折射效應(yīng)也已經(jīng)在光纖通信、光學(xué)加工等方面獲得了應(yīng)用。尤其是以激光染料及量子點(diǎn)材料為代表的發(fā)光材料已被證明在高能效照明、可調(diào)諧光源、高
靈敏度探測(cè)器、生物成像、藥理分析及超薄顯示等眾多領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。對(duì)發(fā)光材料的非線性光學(xué)性質(zhì)的研究是目前材料學(xué)及相關(guān)各領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前能夠在一個(gè)裝置中同時(shí)測(cè)定材料上述非線性光學(xué)吸收效應(yīng)及非線性折射效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)只有Z掃描技術(shù)。在Z掃描技術(shù)中，開口 Z掃描技術(shù)通過測(cè)試不同入射光強(qiáng)下材料透過率變化來測(cè)定其非線性光學(xué)吸收效應(yīng)；閉口 Z掃描技術(shù)通過測(cè)試不同光強(qiáng)下通過探測(cè)器前小孔的光強(qiáng)來測(cè)定其非線性光學(xué)折射效應(yīng)。這樣，可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)裝置中同時(shí)測(cè)定材料非線性光學(xué)吸收效應(yīng)及非線性折射效應(yīng)。由于其光路相對(duì)比較簡(jiǎn)單，Z掃描技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究等眾多領(lǐng)域中獲得了較為廣泛的應(yīng)用。但對(duì)于具有高發(fā)光性能的材料，如激光染料及量子點(diǎn)材料等，由于在測(cè)試激光的照射下待測(cè)材料會(huì)發(fā)射較強(qiáng)的熒光，而通常用于Z掃描技術(shù)的探測(cè)器為光伏型探測(cè)器，只對(duì)接收到的光強(qiáng)產(chǎn)生響應(yīng)，并不具備頻譜分辨能力。這使得通過測(cè)量探測(cè)器接收到的光強(qiáng)變化的途徑來研究材料非線性光學(xué)性能的技術(shù)手段難以實(shí)現(xiàn)。而若將用于Z掃描技術(shù)的探測(cè)器升級(jí)為具有光譜分辨能力的探測(cè)器如光譜儀等，則使得整套Z掃描測(cè)試系統(tǒng)的成本大幅增加，不利于該技術(shù)在科研及生產(chǎn)等方面的廣泛使用。上述技術(shù)原因造成了目前Z掃描技術(shù)不能夠用來對(duì)上述發(fā)光材料進(jìn)行相關(guān)測(cè)試的現(xiàn)實(shí)技術(shù)困難。本發(fā)明主要針對(duì)現(xiàn)有Z掃描技術(shù)無法測(cè)量發(fā)光材料非線性光學(xué)性質(zhì)的不足，提出一種改進(jìn)的可以針對(duì)發(fā)光材料同時(shí)進(jìn)行非線性光學(xué)吸收效應(yīng)及非線性折射效應(yīng)測(cè)試的方法。

發(fā)明內(nèi)容
為消除發(fā)光材料在在測(cè)試激光的照射下發(fā)射的熒光，本發(fā)明通過在測(cè)試裝置中引入光學(xué)濾波的技術(shù)來彌補(bǔ)消除Z掃描技術(shù)探測(cè)器不具備頻譜分辨能力的不足。并在接收裝置中利用鍍膜光學(xué)分束片來實(shí)現(xiàn)在一套裝置中同時(shí)測(cè)定發(fā)光材料的非線性光學(xué)吸收效應(yīng)及非線性折射效應(yīng)的目的。為進(jìn)一步提高測(cè)試信噪比，在探測(cè)器前再次采用光學(xué)濾波來減小由于發(fā)光材料突光散射對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。由于光學(xué)濾波片及鍍膜光學(xué)分束片成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于具有光譜分辨能力的光譜儀等探測(cè)器，光學(xué)濾波片及鍍膜光學(xué)分束片所占空間也明顯小于光譜探測(cè)器，尤其是上述光學(xué)元件操作簡(jiǎn)便，易于更換，可維護(hù)性極強(qiáng)。本發(fā)明通過引入光學(xué)濾波的手段在不明顯增加成本及操作復(fù)雜度的前提下使得Z掃描技術(shù)可以進(jìn)一步應(yīng)用于強(qiáng)發(fā)光材料的非線性光學(xué)性質(zhì)測(cè)試這一傳統(tǒng)測(cè)試禁區(qū)，有利于擴(kuò)寬該測(cè)試技術(shù)在的實(shí)際科研及生產(chǎn)等方面的應(yīng)用。說明書


如下
附圖I為測(cè)量發(fā)光材料非線性光學(xué)性質(zhì)的光路示意圖。其中的DO、Dl及D2為普通的光電探測(cè)器，考慮到成本，一般使用光伏型的高靈敏度探測(cè)器如光電二極管。Dl及D2前放置的Fl及F2為窄帶光學(xué)濾波片；L1及L2為凸透鏡，透鏡尺寸需大于入射至其前表面處的光斑尺寸，一般情況下LI直徑不小于2cm，L2直徑不小于5cm。透鏡焦距可根據(jù)實(shí)際測(cè)試場(chǎng)地的空間情況靈活設(shè)計(jì)。一般情況下LI焦距以10-20cm，L2以2_5cm為宜。S為待測(cè)發(fā)光樣品；Z所示的方向?yàn)榇郎y(cè)樣品在測(cè)試過程中的掃描方向；A為小孔光闌，最好的選擇為可變光闌，光闌通光口徑I-IOmm連續(xù)可調(diào)。附圖2為探測(cè)器輸出信號(hào)隨入射光強(qiáng)的變化實(shí)驗(yàn)曲線，圖中A區(qū)域?qū)?yīng)的入射光
強(qiáng)范圍即為探測(cè)器的線性工作區(qū)，B區(qū)域?qū)?yīng)的入射光強(qiáng)范圍為探測(cè)器的飽和區(qū)。每次測(cè)試前均應(yīng)首先測(cè)定系統(tǒng)的該響應(yīng)曲線，并通過調(diào)節(jié)入射激光光強(qiáng)使得測(cè)試過程中探測(cè)器始終工作在圖中的A區(qū)域。附圖3為利用附圖I所示的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試得到的固體發(fā)光材料PM597激光染料的開口 Z掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于該材料的三階非線性極化率實(shí)部很小，在相同實(shí)驗(yàn)條件下未測(cè)試到其閉口實(shí)驗(yàn)結(jié)果。附圖4為利用附圖I所示的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試得到的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試材料二硫化碳的閉口 Z掃描測(cè)試結(jié)果。該測(cè)試結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的測(cè)試結(jié)果一致，驗(yàn)證了本測(cè)試系統(tǒng)的可靠性。本發(fā)明具體實(shí)施方式
如下
I、首先在確定好入射激光方向的情況下在測(cè)試光路前與入射激光方向成45度放置一普通玻璃片用來分光，被其反射的入射激光經(jīng)適當(dāng)衰減后進(jìn)入探測(cè)器DO中，用以觸發(fā)探測(cè)器系統(tǒng)，如附圖I所示。2、與入射激光方向垂直放置一適當(dāng)焦距(一般為10-20cm)的凸透鏡，注意要保證加入凸透鏡前后，通過透鏡后部的光路中心位置不變。3、在凸透鏡焦點(diǎn)位置附近安置電控平移臺(tái)及樣品臺(tái)，平移臺(tái)移動(dòng)方向應(yīng)保證與入射激光方向一致。4、在距凸透鏡焦點(diǎn)后約8cm距離處與入射激光方向成45度放置一鍍膜分束片B2，對(duì)該分束片鍍膜的目的是，針對(duì)待測(cè)材料發(fā)光波長(zhǎng)高衰減，以初步減小發(fā)光材料的熒光效應(yīng)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。5、沿入射激光方向在分束片B2后約5cm處再放置一窄帶濾波片或帶通濾波片F(xiàn)l，該濾波片應(yīng)在入射激光波長(zhǎng)處具有高透過率，在待測(cè)材料發(fā)光波長(zhǎng)處透過率極低。6、緊靠濾波片F(xiàn)l后,在入射激光光束中心放置一小口可變光闌A,光闌通光直徑1 ~4mm可調(diào)。7、緊靠光闌A后放置探測(cè)器DI用以接收閉口實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。8、在分束片B2后垂直于入射光方向約2cm處放置另一焦距為2_5cm的凸透鏡L2,如附圖I所示。9、在凸透鏡L2焦點(diǎn)附近放置與Fl相同的另一濾波片F(xiàn)2，緊貼F2后放置探測(cè)器D2用以接收開口實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。10、調(diào)節(jié)兩個(gè)探測(cè)器的增益以保證其工作在線性響應(yīng)區(qū)。如附圖2所示為探測(cè)器輸出信號(hào)隨入射光強(qiáng)的變化實(shí)驗(yàn)曲線，圖中A區(qū)域即是探測(cè)器的線性響應(yīng)區(qū)，B區(qū)域由于入射光強(qiáng)過大出現(xiàn)飽和效應(yīng)。這時(shí)可以通過在對(duì)應(yīng)探測(cè)器前加適當(dāng)透過率的中性衰減片來調(diào)節(jié)光強(qiáng)至線性響應(yīng)區(qū)。11、將表面經(jīng)過處理的待測(cè)發(fā)光材料固定于S處，要注意材料厚度以小于O. 5mm為
宜，且端面要與入射激光方向垂直。12、調(diào)節(jié)合適的入射激光光強(qiáng)后，控制平移臺(tái)沿Z軸掃描，并記錄下不同掃描位置處探測(cè)器Dl及D2接收到的光強(qiáng)值。13、根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，利用有關(guān)公式或軟件擬合得到三階非線性極化率實(shí)部和虛部的值。
權(quán)利要求
1.本專利涉及一種可用于測(cè)試發(fā)光材料多種非線性光學(xué)性能的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法。
2.該方法的改進(jìn)之處在于通過在探測(cè)器前引入光學(xué)濾波技術(shù)來消除發(fā)光材料熒光發(fā)射對(duì)測(cè)試的干擾。
3.通過在測(cè)試光路中平移臺(tái)后方安置光學(xué)分束片來實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)試材料非線性光學(xué)吸收特性和非線性光學(xué)折射特性。
4.根據(jù)3的要求，針對(duì)發(fā)光材料，光學(xué)分束片要鍍膜，鍍膜要求是對(duì)待測(cè)材料發(fā)光波長(zhǎng)高衰減，以減小發(fā)光材料的熒光效應(yīng)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。
全文摘要
本發(fā)明涉及發(fā)光材料非線性光學(xué)性質(zhì)的測(cè)量方法。按照國(guó)際專利分類表(IPC)劃分屬于物理部，儀器分部，測(cè)量；測(cè)試類，借助于測(cè)定材料的化學(xué)或物理性質(zhì)來測(cè)試或分析材料組中的便于進(jìn)行光學(xué)測(cè)試的裝置或儀器領(lǐng)域。本發(fā)明主要針對(duì)現(xiàn)有Z掃描技術(shù)無法測(cè)量發(fā)光材料非線性光學(xué)性質(zhì)的不足，通過在測(cè)試裝置中引入光學(xué)濾波技術(shù)來消除發(fā)光材料的熒光發(fā)射對(duì)Z掃描測(cè)試產(chǎn)生的影響。提出一種改進(jìn)的可以針對(duì)發(fā)光材料同時(shí)進(jìn)行非線性光學(xué)吸收效應(yīng)及非線性折射效應(yīng)測(cè)試的方法。
文檔編號(hào)G01N21/17GK102879334SQ201210186079
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月7日
發(fā)明者董志偉, 關(guān)國(guó)英, 陳德應(yīng) 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)