一種可區(qū)分折射符號的高靈敏度測量材料光學(xué)非線性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用光學(xué)手段在來測試或分析材料的方法，具體涉及一種研宄材 料的非線性光學(xué)物理機(jī)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)】
[0002] 非線性光學(xué)領(lǐng)域的飛速發(fā)展離不開對光學(xué)非線性材料的研宄。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(rèn)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)非線性材料的研宄則需要借助于各種 光學(xué)非線性測量技術(shù)。光學(xué)非線性測量技術(shù)是研宄非線性光學(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(jī)制，通常會存在二種甚至更多的非線性機(jī) 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(jī)制區(qū)分開。Z掃描 方法（MansoorSheik-Bahae,AliA.Said,Tai-HuiWei,DavidJ.Hagan,E.ff.Van Stryland."Sensitivemeasurementofopticalnonlinearitiesusingasinglebeam IEEEJ.QuantumElect, 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)確的確定材 料的光學(xué)非線性機(jī)制以及材料一些具體的重要的光學(xué)物理參數(shù)。
[0003] 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,andE.ff.VanStryland，"Time-resolved Z-scanmeasurementsofopticalnonlinearities''，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(qiáng)度的變化情況 的分析來確定材料光學(xué)非線性的機(jī)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(jìn)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(jìn)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（P0)泵浦探測方法（JunyiYang,YinglinSong, YuxiaoWang,ChangweiLi,XiaoJin,andMinShui.Time-resolvedpump-probe technologywithphaseobjectformeasurementsofopticalnonlinearities.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-P0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高精度 的泵浦探測技術(shù)能克服傳統(tǒng)時間分辨Z-scan及P0泵浦探測技術(shù)的缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種可區(qū)分折射符號的高靈敏度測量材料光學(xué)非線性的方 法，用于材料光學(xué)非線性的測量，能同時測量非線性吸收和非線性折射，確定材料的光學(xué)非 線性機(jī)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)。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種可區(qū)分折射符號的高靈敏度測 量材料光學(xué)非線性的方法，把激光束分為兩束，一束光強(qiáng)比較強(qiáng)，一束光強(qiáng)比較弱。光強(qiáng)較 強(qiáng)一束為泵浦光，較弱的一束為探測光，泵浦光經(jīng)過時間延遲聚焦到待測樣品上，使處于基 態(tài)的非線性樣品產(chǎn)生非線性吸收和非線性折射；所述待測樣品位于探測光光路中透鏡的焦 平面上，出射的探測光經(jīng)一分光鏡分為兩束，一束進(jìn)入探測器，另一束通過一個中心和光軸 重合的圓形擋板后進(jìn)入另外一個探測器；其測量步驟為： ① 放上待測樣品，用兩個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(jìn)行處理，獲得所需的檢測材料的光 學(xué)非線性參數(shù)。
[0006] 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 及擋板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)，光斑經(jīng)過擋板后的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(jìn)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，通過對擋板歸一化隨延 遲時間的變化曲線進(jìn)行擬合得到非線性折射相關(guān)參量的數(shù)值。
[0007] 其中上述技術(shù)方案中，所述圓形擋板的大小要根據(jù)探測光路遠(yuǎn)場處的主光斑的大 小進(jìn)行調(diào)節(jié)，讓邊緣的衍射光通過，擋板組合后的透過率小于〇. 01。
[0008] 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(jìn)距離， 實現(xiàn)對延遲時間的調(diào)節(jié)。
[0009] 其中，所述直角棱鏡的移動范圍為0到30cm，時間延遲范圍為-200ps到1. 8ns。 [0010] 優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的擋板大小以既能提高系統(tǒng)靈敏度，又能區(qū)分非線性折射 信號的符號為準(zhǔn)。
[0011] 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0在3°到8° 范圍內(nèi)。
[0012] 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(qiáng)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。由于在材料在一定的位置引起遠(yuǎn)場 光斑變化能達(dá)到最大，因此我們將樣品放置在偏離透鏡焦平面的位置，而不是現(xiàn)有的技術(shù) 一樣放置在透鏡的焦平面。
[0013] 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： 1.系統(tǒng)測量靈敏度高，比Z-scan和P0泵浦探測技術(shù)高一個數(shù)量級。
[0014] 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，既能提高系統(tǒng)的靈敏 度，又能區(qū)分材料非線性折射的符號。以往提出的提高靈敏度的方法不能區(qū)分非線性折射 的符號。
[0015] 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。
[0016] 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