二维共焦显微非线性强度扫描系统和测量方法技术方案

本发明专利技术是将非线性强度扫描和共焦显微成像集成在一起的，用于测量样品的非线性光学性质，并能测绘样品微区非线性光学系数的二维空间分布的光学测量系统。本发明专利技术可以用于样品的二维微区的非线性光学性质的测绘，尤其适用于不均匀样品微区或者微观样品的非线性性质的测量。本系统可以同时测量样品的非线性吸收和非线性折射性质，采用自动化测量，具有快速、高效和灵敏的特点。

【技术实现步骤摘要】
二维共焦显微非线性强度扫描系统和测量方法
本专利技术属于非线性光学测量领域，特别是一种用于测量样品微区原位非线性吸收性质的二维共焦显微非线性强度扫描系统及测试方法。
技术介绍
测试材料的非线性折射率和非线性吸收性质的技术手段包括Z扫描技术(参见专利申请号：CN201210487216，公开号：CN102937573A)、四波混频技术和强度扫描技术等。四波混频技术和Z扫描技术较为成熟，其中四波混频技术系统复杂，不能同时测量非线性折射率和非线性吸收系数。Z扫描技术系统较为简单、灵敏度高，可以同时测量非线性折射率和吸收系数。然而，Z扫描技术也存在以下缺点(参考Taheri,B.etc.AppliedPhysicsLetters1996,68(10),1317-1319)：1)对样品要求较高，必须是薄样品(厚度小于系统的瑞利长度)，而且样品表面光滑。2)对于非均匀的样品，其测试误差较大。其原因主要是非均匀样品各点处的非线性光学性质可能不同，而扫描过程中，光斑所覆盖的样品表面会发生变化，从而造成测量不准确。3)对于微观样品(样品尺寸与激光的束腰半径相当)，Z扫描测量无法实施。其原因是样品在光轴方向上移动时，会造成部分光斑未照射在样品上，从而使得这部分的非线性效应丢失，造成测量不准确。因此，要实现对样品微区(或者微观样品)的非线性光学性质的测量，就必须采用新的技术手段。
技术实现思路
本专利技术旨在解决上述技术手段所存在的问题，提供一套测量透明或半透明材料、样品微区(或微观样品)的非线性光学性质，并可实现微区二维扫描式测量的系统装置和测量方法。该方法在非线性光学性质测量过程中实际是入射光强在改变，对样品表面要求较低，所以可以测量不均匀样品。该装置采用显微物镜进行激发光聚焦、信号光收集和实时成像，从而可以实现对微米级样品的非线性性质的测量。该装置方法由二维精密平移台控制样品位置，可以将样品单点的非线性光学性质的测量扩展到二维区域，从而获得不均匀样品的非线性系数的空间分布。该装置系统实现了自动化控制、集成度高，具有简捷、灵敏、精确的特点。本专利技术的技术解决方案一种二维共焦显微非线性强度扫描系统，其特征在于系统结构包含作为光源的脉冲激光器，沿该脉冲激光器的输出光束方向依次为所述的第一镀膜全反镜、第一小孔光阑、第二小孔光阑、第二镀膜全反镜、电控旋转台、偏振片、第一分光平片、聚焦物镜、待测样品、收集物镜、第二分光平片、第三小孔光阑、第三分光平片和成像相机；所述的脉冲激光器与激光器控制器连接；沿所述的第一分光平片的反射光方向依次为第一中性密度滤光片、第一透镜和第一探测器；所述的第一分光平片的反射光方向的另一侧为照明光源氙灯；沿所述的第二分光平片的反射方向依次为第二中性密度滤光片、第二透镜和第二探测器；沿所述的第三分光平片反射光方向依次为第三中性密度滤光片、第三透镜和第三探测器；所述的第一探测器、第二探测器和第三探测器的输出端经由数据采集卡连接到计算机的输入端；所述的电控旋转台的旋转轴与光轴重合，并且中心为通孔，通孔中安装有格兰泰勒棱镜；所述的电控旋转台连接在控制器的控制端，控制器连接在计算机上；所述的成像相机连接在所述的计算机的输入端；所述的待测样品安置在二维精密平移台上；所述的二维精密平移台通过控制器连接在所述的计算机上；以及能量计，连接到所述的计算机的输入端；所述的第一镀膜全反镜、第二镀膜全反镜、第一分光平片、第二分光平片、第三分光平片与光轴夹角为45°；2、所述的第一分光平片对所述的照明光源氙灯的分光比为50％。3、利用权利要求1所述的二维共焦显微非线性强度扫描系统对待测样品的非线性透过率、非线性折射率和非线性系数二维空间测绘的测量方法，其特征在于该方法包括以下两个部分：第一部分：测量所述待测样品某一点的非线性透过率、非线性折射率数据，进行数据拟合获得待测样品在测量点处的非线性吸收系数β和非线性折射系数n2，其步骤包括：①根据测量需要，通过所述的激光器控制器设置所述的脉冲激光器的重复频率；通过计算机设置所述的电控旋转台的转动参数，包括初始角度θ0、终止角度θ和转动步长Δθ，其中0<θ0<θ<90°，Δθ＝1°；②通过所述的计算机启动所述的电控旋转台，电控旋转台转动到初始角度θ0；将所述的能量计放置在聚焦物镜之后，此时所述的能量计测得的对应于电控旋转台的当前角度θ0的脉冲能量为Eθ0，该脉冲能量Eθ0与sin2(θ0)成正比关系，对应的入射光强为Iθ0＝Eθ0/(t0πω02)，其中t0为脉冲宽度，ω0为束腰半径，将此入射光强记录到所述的计算机中；然后所述的电控旋转台按照步骤①设置的转动步长转动到下一个角度即θ1＝θ0+Δθ，利用能量计测量与该角度对应的脉冲能量Eθ1，并记录此时的入射光强Iθ1；以此类推，测量从初始角度θ0到终止角度θ范围内所有角度θi＝θ0+i*Δθ，i＝0,1,2,…,[(θ-θ0)/Δθ]对应的脉冲能量Eθi和入射光强Iθi；入射光强Iθi为非线性透过率曲线的横坐标(参见附图2和3)；测量记录完毕后，移开能量计，所述的计算机控制电控旋转台转回到起始位置θ0；③将所述的待测样品放置在所述的二维精密平移台上，调整待测样品位于所述的聚焦物镜的焦平面上；调整所述的收集物镜使收集物镜的焦点和所述的聚焦物镜的焦点重合；④所述的计算机同时启动所述的脉冲激光器、电控旋转台、第一探测器、第二探测器和第三探测器开始测量；所述的电控旋转台按照步骤①所设置的参数每转动一个角度，所述的第一探测器、第二探测器和第三探测器就会分别采集一个光强信号，并将探测到的光强信号输入到所述的计算机中，第一探测器采集的为参考光的信号，第二探测器采集到的为透射开孔数据，第三探测器采集到的为透射闭孔数据；以步骤②中记录的入射光强Iθi(i＝0,1,2,…,[(θ-θ0)/Δθ])为横坐标，以所述的透射开孔数据和参考光的信号的比值为纵坐标，就得到所述的待测样品的开孔非线性透过率曲线Topen(Iθi)；以步骤②中所记录的入射光强Iθi为横坐标，以所述的透射闭孔数据和参考光的信号的比值为纵坐标，就得到所述的待测样品的闭孔非线性透过率曲线Tclose(Iθi)；⑤利用下列公式对所述的开孔非线性透过率曲线Topen(Iθi)和闭孔非线性透过率曲线Tclose(Iθi)进行数据拟合，分别得到待测样品测量点处的非线性吸收系数β和非线性折射系数n2：和式中，i＝0,1,2,…,[(θ-θ0)/Δθ],Leff＝[1-exp(-αL)]/α，d0＝πω2/λ，R为待测样品的反射率、α为待测样品的线性透过系数，Iθi为入射光强、z0为瑞利长度、a为待测样品与所述的聚焦物镜焦平面的距离，d是待测样品和第三小孔光阑之间的距离；第二部分：测量所述的待测样品二维微区的非线性透过率、非线性折射率数据，并进行数据拟合获得待测样品在二维微区内的非线性吸收系数β和非线性折射系数n2空间分布情况，其步骤包括：①重复第一部分的①②③步；②打开所述的照明光源氙灯和成像相机，通过计算机观察样品位置，并通过所述的计算机设置所述的待测样品二维微区的起点位置坐标(X0,Y0)、终点位置坐标(X,Y)，此二维微区是一个矩形区域，(X0,Y0)和(X,Y)为此矩形区域的对角线的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二维共焦显微非线性强度扫描系统，其特征在于系统结构包含作为激发光源的脉冲激光器(1)，沿该脉冲激光器(1)的输出光束方向依次为所述的第一镀膜全反镜(2)、第一小孔光阑(3)、第二小孔光阑(4)、第二镀膜全反镜(5)、电控旋转台(6)、偏振片(8)、第一分光平片(9)、聚焦物镜(11)、待测样品(12)、收集物镜(13)、第二分光平片(14)、第三小孔光阑(15)、第三分光平片(16)和成像相机(17)；所述的脉冲激光器(1)与激光器控制器(31)连接；沿所述的第一分光平片(9)的反射光方向依次为第一中性密度滤光片(18)、第一透镜(19)和第一探测器(20)；所述的第一分光平片(9)的反射光方向的另一侧为照明光源氙灯(10)；沿所述的第二分光平片(14)的反射方向依次为第二中性密度滤光片(21)、第二透镜(22)和第二探测器(23)；沿所述的第三分光平片(16)反射光方向依次为第三中性密度滤光片(24)、第三透镜(25)和第三探测器(26)；所述的第一探测器(20)、第二探测器(23)和第三探测器(26)的输出端经由数据采集卡(28)连接到计算机(29)的输入端；所述的电控旋转台(6)的旋转轴与光轴重合，并且中心为通孔，通孔中安装有格兰泰勒棱镜(7)；所述的电控旋转台(6)连接在控制器(30)的控制端，该控制器(30)与计算机(29)相连接；所述的成像相机(17)的输出端与所述的计算机(29)的输入端连接；所述的待测样品(12)安置在二维精密平移台(27)上；该二维精密平移台(27)通过控制器(30)与所述的计算机(29)相连；能量计(32)的输出端与所述的计算机(29)的输入端相连；所述的第一镀膜全反镜(2)、第二镀膜全反镜(5)、第一分光平片(9)、第二分光平片(14)、第三分光平片(16)与光路的夹角为45°。...

【技术特征摘要】
1.一种二维共焦显微非线性强度扫描系统，其特征在于系统结构包含作为激发光源的脉冲激光器(1)，沿该脉冲激光器(1)的输出光束方向依次为第一镀膜全反镜(2)、第一小孔光阑(3)、第二小孔光阑(4)、第二镀膜全反镜(5)、电控旋转台(6)、偏振片(8)、第一分光平片(9)、聚焦物镜(11)、待测样品(12)、收集物镜(13)、第二分光平片(14)、第三小孔光阑(15)、第三分光平片(16)和成像相机(17)；所述的脉冲激光器(1)与激光器控制器(31)连接；沿所述的第一分光平片(9)的反射光方向依次为第一中性密度滤光片(18)、第一透镜(19)和第一探测器(20)；所述的第一分光平片(9)的反射光方向的另一侧为照明光源氙灯(10)；沿所述的第二分光平片(14)的反射方向依次为第二中性密度滤光片(21)、第二透镜(22)和第二探测器(23)；沿所述的第三分光平片(16)反射光方向依次为第三中性密度滤光片(24)、第三透镜(25)和第三探测器(26)；所述的第一探测器(20)、第二探测器(23)和第三探测器(26)的输出端经由数据采集卡(28)连接到计算机(29)的输入端；所述的电控旋转台(6)的旋转轴与光轴重合，并且中心为通孔，通孔中安装有格兰泰勒棱镜(7)；所述的电控旋转台(6)连接在控制器(30)的控制端，该控制器(30)与计算机(29)相连接；所述的成像相机(17)的输出端与所述的计算机(29)的输入端连接；所述的待测样品(12)安置在二维精密平移台(27)上；该二维精密平移台(27)通过控制器(30)与所述的计算机(29)相连；能量计(32)的输出端与所述的计算机(29)的输入端相连；所述的第一镀膜全反镜(2)、第二镀膜全反镜(5)、第一分光平片(9)、第二分光平片(14)、第三分光平片(16)与光路的夹角为45°。2.根据权利要求1所述的二维共焦显微非线性强度扫描系统，其特征在于所述的第一分光平片(9)对所述的照明光源氙灯(10)的分光比为50％。3.利用权利要求1所述的二维共焦显微非线性强度扫描系统对待测样品(12)的非线性透过率、非线性折射率和非线性系数二维空间测绘的测量方法，其特征在于该方法包括以下两个部分：第一部分：测量所述待测样品(12)某一点的非线性透过率、非线性折射率数据，进行数据拟合获得待测样品(12)在测量点处的非线性吸收系数β和非线性折射系数n2，其步骤包括：①根据测量需要，通过所述的激光器控制器(31)设置所述的脉冲激光器(1)的重复频率；通过计算机(29)设置所述的电控旋转台(6)的转动参数，包括初始角度θ0、终止角度θ和转动步长Δθ，其中0<θ0<θ<90°，Δθ＝1°；②通过所述的计算机(29)启动所述的电控旋转台(6)，电控旋转台(6)转动到初始角度θ0；将所述的能量计(32)放置在聚焦物镜(11)之后，此时所述的能量计(32)测得的对应于电控旋转台(6)的当前角度θ0的脉冲能量为Eθ0，该脉冲能量Eθ0与sin2(θ0)成正比关系，对应的入射光强为Iθ0＝Eθ0/(t0πω02)，其中t0为脉冲宽度，ω0为束腰半径，将此入射光强记录到所述的计算机(29)中；然后所述的电控旋转台(6)按照步骤①设置的转动步长转动到下一个角度即θ1＝θ0+Δθ，利用能量计(32)测量与该角度对应的脉冲能量Eθ1，并记录此时的入射光强Iθ1；以此类推，测量从初始角度θ0到终止角度θ范围内所有角度θi＝θ0+i*Δθ，i＝0,1,2,…,[(θ-θ0)/Δθ]对应的脉冲能量Eθi和入射光强Iθi；入射光强Iθi为非线性透过率曲线的横坐标(参见附图2和3)；测量记录完毕后，移开能量计(32)，所述的计算机(29)控制电控旋转台(6)转回到起始位置θ0；③将所述的待测样品(12)放置在所述的二维精密平移台(27)上，调整待测样品(12)位于所述的聚焦物镜(11)的焦平面上；调整所述的收集物镜(13)使收集物镜(13)的焦点和所述的聚焦物镜(11)的焦点重合；④所述的计算机(29)同时启动所述的脉冲激光器...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊，李源鑫，董宁宁，张赛锋，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31