一种非线性光学吸收截面测量方法技术

本发明专利技术公开了一种非线性光学吸收截面测量方法。本发明专利技术可以实现同时测量简并和非简并非线性吸收截面谱。测量过程自动化，测量过程高效、快速。本发明专利技术中工作波段为380nm至近红外1064nm，能实现超连续宽光谱的非线性性能测量。采用了较大入瞳直径的变焦光学系统作为微弱信号采集镜头，能有效的将微弱信号在背景噪声中提取出来，同时此变焦光学系统轴上像点均方根直径100微米至150微米，轴上像点发散角2α为30.6度，很好的匹配光纤耦合条件，提高空间光耦合进光纤的耦合效率。系统测量灵敏度大大提高。

A measurement method of nonlinear optical absorption cross section

【技术实现步骤摘要】
一种非线性光学吸收截面测量方法
本专利技术涉及一种非线性光学吸收截面测量方法，属于非线性光学和光学检测领域。
技术介绍
随着光通信和光信息处理等技术的飞速发展，非线性光学材料的研究显得日益重要。非线性光学材料在光开关、全光器件、高速光电设备、高功率激光器件、激光防护及光限幅等领域中获得了大量的实际应用。对材料的光学非线性研究是目前材料学及相关领域的研究热点。光学非线性测量技术是研究非线性光学材料的关键技术之一，其中弄清材料的光学非线性机制，如何准确的确定材料重要的物理参量对于如何应用材料是非常重要的。目前，常用的光学非线性测量技术有简并四波混频、三波混频、三次谐波法、非线性干涉法、非线性椭圆偏振法、马赫-曾德干涉法、4f相位相干成像法、Z扫描法等。其中Z扫描方法(参见SHEIK-BAHAE,M.；SAID,A.A.；WEI，T.H.；HAGAN,D.J.；STRYLAND,E.W.V.，Sensitivemeasurementofopticalnonlinearitiesusingasinglebeam.IEEEJ.QuantumElectron.1990,26(4),760-769.)是目前最为常用的测量材料光学非线性的方法，它具有可以同时测量非线性折射和非线性吸收，装置简单，灵敏度高等优点。但传统的Z扫描方法通常使用单波长激光器，只能得到非线性光子学材料在特定波长下的光学非线性特性，所能提供的信息非常有限。而对非线性光子学材料的光学非线性研究需要了解材料在宽波长范围内的光学非线性特性，因此，传统的非线性光谱特性测量装置不能满足要求。非线性光学效应是在激光的高强度光电场E(r,t)的作用下，介质中不仅会产生与入射场E(r,t)成线性关系的线性电极化强度P(1)(r,t)，还会产生与入射光电场成幂次方关系的非线性电极化强度PNL(r,t)，它可以包括光电场强度的二次、三次及更高的幂次项。这就给非线性光学带来极其丰富的内容。而描述介质的电极化强度P(r,t)与光电场强度E(r,t)关系的最重要的物理量即是光学极化率，与不同幂次的电极化强度相应，介质的极化率可以有线性光学极化率χ(1)及非线性光学极化率χ(2)、χ(3)等，它们分别为二阶、三阶及四阶复数张量，反映了介质对于光电场不同的响应，也直接决定了所产生的多种多样的非线性光学效应。它的实部判定介质的线性(非线性)折射率，而它的虚部判定介质的线性(非线性)吸收。介质的非线性吸收与介质内部能级分布有直接关系。以三阶非线性效应为例，通常情况下，物质分子仅吸收一个光子完成从基态到激发态的跃迁，我们称之为单光子吸收。双光子吸收，是指物质分子同时吸收两个光子，从基态跃迁到激发态的过程。双光子吸收过程中，物质分子均是吸收两个波长相同的光子，我们称之为简并双光子吸收(Degeneratetwo-photonabsorption,D-TPA)。而相反的情况是，物质分子同时吸收两个波长不同的光子完成从基态到激发态的跃迁，我们称之为非简并双光子吸收。相对于简并双光子吸收，非简并双光子吸收具有更小的吸收区域，更大的吸收系数以及更宽的光谱范围，除了可以应用于以上所述的各种应用，在红外探测、量子计数、光学取样以及双色双光子荧光显微成像等方面发挥着重要作用。目前大多测量方法都是只能测量简并双光子吸收或者非简并双光子吸收中的一种，而且效率较低，只能单波长逐点的进行测量，给相关的研究和应用带来很大的困难。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种非线性光学吸收截面测量方法。该方法能够实现同时测量简并和非简并非线性吸收截面谱。测量过程自动化，测量过程高效、快速。本专利技术中工作波段为380nm至近红外1064nm，能实现超连续宽光谱的非线性性能测量。采用了较大入瞳直径的变焦光学系统作为微弱信号采集镜头，能有效的将微弱信号在背景噪声中提取出来，同时此变焦光学系统轴上像点均方根直径100微米至150微米，轴上像点发散角2α为30.6度，很好的匹配光纤耦合条件，提高空间光耦合进光纤的耦合效率。系统测量灵敏度大大提高。本专利技术的技术解决方案如下：本专利技术的方法使用一种非线性光学泵浦探测装置来实现，所述一种非线性光学泵浦探测装置，包括主光路、非简并探测系统、非简并泵浦系统、简并探测系统、参考系统；主光路依次包括激光器1、第一小孔光阑2、斩波器3、第一偏振片4、第二偏振片5、第一反射镜6、第一激光分光镜7；非简并探测系统依次包括第二反射镜8、第一可调衰减片9、第一会聚透镜10、重水池11、第二小孔光阑12、中心滤光片13、第二会聚透镜14、第二激光分光镜15、第三会聚透镜16、待测样品17、第一光信号收集系统18，所述的第一光信号收集系统18经光纤连接到光学多道分析仪19，所述的光学多道分析仪19连接到电脑20；非简并泵浦系统依次包括第二可调衰减片21、第三反射镜22、第四反射镜23、第五反射镜24、第六反射镜25、第七反射镜26、第八反射镜27、第九反射镜28、第四会聚透镜29、待测样品17、光功率计30；所述的第三会聚透镜16出射的激光与所述的第四会聚透镜29出射的激光在所述的待测样品17中以小角度(5°-15°)重合；简并探测系统依次包括第三激光分光镜31、三棱镜32、第五会聚透镜33、待测样品17、第二光信号收集系统34，所述的第二光信号收集系统34经光纤连接到所述的光学多道分析仪19，所述的光学多道分析仪19连接到电脑20；参考系统依次包括第十反射镜41、待测样品17、第三光信号收集系统42，所述的第三光信号收集系统42经光纤连接到所述的光学多道分析仪19，所述的光学多道分析仪19连接到电脑20；所述的第三反射镜22、第四反射镜23、第七反射镜26、第八反射镜27安装在高性能线性平移台A上。所述的第一可调衰减片9、第二可调衰减片21、第一会聚透镜10、第二会聚透镜14、第三会聚透镜16、第四会聚透镜29、第五会聚透镜33、光功率计30、第一光信号收集系统18、第二光信号收集系统34、第三光信号收集系统42、高性能线性平移台A均通过控制线与所述的电脑20直接相连。所述的第一小孔光阑2直径为5mm，所述的第二小孔光阑12直径10mm；所述的斩波器3频率可调范围为4HZ至10KHZ；所述的第二偏振片5偏振方向为水平；所述的第一反射镜6、第二反射镜8、第三反射镜22、第四反射镜23、第五反射镜24、第六反射镜25、第七反射镜26、第八反射镜27与主光轴均成45°；所述的第一激光分光镜7、第二激光分光镜15、第三激光分光镜31与主光轴均成45°；所述的第一激光分光镜7透射率为10％，反射率为90％；所述的第二激光分光镜15透射率为50％，反射率为50％；所述的第三激光分光镜31透射率为10％，反射率为90％；所述的第一会聚透镜10、第二会聚透镜14、第三会聚透镜16、第五会聚透镜33焦距均为10cm，所述的第四会聚透镜29焦距为50cm。所述的待测样品17厚度为10mm。所述的第一光信号收集系统18、第二光信号收集系统34、第三光信号收集系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非线性光学吸收截面测量方法，其特征在于，包括如下：/n步骤1、系统初始化：根据实际测量需要，以及激光器参数设置非线性光学泵浦探测装置中部分器件的初始值；/n步骤2、测量非线性吸收光谱：非线性吸收光谱包括非简并吸收光谱和简并吸收光谱，测量过程同时进行；/n步骤3、监测：对于测量过程中可能遇到的影响因素进行监测，发现异常及时处理；/n步骤4、数据处理：根据实验所得数据进行相应处理，得到所述的待测样品17的非简并吸收光谱和简并吸收光谱。/n

【技术特征摘要】
1.一种非线性光学吸收截面测量方法，其特征在于，包括如下：
步骤1、系统初始化：根据实际测量需要，以及激光器参数设置非线性光学泵浦探测装置中部分器件的初始值；
步骤2、测量非线性吸收光谱：非线性吸收光谱包括非简并吸收光谱和简并吸收光谱，测量过程同时进行；
步骤3、监测：对于测量过程中可能遇到的影响因素进行监测，发现异常及时处理；
步骤4、数据处理：根据实验所得数据进行相应处理，得到所述的待测样品17的非简并吸收光谱和简并吸收光谱。


2.根据权利要求1所述的一种非线性光学吸收截面测量方法，其特征在于，
所述步骤1的具体实现如下：
根据实际测量需要，选择合适激光器，根据激光器自身参数调节所述的斩波器3来控制入射到所述的待测样品17的激光重复频率；调节所述的第二偏振片5的偏振方向为竖直，调节所述的第一偏振片4来调节整个光路的入射能量，保证在所述的第一衰减片9、第二衰减片21透过率为100％的情况下，所述的待测样品17、光功率计30、光学多道分析仪19不会损坏；调节所述的第九反射镜28、第四会聚透镜29，使激光会聚于所述的待测样品17的后表面，调节所述的第二衰减片21使激光能量略低于在所述的待测样品17中产生双光子吸收的能量阈值；调节所述的第一会聚透镜10使激光会聚于所述的重水池11的中心位置，调节所述的第一衰减片9使所述的重水池11产生稳定的白光；调节所述的第二会聚透镜14使所述的白光平行出射。调节所述的第三会聚透镜16使所述的白光会聚于所述的待测样品17，且与所述的第四会聚透镜29会聚光束产生有效重合；调节所述的高性能线性平移台A使所述的非简并泵浦光路和所述的非简并探测光路同步；调节所述的第五会聚透镜33使激光会聚于所述的待测样品17，且会聚点与所述的非简并光路不重合。调节所述的第十反射镜41使所述的参考光路经过所述的待测样品17，且不和所述的简并光路和非简并光路重合。分别调节所述的第一光信号收集系统18、第二光信号收集系统34、第三光信号收集系统42使所述的光学多道分析仪19接收到的信号最强。


3.根据权利要求2所述的一种非线性光学吸收截面测量方法，其特征在于，
所述激光器自身参数包括输出功率大小，脉冲频率。


4.根据权利要求2所述的一种非线性光学吸收截面测量方法，其特征在于，
所述S2的具体实现如下：
非线性吸收光谱测量
装置开机后，待所述的激光器1输出稳定后，所述的第三会聚透镜16出射的激光与所述的第四会聚透镜29出射的激光在所述的待测样品17中以小角度重合；在装置初始化的基础上，所述的第一可调衰减片9、第二可调衰减片21、第一会聚透镜10、第二会聚透镜14、第三会聚透镜16、第四会聚透镜29、第五会聚透镜33、第一光信号收集系统18、第二光信号收集系统34、第三光信号收集系统42、高性能线性平移台A均通过所述的电脑20逐个循环进行优化；直至所述的光学多道分析仪19所接收的所述的第一光信号收集系统18、第二光信号收集系统34、第三光信号收集系统42的信号皆为最强为止；此时，通过所述的电脑20设置采样积分时间和采样次数，通过所述的光学多道分析仪19同时对所述的第一光信号收集系统18、第二光信号收集系统34、第三光信号收集系统42的光信号进行多次采集存储，分别得到所述待测样品17的非简并透射光谱P1、简并透射光谱P2、参考光谱P3；然后将所述的待测样品17从装置中取出，放入事先配好的不含待测样品的参比样品50，通过所述的光学多道分析仪19同时对所述的第...

【专利技术属性】
技术研发人员：周志强，丛嘉伟，佟艳群，符永宏，任乃飞，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32