基于相位物体单脉冲反射测量材料非线性的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于相位物体单脉冲反射测量材料非线性的方法，入射激光通过第一分束镜分成两束，一束为监测光，由第一探测器记录，另一束光经过相位物体后被透镜聚焦到待测样品上，被待测样品表面反射的脉冲光被第二分束镜分成两路，一路直接由第二探测器记录，另一路通过一个中心和光轴重合的小孔光阑后进入第三探测器。本发明专利技术开发了一种新的测量介质表面的光学非线性的方法，实现了对非线性折射和吸收系数的测量，可广泛应用于介质界面非线性光学以及薄膜非线性光学测量的研究领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用光学手段测量材料的非线性性质的方法，具体涉及 一种基于相位物体的单脉冲反射测量介质界面反射光学非线性以及应用反 射光测量薄膜光学非线性性质的方法，属于非线性光子学材料和非线性光学 信息处理领域。
技术介绍
随着光通信和光信息处理等领域技术的飞速发展，非线性光学材料的研 究日益重要。光学逻辑、光学记忆、光三极管、光开关和相位复共轭等功能 的实现主要依赖于非线性光学材料的研究进展。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。对于透过率较高的介质，目前常用的测量方法有Z扫描、4f系统相干成 像技术、马赫-曾德干涉法、四波混频、三次谐波非线性干涉法、椭圆偏振法 等。其中，Z扫描方法光路简单、灵敏度髙，是目前最常用的单光束测量材 料光学非线性的方法，但是这种测量方法需要样品在激光传播方向的移动， 需要激光多次激发，对薄膜和易损伤的材料不适用，而且对激光能量的稳定 性和样品表面的平整度要求比较髙。4f相位相干成像系统(G. Boudebs and S. Cherukulappurath， Nonlinear optical measurements using a 4f coherent imaging system with phase object, Phys. Rev. A, 69， 053813(2004))是近 年来提出的一种测量材料非线性折射的新方法，利用4f相位相干成像技术 测量非线性折射具有光路简单、灵敏度高、单脉冲测量，无需样品移动、对 光源能量稳定性要求不高等优点。然而，上述几种测量方法都是通过测量透 射光的变化来测量介质的光学非线性，对于透过率很低的介质以及研究介质 表面光学非线性是不适用的。针对上述问题，D. V. Petrov等于1994年人提出了可测量介质表面光学 非线性的反射Z扫描法(D. V. Petrov， A. S. L. Gomes, and Cid B. de Arabjo，3Reflection Z-scan technique for measurements of optical properties of surfaces, Appl. Phy. Lett, 65,1067 (1994))，然而，这种方法和传统的透射Z 扫描法一样，需要样品在激光传播方向的移动，需要激光多次激发，容易损 伤介质的表面；此外，由于是对反射光的测量，反射面在测量的过程中要移 动，这就增大了测量的难度并影响了测量的准确性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于相位物体单脉冲反射测量材料非线性的 方法，以准确测量介质表面的光学非线性。为达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案是 一种基于相位物体单 脉冲反射测量材料非线性的方法，入射激光通过第一分束镜分成两束， 一束 为监测光，由第一探测器记录，另一束光经过相位物体后被透镜聚焦到待测 样品上，被待测样品表面反射的脉冲光被第二分束镜分成两路， 一路直接由 第二探测器记录，另一路通过一个中心和光轴重合的小孔光阑后进入第三探 测器；其测量步骤为(1) 在远离焦点光强弱的位置放上待测样品，用第一探测器、第二探测 器、第三探测器收集经过光阑后的脉冲光能量，由此计算出开孔反射能量、 透过小孔能量分别与监测光能量的比值;(2) 在焦平面位置放上待测样品，用第一探测器、第二探测器、第三探 测器收集经过光阑后的脉冲光能量，并计算出开孔反射能量、透过小孔能量 分别与监测光能量的比值；(3) 将步骤(2)中得出的两个比值与步骤(1)中得出的两个比值相除，得到 待测样品归一化的非线性开孔和闭孔反射率；对这两个归一化的非线性透过 率进行理论拟合得到非线性折射和吸收系数。当相位物体的相位延迟大约为0.5;r,大小大约为入射光斑束腰半径的0.1 倍时，系统的测量精度达到最高，因此可以根据实际情况进行调节。 上述技术方案中，所述相位物体放在所述透镜前的任一位置。 优选的技术方案是，所述相位物体放在所述透镜的前焦面上。以便于计算。上述技术方案中，所述小孔光阑的半径等于所述相位物体的远场衍射光 斑的半径。本专利技术的工作原理是非线性样品受到脉冲光的作用后，材料的吸收系 数和折射率发生变化，导致被样品反射的光场的振幅和相位发生变化，激光的光强越强，反射光的振幅和相位变化越大，由第二探测器直接收集的反射 光的能量就会和线性情况不同。同时，根据相衬原理，非线性相移的变化在 远场就表现为衍射光斑内光场振幅的变化，从而就会引起小孔的透过率的变 化，另外，振幅和相位的变化与材料的非线性折射和吸收的符号有关，所以， 在焦平面位置，无需移动样品，在一个单脉冲的作用下，通过测量归一化的 开孔和闭孔非线性反射率，就可以同时得到样品的非线性折射和吸收的系数 和符号。由于上述技术方案的采用，与现有技术相比，本专利技术具有如下优点1. 本专利技术开发了一种新的测量介质表面的光学非线性的方法，实现了 对非线性折射和吸收系数的测量，可广泛应用于介质界面非线性光学以及薄 膜非线性光学测量的研究领域，不仅能够保证测试结果准确，极大地减小测 量的误差，测试速度快捷，而且能够极大的降低成本。2. 本专利技术的光路简单，没有样品的移动，灵敏度髙，且测量非常方便， 理论模型简单。3. 本专利技术采用单脉冲测量，不易损伤介质的表面，可保证测量的准确性。附图说明附图1是本专利技术实施例一的工作原理附图2是本专利技术实施例一中相位物体的示意附图3是本专利技术实施例一中入射光在待测样品内反射的示意图。其中1、入射激光；2、第一分束镜；3、第一探测器;4、相位物体；5、透镜；6、待测样品；7、第二分束镜；8、第二探测器；9、小孔光阑；10、第三探测器。具体实施方式 下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步描述 实施例一参见附图1~3所示， 一种基于相位物体单脉冲反射测量材料非线性的方 法，入射激光1通过第一分束镜2分成两束， 一束为监测光，由第一探测器 3记录，另一束光经过相位物体4后被透镜5聚焦到待测样品6上，被待测 样品6表面反射的脉冲光被第二分束镜7分成两路， 一路直接由第二探测器 8记录，另一路通过一个中心和光轴重合的小孔光阑9后进入第三探测器10;具体的检测步骤为(1) 将待测样品6放在靠近透镜5的位置，利用第二探测器8和第三 探测器10分别测量开孔和透过小孔光阑9的能量，同时利用第一探测器3 测量监测光的能量，将第二探测器8和第三探测器10所测得的能量除以第 一探测器3的能量，得到两个能量比值；(2) 将待测样品6放在透镜5的焦平面的位置，利用第二探测器8和 第三探测器10分别测量开孔和透过小孔光阑9的能量，同时利用第一探测 器3测量监测光的能量，将第二探测器8和第三探测器10所测得的能量除 以第一探测器3的能量，得到另外两个能量比值；(3) 将步骤(2)中的两个比值分别除以步骤(1)中的两个比值，得到样品 开孔和透过小孔归一化的非线性反射率；在通过数值模拟，得出待测样品的 非线性折射和吸收系数。在本实施例中，入射激光为Nd: YAG激光器(Ekspla， PL2143B)倍 频以后的532nm激光，脉宽21ps，型号为(Rjp-765 energy probe)的探测器 连接在能量计(Rj-7620 ENE本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于相位物体单脉冲反射测量材料非线性的方法，其特征在于：入射激光通过第一分束镜分成两束，一束为监测光，由第一探测器记录，另一束光经过相位物体后被透镜聚焦到待测样品上，被待测样品表面反射的脉冲光被第二分束镜分成两路，一路直接由第二探测器记录，另一路通过一个中心和光轴重合的小孔光阑后进入第三探测器；其测量步骤为：　（１）在远离焦点光强弱的位置放上待测样品，用第一探测器、第二探测器、第三探测器收集经过光阑后的脉冲光能量，由此计算出开孔反射能量、透过小孔能量分别与监测光能量的比值；　（２）在焦平面位置放上待测样品，用第一探测器、第二探测器、第三探测器收集经过光阑后的脉冲光能量，并计算出开孔反射能量、透过小孔能量分别与监测光能量的比值；　（３）将步骤（２）中得出的两个比值与步骤（１）中得出的两个比值相除，得到待测样品归一化的非线性开孔和闭孔反射率；对这两个归一化的非线性透过率进行理论拟合得到非线性折射和吸收系数。

【技术特征摘要】
1.一种基于相位物体单脉冲反射测量材料非线性的方法，其特征在于入射激光通过第一分束镜分成两束，一束为监测光，由第一探测器记录，另一束光经过相位物体后被透镜聚焦到待测样品上，被待测样品表面反射的脉冲光被第二分束镜分成两路，一路直接由第二探测器记录，另一路通过一个中心和光轴重合的小孔光阑后进入第三探测器；其测量步骤为(1)在远离焦点光强弱的位置放上待测样品，用第一探测器、第二探测器、第三探测器收集经过光阑后的脉冲光能量，由此计算出开孔反射能量、透过小孔能量分别与监测光能量的比值；(2)在焦平面位置放上待测样品，用第一探测器、第二探测器、第三探测器收集经过光阑后的脉冲光能量，并计算出开孔反射能...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋瑛林，税敏，李常伟，金肖，杨俊义，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]