专利名称：基于透镜几何光学成像的非线性吸收测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于测量非线性光子学材料的测量装置，尤其是一 种研究非线性吸收的成像装置，属于非线性光子学材料和非线性光学信息处 理领域。
背景技术：
随着光通信和光信息处理等领域技术的飞速发展，非线性光学材料研究 日益重要。光信息存储、光开关、光计算机，以及激光加工、激光医疗与光 子生物学，激光检测与计量，激光光谱分析技术，激光武器等等方面的应用
都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。目前常用的测量非线性光学参数的方法有Z扫
描、四波混频、三次谐波非线性干涉法、椭圆偏振法、基于4f相位相干成 像测量等。除了 Z扫描和4f相位相干成像方法以外，其他的测量方法均需 两束或两束以上激光，使得测量装置的光路复杂化。下面就最常用的两种方 法做简单介绍。
Z扫描方法(Mansoor Sheik-Bahae， Ali A. Said, Tai-Hui Wei， David J. Hagan， E. W. Van Stryland. "Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam", IEEE J. Quantum Elect, 26， 760-769 (1990))是目前较常用的单光束测量光学非线性的方法，测量时，将样品 放在移动平台上，激光器输出的脉冲光被透镜聚焦到样品上，再被分束器分 成两路， 一路探测非线性吸收(开孔Z扫描)，另一路经过小孔用来探测非线 性折射(闭孔Z扫描)，在测量过程中要移动样品以测量不同光强下的非线性 响应。实现上述方法的装置光路简单，但是该方法对激光的空间分布及能量 稳定性以及样品表面性质要求较髙，测量过程中需要样品在激光传播的方向 移动；另外，由于需要激光多次激发，容易造成材料性质的改变以至于损伤， 实验测量结果往往还需要进行其他实验来判断是否可靠。
基于4f相位相干成像测量材料的三阶非线性折射率的方法由GeorgesBoudebs等人于1996年提出(G. Boudebs, M. Chis, and J. P. Bourdin, "Third-order susceptibility measurements by nonlinear image processing", J. Opt. Soc. Am. B， 13， 1450-1456 (1996))，测量时，把非线性样品放置在 4f系统的频谱面上，然后让激光通过这个4f系统，用CCD记录光场空间分 布的变化，然后结合数值模拟就可以得到材料的非线性折射率。由于光场分 布受到非线性吸收和折射共同的影响，这种方法用来测量有非线性吸收有一 定的周限性。虽然通过数值计算可以提取出非线性吸收的值(LI YuiiBo， SONG YingLin， WANG YuXiao， ZHANG XueRu， S画JiangQin, YANG JunYi， SHI Guang & WANG Yu， "Simultaneous measurements of nonlinear refraction and nonlinear absorption using a 4f imaging system" (2008)), 但 是并不能得到很直观的结果，而且数据处理比较复杂。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种基于透镜几何光学成像的非线性吸收的 测量装置，从空间角度对被检测材料的非线性吸收参数的分析。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是一种基于透镜成像的 非线性吸收测量装置，主要由激光器、聚焦透镜、分束器、监测光路和成像 光路组成，所述分束器把激光器发出的激光脉冲分束至监测光路和成像光 路，监测光路为一能量计探头，所述成像光路包括成像透镜和CCD相机， 待测样品位于聚焦透镜的焦平面处，待测样品距离成像透镜的距离大于成像 透镜的一倍焦距小于二倍焦距，且待测样品和CCD相机到成像透镜的距离 满足几何光学成像关系。
上文中，探测光经过聚焦透镜聚焦到待测样品上，产生光学非线性效应； 由CCD相机接收，通过分析不同能量下的探测光的空间分布情况就可以确 定待测样品的光学非线性吸收系数。待测样品距离成像透镜的距离大于其一 倍焦距小于二倍焦距，而且样品和CCD相机到成像透镜的距离满足几何光 学成像关系，样品后表面的光场空间分布将直接被成像透镜成像到CCD相 机上。
上述技术方案中，在所述激光器与聚焦透镜间设有前衰减器，在所述 CCD相机前设有后衰减器，两者具有相同衰减倍数，所述前衰减器和后衰
4减器在测量时可从光路中移除，即，在测量时，可以根据需要仅设置前衰减 器，或者仅设置后衰减器。
上述技术方案中，所述后衰减器的衰减倍数大于或等于100，所述CCD 相机的动态范围大于或等于12。
进一步的技术方案，所述分束器采用低反髙透镜片，反射率与透射率比
例为i : io iioo。
上述技术方案中，探测光照射到待测样品上使其产生非线性响应，即物
理特性发生变化，利用探测光测量此物理变化，利用CCD相机接收探测光 的能流分布，可以分析在不同入射能量下的待测样品的非线性响应情况，另 外，如果把待测样品放在聚焦透镜的焦点位置，还可以通过测量CCD相机 上成像光斑的大小直接确定束腰半径的大小。
由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有的优点是
1. 本实用新型装置光路简单、对光路的要求不高，只要待测样品距离 成像透镜的距离大于其一倍焦距小于二倍焦距，而且样品和CCD相机到成 像透镜的距离满足几何光学成像关系即可，监测光路只有一个能量计探头， 非常简单。
2. 采用本实用新型的装置进行测量，为单脉冲测量、没有样品的移动、 对激光束的随机波动敏感度低、测量精确、速度快等。同时由于其单脉冲测 量的特点，可以用来测量材料的非线性折射率随曝光时间变化的动态过程。
3. 由于本装置测量每次只需要接收一个光斑，数据处理较普通4f相位 相干成像系统简单很多，样品也不必准确放在焦平面位置，不需要用傅利叶 光学进行数值模拟。
4. 对非线性吸收的测量不受非线性折射的影响，测量结果直观明了， 而普通4f相位相干成像系统中非线性吸收和折射是互相影响的。
附图1是本实用新型实施例一中的基于透镜几何光学成像的非线性吸收 的测量装置光路结构示意图。
其中1、入射激光束；2、聚焦透镜；3、分束器；4、监测光路；5、待 测样品；6、成像透镜；7、后衰减器；8、 CCD相机；9、成像光路；10、能量计探头；11、前衰减器。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述
实施例一参见附图1所示， 一种基于透镜几何光学成像的非线性吸收 的测量装置，主要由激光器1、聚焦透镜2、分束器3、监测光路4和成像 光路9组成，所述分束器3把激光器发出的激光脉冲分束至监测光路和成像 光路，监测光路为一能量计探头，用来实时监测入射到待测样品上的能量， 待测样品5位于聚焦透镜2的焦平面附近，成像光路包括成像透镜6和CCD 相机8。待测样品距离成像透镜的距离大于其一倍焦距小于二倍焦距，而且 待测样品5和CCD相机8到成像透镜的距离满足几何成像关系 (l/"+l/v=l//2)。
分束器3采用低反髙透镜片，反射率与透射率比例为i : io i : ioo， 监测光同入射光垂直，被监测光路的能量计探头io接收。
CCD相机8的光密度值和衰减器7, 11的衰减倍数根据实际的需要和 实际出射的探测光的光强，衰减系数一般大于100，光密度值一般大于12。
使用时，利用分束器3把激光脉冲l分成监测光路4和成像光路9，先 把待测样品放在监测光路能量计探头前面，把入射光能量调到非常低以致不 产生非线性，记录能量计读数，拿掉样品，再次记录能量计读数，由前后两 次能量计读数之比得到待测样品的线性透过率；入射光经过聚焦透镜2聚焦 照射到待测样品5上，再经过成像透镜6和衰减器7被CCD 8接收。放上 待测样品5，拿掉前衰减器11,保留后衰减器7，发一个脉冲，用CCD相 机8采集一个"非线性图像"，同时记录下能量计探头10的读数，根据分束 器的分光比可以知道入射到待测样品上的能量；拿掉后衰减器7，保留前衰 减器ll，发一个脉冲，用CCD相机8采集一个"线性图像"。
非线性图像的空间能流分布的变化是由于非线性吸收引起的，用线性图
像作为输入信号，通过改变不同的P值来拟合非线性图像的空间能流分布可
以得到双光子吸收系数p-6cm/GW。
权利要求1.一种基于透镜成像的非线性吸收测量装置，其特征在于主要由激光器(1)、聚焦透镜(2)、分束器(3)、监测光路(4)和成像光路(9)组成，所述分束器(3)把激光器发出的激光脉冲分束至监测光路和成像光路，监测光路为一能量计探头，所述成像光路包括成像透镜(6)和CCD相机(8)，待测样品(5)位于聚焦透镜的焦平面处，待测样品距离成像透镜的距离大于成像透镜的一倍焦距小于二倍焦距，且待测样品(5)和CCD相机(8)到成像透镜(6)的距离满足几何光学成像关系。
2. 根据权利要求1所述的基于透镜成像的非线性吸收测量装置，其特 征在于在所述激光器(1)与聚焦透镜(2)间设有前衰减器(11)，在所述CCD 相机(8)前设有后衰减器(7),两者具有相同衰减倍数，所述前衰减器(ll)和后 衰减器(7)在测量时可从光路中移除。
3. 根据权利要求2所述的基于透镜成像的非线性吸收测量装置，其特 征在于所述后衰减器(7)的衰减倍数大于或等于100,所述CCD相机(8)的 动态范围大于或等于12。
4. 根据权利要求1所述的基于透镜几何光学成像的非线性吸收测量装 置，其特征在于所述分束器(3)采用低反高透镜片，反射率与透射率比例为iio i : iooo
专利摘要本实用新型公开了一种基于透镜成像的非线性吸收测量装置，其特征在于主要由激光器、聚焦透镜、分束器、监测光路和成像光路组成，所述分束器把激光器发出的激光脉冲分束至监测光路和成像光路，监测光路为一能量计探头，所述成像光路包括成像透镜和CCD相机，待测样品位于聚焦透镜的焦平面处，待测样品距离成像透镜的距离大于成像透镜的一倍焦距小于二倍焦距，且待测样品和CCD相机到成像透镜的距离满足几何光学成像关系。本实用新型装置光路简单，对光路的精度要求不苛刻；在整个测量过程中样品不需要移动，测试过程简单，测量结果准确，测量速度快；数据处理简单；实验结果直观明了。
文档编号G01N21/59GK201331495SQ20092003859
公开日2009年10月21日 申请日期2009年1月7日 优先权日2009年1月7日
发明者宋瑛林, 李常伟, 杨俊义, 敏 税, 肖 金 申请人:苏州大学