专利名称：基于相位物体z扫描的泵浦探测方法
技术领域：
本发明涉及一种利用光学手段来测试或分析材料的方法，具体涉及一种研究材料的非线性光学物理机制以及测量其光学物理参数的方法，属于非线性光子学材料和非线性光学信息处理领域。
背景技术：
非线性光学领域的飞速发展离不开对光学非线性材料的研究。寻找各种用途的理想光学非线性材料是非线性光学领域的一个非常重要的任务。具有大的光学非线性系数和超快光响应的材料被认为是用于制造高速光电设备的新兴材料，在光学工程领域，如全光开关等元器件中有着巨大的潜在应用价值。而对光学非线性材料的研究则需要借助于各种光学非线性测量技术。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。在光学非线性样品中，一般情况下不止一种非线性机制，通常会存在二种甚至更多的非线 性机制相互作用，而一般的非线性测量技术不能很简单地把各种光学非线性机制区分开。Z 扫描方法(Mansoor Sheik-Bahae, Ali A. Said, Tai-Hui Wei, David J. Hagan, E. ff. VanStryland.“Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam，，，IEEE J. Quantum Elect, 26, 760-769 (1990))是目前最常用的单光束测量材料光学非线性的方法，此方法是在光束畸变测量方法的基础上提出的，其优点是光路简单，处理方法简单，测量精度高，并且可同时测量非线性吸收与折射。但这种方法很难准确地确定材料的光学非线性机制以及材料一些具体的、重要的光学物理参数。在Z-scan的基础上，1994年J. Wang等人提出了时间分辨Z_scan技术(J Wang,M. Sheik-Bahae, A. A. Said, D.J. Hagan, and E. ff. Van Stryland, “Time-resolved Z-scanmeasurements of optical nonlinearities，，，J. Opt. Soc. Am. B, 11,1009-1017,1994)。这种方法通过对样品出射的不同时刻探测光的位相和强度的变化情况的分析来确定材料光学非线性的机制以及各个能级重要的光学物理参数。但这种方法在测量样品非线性折射随时间变化的特征时比较麻烦，而且误差比较大，具体表现为(1)测量时需先测量样品的非线性吸收的时间特征，然后再把样品分别放在两个位置进行非线性折射时间特征的测量，最后还要除去非线性吸收的影响。(2)不能同时进行非线性吸收和非线性折射时间特征的测量，由于不同时刻激光的空间分布和能量是不同的，从而会引起较大的测量误差。最近提出的一种相位物体(PO)泵浦探测方法(Junyi Yang, Yinglin Song,Yuxiao Wang,ChangweiLi,Xiao Jin,and Min Shui. Time-resolved pump-probe technology with phase objectfor measurements of optical nonlinearities. Optics Express,17,7110-7116(2009)),这种方法能同时测量非线性吸收和非线性折射动力学过程，但这种方法的灵敏度受到主光路T-PO技术的限制。另外对于非简并非线性折射动力学测量时，需根据对应的探测波长更换不同的相位物体。本发明提出一种高灵敏度泵浦探测技术能克服传统时间分辨Z-scan及PO泵浦探测技术的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种高灵敏度泵浦探测方法，用于材料光学非线性特别是非线性折射的检测，确定材料的光学非线性机制并可同时准确的测量材料重要的非线性光学参数。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是基于相位物体Z扫描的泵浦探测方法，包括如下步骤把入射激光束分为两束，其中光强较强的一束为泵浦光，光强较弱的一束为探测光，泵浦光经过时间延迟聚焦到非线性待测样品上，使处于基态的待测样品产生非线性吸收和非线性折射；所述待测样品位于探测光路中透镜的焦平面上，在探测光路的所述待测样品后的远场位置放置一个其中心和光轴重合的圆形光阑以及一个其中心和光轴重合的圆形不透光挡板，经样品出射的探测光通过一个分光镜分为两束，其中一束直接进入第一探测器，另一束通过所述圆形光阑和圆形不透光挡板后进入第二探测器；所述方法的具体测量步骤为
①在光路上放入待测样品，用所述第一和第二探测器分别收集不同时刻探测光的倉;②对上述获得的不同延迟时间的探测光能量曲线进行处理，获得所需的检测材料的光学非线性参数。上述技术方案中，所述步骤②中的处理包括分别作出开孔归一化的透射能量以及闭孔归一化随延迟时间的变化曲线，其中开孔归一化透射能量随延迟时间的变化曲线只与非线性吸收有关，闭孔归一化随延迟时间的变化曲线与非线性吸收和非线性折射都有关系，对开孔归一化透射能量随延迟时间的变化曲线进行拟合得到有关非线性吸收的光学参量的大小和寿命；在非线性吸收参数已知的情况下，通过对闭孔归一化随延迟时间的变化曲线进行拟合得到非线性折射相关参量的数值。上述技术方案中，所述泵浦光的时间延迟通过两个反射镜和一个直角棱镜实现，由反射镜改变泵浦光的方向，调节直角棱镜和反射镜之间的间距，改变泵浦光的行进距离，实现对延迟时间的调节。其中，所述直角棱镜的平行移动范围为0到30cm，时间延迟范围为-200ps 到 I. 8nso优选的技术方案，所述探测光路中产生平顶光的圆形小孔和所述圆形不透光挡板到透镜的距离符合透镜成像公式。所述圆形光阑和圆形不透光挡板的尺寸根据探测光路远场处的衍射主光斑的大小可进行调节，让边缘的衍射光通过，圆形光阑和圆形不透光挡板组合后的透过率小于
0.01。当挡板大小一定时,适当调节光阑的大小,可使系统的灵敏度达到最大值。优选的技术方案，所述探测光和泵浦光聚焦到待测样品上的夹角在3°到8°范围内。本发明的技术方案中，非线性样品受到泵浦光的激发后处于基态的粒子跃向激发态，粒子布居数分布的变化导致对入射光的非线性吸收和非线性折射响应；又由于粒子布居数随着时间是不断变化的，所以对于不同时刻的探测光产生的影响是不同的，从样品探测光束的位相和强度的变化就可以得知这个时刻样品中的粒子布居情况，通过分析不同时刻的探测光的情况就能够同时测量出样品的非线性吸收和非线性折射时间特性曲线，从而可以确定各个能级的吸收截面和寿命以及折射率体积。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点I.系统测量灵敏度非常高，比Z-scan和PO泵浦探测技术高两个数量级。2.本方法对非线性吸收和非线性的折射的测量是同时完成的，而基于传统Z扫描方法的泵浦探测方法对非线性吸收和非线性的折射的测量是分别进行的，至少得进行三次测量(焦点，峰位置和谷位置各一次)。3.本方法中泵浦光和探测光不要求同轴，可以以一个小的夹角相交，通过样品后二者自动分离，因而用探测器接收信号时十分方便；而基于传统Z扫描方法的泵浦探测方法由于泵浦光和探测光共轴的，当光束通过样品之后必须考虑光束的分离问题，特别是当泵浦光和探测光波长接近或相等的时候光路会更加麻烦。4.本发明所述的测量方法，可以广泛地应用于非线性光学测量、非线性光子学材料、非线性光学信息处理和光子学器件等研究领域，尤其是非线性光功能材料的测试和改 性等关键环节，利用本发明方法，能够保证测试参数全面，测试结果准确，极大地减小了测量的误差；另外本方法对光路要求简单，测试速度快捷。
图I是本发明具体实施例中的圆形光阑示意图。图2是本发明具体实施例中的圆形挡板示意图。图3是本发明具体实施例中的高灵敏度泵浦探测方法的工作原理图。其中1、入射激光束；2、分束器；3、泵浦光束；4、反射镜；5、直角棱镜；6、反射镜；7、凸透镜；8、探测光束；9、反射镜；10、凸透镜；11、凸透镜；12、圆形小孔；13、凸透镜；14、待测样品；15、分束器；16、凸透镜；17、第一探测器；18、圆形光阑；19、圆形挡板；20、凸透镜；21、第二探测器。图4是本发明具体实施例中无挡板归一化透过率随延迟时间的变化图。图5为本发明具体实施例中挡板归一化透过率随延迟时间的变化图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述参见附图3所示，一种高灵敏度的光功能材料非线性参数测量方法，以探测光路和泵浦光路为基础，泵浦光路主要由两个反射镜4、6，直角棱镜5，凸透镜7组成，直角棱镜5可以前后平移以改变泵浦光的延迟时间；探测光路主要由反射镜9，凸透镜10，凸透镜11，圆形小孔12,凸透镜13,分束器15,凸透镜16,圆形光阑18 (孔半径为Ra),圆形挡板19 (半径为Rd)，凸透镜20，第一探测器17和第二探测器21组成；泵浦光路与探测光路同时聚焦于待测样品14上。利用分束器2把激光脉冲I分成泵浦光束3和探测光束8。探测光束8经过反射镜9改变方向，透过凸透镜10和凸透镜11扩束，扩束后的激光经过小孔12后形成平顶光，光束经凸透镜13会聚到放置在焦点的待测样品14上，经过分束器15后，分成两束光，透射的一束经圆形光阑18和圆形挡板19后，经凸透镜20会聚后由第二探测器21接收，反射的一束经凸透镜16会聚后由第一探测器17接收；泵浦光束3经过反射镜4，直角棱镜5，反射镜6构成的延迟平台，由凸透镜7聚焦到待测样品14上，使待测样品14处于基态的粒子受到激发跃迁到激发态，粒子布居数分布的变化对探测光的吸收和折射产生影响，又由于粒子布居数随时间是不断变化的，前后平移直角棱镜5可以对不同时刻的探测光产生不同的影响，并被第二探测器21和第一探测器17接收。在本实施例中，激光光束为532nm激光，脉宽21ps。样品为AlClPc/DMF溶液，其在532nm处线性吸收很弱，具有较强的激发态光学非线性。具体的检测步骤为(I)在样品前挡住探测光，将第二探测器21放在样品14的位置，测量泵浦光的能量。(2)放上样品14，前后平移直角棱镜5，连续记录不同延迟时间的探测光的能量。(3)分别作出开孔归一化的透射能量以及闭孔归一化随延迟时间的变化曲线。对于AlClPc/DMF非线性测量的实验和理论计算具体过程如下在考虑慢变振幅近似和薄样品近似的情况下探测光在样品中传播满足
权利要求
1.基于相位物体Z扫描的泵浦探测方法，包括如下步骤把入射激光束分为两束，其中光强较强的一束为泵浦光，光强较弱的一束为探测光，泵浦光经过时间延迟聚焦到非线性待测样品上，使处于基态的待测样品产生非线性吸收和非线性折射；所述待测样品位于探测光路中透镜(13)的焦平面上，其特征在于在探测光路的所述待测样品后的远场位置放置一个其中心和光轴重合的圆形光阑(18)以及一个其中心和光轴重合的圆形不透光挡板(19)，经样品出射的探测光通过一个分光镜(15)分为两束，其中一束直接进入第一探测器(17)，另一束通过所述圆形光阑(18)和圆形不透光挡板(19)后进入第二探测器(21);具体测量步骤为①在光路上放入待测样品，用所述第一和第二探测器分别收集不同时刻探测光的能量; ②对上述获得的不同延迟时间的探测光能量曲线进行处理，获得所需的检测材料的光学非线性参数。
2.根据权利要求I所述的基于相位物体Z扫描的泵浦探测方法，其特征在于所述步骤②中的对探测光能量曲线处理包括分别作出开孔归一化的透射能量以及闭孔归一化随延迟时间的变化曲线，对开孔归一化透射能量随延迟时间的变化曲线进行拟合得到有关非线性吸收的光学参量的大小和寿命；在非线性吸收参数已知的情况下，通过对闭孔归一化随延迟时间的变化曲线进行拟合得到非线性折射相关参量的数值。
3.根据权利要求I所述的基于相位物体Z扫描的泵浦探测方法，其特征在于所述泵浦光的时间延迟通过两个反射镜和一个直角棱镜实现，其中，由反射镜改变泵浦光的方向，调节直角棱镜和反射镜之间的间距，改变泵浦光的行进距离，实现对延迟时间的调节。
4.根据权利要求3所述的基于相位物体Z扫描的泵浦探测方法，其特征在于所述直角棱镜的平行移动范围为O到30cm，时间延迟范围为_200ps到I. 8ns。
5.根据权利要求I所述的高灵敏度泵浦探测方法，其特征在于所述探测光路中产生平顶光的圆形小孔(12)和所述圆形不透光挡板(19)到透镜的距离符合透镜成像公式为优选。
6.根据权利要求I所述的基于相位物体Z扫描的泵浦探测方法，其特征在于所述圆形光阑(18)和圆形不透光挡板(19)的尺寸根据探测光路远场处的衍射主光斑的大小进行调节，让边缘的衍射光通过；所述圆形光阑(18)和圆形不透光挡板(19)组合后的透过率小于 0. 01。
7.根据权利要求I所述的基于相位物体Z扫描的泵浦探测方法，其特征在于所述探测光和泵浦光聚焦到待测样品上的夹角在3°到8°范围内。
全文摘要
本发明公开了一种基于相位物体Z扫描的泵浦探测方法，包括如下步骤把入射激光束分为两束，其中光强较强的一束为泵浦光，光强较弱的一束为探测光，泵浦光经过时间延迟聚焦到非线性待测样品上，使处于基态的待测样品产生非线性吸收和非线性折射；待测样品位于探测光路中透镜的焦平面上，在探测光路的待测样品后的远场位置放置一个其中心和光轴重合的圆形光阑以及一个其中心和光轴重合的圆形挡板，出射的探测光通过一分光镜分为两束，其中一束直接进入第一探测器，另一束通过光阑和挡板后进入第二探测器。按本发明方法工作的测量系统灵敏度非常高、数据处理简单，非线性吸收和折射可以同时测量而不需要分开进行，具有测量结果精确等优点。
文档编号G01N21/17GK102645408SQ201210089129
公开日2012年8月22日 申请日期2012年3月30日 优先权日2012年3月30日
发明者宋瑛林, 杨俊义 申请人:常熟微纳激光光子技术有限公司