专利名称：一种比较法测量三阶非线性折射的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种测量材料的光学非线性的方法，具体涉及一种采用比较法测量材料的三阶光学非线性折射的方法。
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，非线性光子学材料研究日益重要。光逻辑、光存储、光三极管、光开关等功能的实现主要依赖于非线性光子学材料的研究进展。介质光学非线性参数的测量技术是研究非线性光学材料的关键技术。4f 相位相干成像系统(G. Boudebs and S. Cherukulappurath, “Nonlinear optical measurements usinga 4f coherent imaging system with phase object”，Phys.Rev. A, 69，053813(1996))就是近年来提出的一种测量材料非线性折射和吸收的新方法。
4f相位相干成像法是一种光束畸变的测量方法，这种方法是在4f系统物平面上放置一个相位光阑，将待测的非线性物体放置在傅里叶平面上，而在出射面上用CCD相机接收出射激光脉冲图像的方法。这种方法可以利用单脉冲同时测量非线性折射系数的大小和符号。相位光阑是在一个圆形光阑的中心制作一个面积更小圆形的相位物体，通过相位物体的光比其它地方的光有一个/2的相位延迟。当被测材料的非线性折射率为正的时候，CXD接收到的非线性图像由于正相衬的原因，在相位物体的位置强度比周围增强。相反的，当被测材料的非线性这折射率为负的时候，非线性图像的相位物体的位置的强度比周围要弱。4f相位相干成像法巧妙地利用相位光阑来实现了非线性折射率的大小和符号的测量。但是，在测量过程中，需要进行复杂的拟合计算。因此，有必要对4f相位相干成像法测量光学非线性折射率的方法进行改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种不需要复杂繁琐的拟合计算而采用比较法测量材料的三阶非线性折射的装置和方法。为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是一种比较法测量三阶非线性折射的装置，包括相位光阑、主要由第一凸透镜、第二凸透镜和第一中性衰减片构成的第一光路、(XD相机,所述第一凸透镜和第二凸透镜构成光学4f系统；设有分束镜、第三凸透镜、第四凸透镜、第二中性衰减片和多个反射镜，所述第三凸透镜、第四凸透镜和第二中性衰减片构成第二光路，所述第三凸透镜和第四凸透镜构成光学4f系统；所述分束镜位于所述相位光阑后方，将光束分离至所述第一光路和第二光路，所述第一光路和第二光路的输出光分别进由所述CCD相机接收。上述技术方案中，多个反射镜的设置用于配合分束镜将光束导入第一光路和第二光路，以及将第一光路和第二光路的出射光导入CCD相机。反射镜的设置位置和方式是本领域的公知常识。
上述技术方案中，所述第一凸透镜的焦距和第三凸透镜的焦距相等，所述第二凸透镜的焦距和第四凸透镜的焦距相等。一种比较法测量三阶非线性折射的方法，采用上述装置实现，测量步骤包括(I)先将两个标准样品分别放在第一光路和第二光路的频谱面处，在CCD相机上同时记录下两个标准样品的非线性图像，获得两个标准样品的透射率变化值AT1和AT2;所述透射率变化值为非线性图像中，相位光阑的相位物体部分平均光强与相位物体外的平均光强之差；(2)取下第一光路的频谱面处的标准样品，换上待测样品，在CCD相机上同时记录下待测样品和标准样品的非线性图像，获得待测样品的透射率变化值A Ts和标准样品的透射率变化值A T；；
；\y ；\7(3)待测样品的非线性折射系数为，K式中，ns为待测样品的非线性
219 折射系数，nr为标准样品的非线性折射系数。本发明通过与原有的4f主光路并联一个相同的4f参考光路，在主光路中放置待测样品，参考光路放置标准样品，利用轴上非线性相移与透射率变化成线性关系的区域，直接通过待测样品与标准样品的非线性透射率变化相比来测得三阶非线性折射系数，从而避免拟合计算。其理论模型分析如下在4f系统的入射面上二维物体被由脉冲激光发射的归一化的线偏振单色平面波(E (X，y, t) =E0 (t) exp [-j (w t_kz) ] +c. c.)照射。如果相位物体透过率为t (x, y)，则在相位物体后表面的场为0(x, y, t) =E (x, y, t) t (x, y)，所以样品前表面场振幅为0(x, y, t)的空间傅里叶变换S(u.vJ)^4-lT\()(x,yM= -J7JJ 0(x, y, t) exp[-2n:j(nx + vy)]dxdy ⑴
人J上式中FT——傅里叶变换的符号；u为4f系统共焦面处X方向的空间频率，u=x/入f ;v是4f系统共焦面处y方向的空间频率，v=y/ A f ；f为透镜L1与L2的焦距；入为入射激光束的激发波长。只考虑三阶非线性，而且样品的厚度远远小于光束的衍射长度，则样品可以认为是薄的，脉冲激光的振幅和相位变化在样品中传播满足p =-(a0 十/ /,)/ (2)~^ 二/w/
dz' "式中q (u, V)代表虚的非线性相移，q (u, v, t) = ^ LeffI (u, v, t) ；Leff为有效长度，Leff= [1-exp (-a L)]/a ;L为介质的厚度；I(u，v，t)是光束在样品内的强度(正比于
S(u, v, t) |2)，a是线性吸收系数OiT1) 为双光子吸收系数(m/W) ;n2为非线性折射率(m2/W)。
所以在非线性介质后表面复的光场振幅可以写为Sl (u，V, t) = S(u, v, t)eaL 2 [I + q(u, v, t)]Ubl2 !m(3 )T(u, v, t)由非线性产生的复振幅响应，可以定义为
T(u,v,t) == {eaL[l + q(u,v,t)]y1'2 exp]j>NL("，v,0] (4)
S(u,v,t)其中％1>，^0是介质引起的非线性相移,其表达式为 Zr"
(P、' ("，、.’,0 = —f ln[l +￠/( /,、.’,/)](、)
P当介质是无损克尔介质时，a与@都可忽略。则方程(5)可以化简为(Pi(u，v,t) = ht2LI(u ,vj)，相似的(3)简化为=。在4f系统的出射面，像强度可以写成为Iim (x, y, t) = IU (x, y, t) 12= I A fFT-1 [SL (u, v, t) H (u, v) ] |2(6)式中FT—1表示逆傅里叶变换；H(u，v)是无散焦或像差透镜组的相干光学传递函数，H(u，V) = circ{^u2+V2XG/ Na) ； Na为透镜L1的数值孔径；G是整个系统的放大倍数。如果考虑入射光为平顶光(top-hat)，置于4f系统入射面的圆形光阑的透过率定义为ia(x,y) = CirCl^JxrVf /Ra](7)这种假设的前提是圆形孔径光阑的半径为Ra与入射光的空间扩展(高斯光的束腰半径)相比要小得多，这样是为了入射的单色平面波能通过光阑。在光阑中心加上半径为Lp(Lp<Ra)方形相位物体，所以在平顶光的中心会有的相位延迟，圆形相位光阑的透过率与为t(x,y) = Ia(x, v)exp{j^circ^x2 +y2 /LpJj(S)由公式(1)-(8)我们可以模拟出4f系统出射面上CCD探测到的像强度。对于样品产生的非线性相移由(5)式给出。对于无损克尔介质，其轴上非线性相
移^%0)为
f^NIO = J In(9)Itl是轴上光强。可以看到除n以夕丨，其他条件不变时,外Lr与n2成正比。由附图可以看到识则在0— 0. 65JI区间，AT与成线性关系。待测样品和标准样品厚度相同。因此，可得到
_ ^1NLOS _ n2S(IQ)
AJJi Pnlor n2R即
Al'.Il2, =^TnIR(11)
AIr
由此，可以简单测得待测样品的三阶非线性折射系数。由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点I.本发明通过在现有的4f光路测量三阶非线性的装置的基础上，增加一个4f 光路，作为参考光路，能很好地实现三阶非线性折射率的大小和符号的测量和判断。2.采用本发明的方法，可以直接用比较法获得三阶非线性折射系数，不需要复杂的拟合计算。
附图I是本发明实施例一中的双4f相位成像系统原理图；附图2是本发明实施例一中带圆形相位物体的相位光阑示意图；附图3为本发明实施例一中带圆形相位物体的相位光阑数值模拟的非线性图像；附图4是图3沿y=0的剖面图；附图5是本发明实施例一中AT与的关系曲线；附图6是实施例中待测样品的非线性图像剖面图；附图7是实施例中标准样品的非线性图像剖面图。
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实施例一附图I是双4f相位成像系统的实验装置图。实验装置可以分为主光路和参考光路两部分。主光路由相位光阑A、分束器BS、反射镜M1、凸透镜1^、待测样品S、凸透镜L2、中性滤光片tf\、反射镜M2、M4和CCD相机组成。其中凸透镜L1和凸透镜L2构成主光路4f系统，相位光阑A放置在4f系统的物面上，待测样品S放置在傅里叶平面上，而CXD相机在4f系统的像平面上接收脉冲图像。参考光路由相位光阑A、分束器BS、反射镜M3和M5,凸透镜L3、标准样品R、凸透镜L4、中性滤光片tf2、反射镜M6、M7和CXD相机组成。标准样品R放置在傅里叶平面上，其中凸透镜L3和凸透镜L4构成参考光路4f系统。从激光器发出的激光首先经过扩束(这部分在图I中省略了)，扩束后的激光脉冲经过相位光阑形成近top-hat光，光束经分束器分束，由凸透镜U、L3的傅里叶变换分别会聚到放置在傅里叶面上的待测样品和标准样品上，由于待测样品和标准样品的非线性折射性质使得入射的脉冲的相位发生变化。从样品后表面出射的脉冲经过凸透镜L2、L4的傅里叶逆变换由CCD相机进行接收，得到待测样品和标准样品的非线性图像。附图2所示的就是相位光阑的通常形式，相位物体为圆形(阴影部分)，通过相位物体的光束比其它部分的光束位相延迟n/2。利用双4f相位成像系统进行非线性折射率的测量分两部分进行，即能量校准和非线性测量。非线性测量的具体步骤为第一步主光路和参考光路傅里叶平面上都放置标准样品R，利用能量计可测得主、参光路的能量比。在C⑶相机上将记录他们的非线性图像，利用非线性图像可得到主、参光路的光强比。第二步取下主光路中的标准样品，将待测样品放置在主光路的傅里叶平面。参考光路依旧放置标准样品。CXD相机将记录待测样品和标准样品的非线性图像。
附图3是由带圆形相位物体的相位光阑得到的非线性图像，附图4是附图3沿y=0的剖面图。数值模拟所用的主要参数为相位物体半径与光阑半径之比P=Lp/Ra' =0. 5mm/1. 5mm ^ 0. 33, l= 31/2，待测样品非线性相移W =0.5364o AT是相位物体内部平均光强与外部平均光强之差，即透射率变化。附图5是AT与炉細的关系曲线，小L= 31/2，识勵在0—0. 65JI区间，与AT成线性关系。附图6和附图7是实验中待测样品和标准样品的非线性图像的剖面图。待测样品是甲苯，参见图6 ;标准样品是CS2，参见图7。实验条件激光波长X=532nm，(K=Ji/2，光阑半径Ra=L 5mm,相位物体半径Lp=O. 5mm。其中CS2的三阶非线性折射系数n2=3. 2X 10_18m2/ A7.’ A 7'
W, ^=0-6T=0.67，可以得出甲苯三阶非线性折射系数为n2=l. 28X 10_18m2/W。在误差范围内与文献中％=1. 1X10_V/W吻合。
权利要求
1.一种比较法測量三阶非线性折射的装置，包括相位光阑、主要由第一凸透镜、第二凸透镜和第一中性衰减片构成的第一光路、(XD相机,所述第一凸透镜和第二凸透镜构成光学4f系统；其特征在干设有分束镜、第三凸透镜、第四凸透镜、第二中性衰减片和多个反射镜，所述第三凸透镜、第四凸透镜和第二中性衰减片构成第二光路，所述第三凸透镜和第四凸透镜构成光学4f系统；所述分束镜位于所述相位光阑后方,将光束分离至所述第一光路和第二光路，所述第一光路和第二光路的输出光分别进由所述CCD相机接收。
2.根据权利要求I所述的比较法测量三阶非线性折射的装置，其特征在于所述第一凸透镜的焦距和第三凸透镜的焦距相 等，所述第二凸透镜的焦距和第四凸透镜的焦距相坐寸ο
3.—种比较法測量三阶非线性折射的方法，采用权利要求I所述装置实现，測量步骤包括 (1)先将两个标准样品分别放在第一光路和第二光路的频谱面处，在CCD相机上同时记录下两个标准样品的非线性图像，获得两个标准样品的透射率变化值AF1和ΔΓ2 ;所述透射率变化值为非线性图像中，相位光阑的相位物体部分平均光强与相位物体外的平均光强之差； (2)取下第一光路的频谱面处的标准样品，换上待测样品，在CCD相机上同时记录下待测样品和标准样品的非线性图像，获得待测样品的透射率变化值ATs和标准样品的透射率变化值AT2 ’ ； (3)待测样品的非线性折射系数为,ち=，式中,ns为待测样品的非线性折射系数，nr为标准样品的非线性折射系数。
全文摘要
本发明公开了一种比较法测量三阶非线性折射的装置和方法，所述装置包括相位光阑、第一光路、CCD相机，所述第一光路构成光学4f系统；其特征在于设有分束镜和第二光路，所述第二光路构成光学4f系统；所述分束镜位于所述相位光阑后方，将光束分离至所述第一光路和第二光路，所述第一光路和第二光路的输出光分别进由所述CCD相机接收。通过比较法，可测得待测样品的三阶非线性折射系数。本发明避免了现有技术中单4f系统所需的复杂的拟合计算，使用方便，测量结果准确。
文档编号G01N21/41GK102735648SQ201210246409
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月16日 优先权日2012年7月16日
发明者倪开灶, 刘小波, 宋瑛林, 杨俊义, 王伟 申请人:苏州大学