一种可区分折射符号的高灵敏度测量材料光学非线性的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种利用光学手段在来测试或分析材料的方法，具体涉及一种研宄材 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】
[0002] 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宄。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宄则需要借助于各种 光学非线性测量技术。光学非线性测量技术是研宄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（MansoorSheik-Bahae,AliA.Said,Tai-HuiWei,DavidJ.Hagan,E.ff.Van Stryland."Sensitivemeasurementofopticalnonlinearitiesusingasinglebeam IEEEJ.QuantumElect, 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的确定材 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。
[0003] 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,andE.ff.VanStryland，"Time-resolved Z-scanmeasurementsofopticalnonlinearities''，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（P0)泵浦探测方法（JunyiYang,YinglinSong, YuxiaoWang,ChangweiLi,XiaoJin,andMinShui.Time-resolvedpump-probe technologywithphaseobjectformeasurementsofopticalnonlinearities.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-P0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高精度 的泵浦探测技术能克服传统时间分辨Z-scan及P0泵浦探测技术的缺点。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种可区分折射符号的高灵敏度测量材料光学非线性的方 法，用于材料光学非线性的测量，能同时测量非线性吸收和非线性折射，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。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种可区分折射符号的高灵敏度测 量材料光学非线性的方法，把激光束分为两束，一束光强比较强，一束光强比较弱。光强较 强一束为泵浦光，较弱的一束为探测光，泵浦光经过时间延迟聚焦到待测样品上，使处于基 态的非线性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光路中透镜的焦 平面上，出射的探测光经一分光镜分为两束，一束进入探测器，另一束通过一个中心和光轴 重合的圆形挡板后进入另外一个探测器；其测量步骤为： ① 放上待测样品，用两个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。
[0006] 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 及挡板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，光斑经过挡板后的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，通过对挡板归一化随延 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。
[0007] 其中上述技术方案中，所述圆形挡板的大小要根据探测光路远场处的主光斑的大 小进行调节，让边缘的衍射光通过，挡板组合后的透过率小于〇. 01。
[0008] 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。
[0009] 其中，所述直角棱镜的移动范围为0到30cm，时间延迟范围为-200ps到1. 8ns。 [0010] 优选的技术方案，所述的挡板大小以既能提高系统灵敏度，又能区分非线性折射 信号的符号为准。
[0011] 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0在3°到8° 范围内。
[0012] 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。由于在材料在一定的位置引起远场 光斑变化能达到最大，因此我们将样品放置在偏离透镜焦平面的位置，而不是现有的技术 一样放置在透镜的焦平面。
[0013] 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点： 1.系统测量灵敏度高，比Z-scan和P0泵浦探测技术高一个数量级。
[0014] 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，既能提高系统的灵敏 度，又能区分材料非线性折射的符号。以往提出的提高灵敏度的方法不能区分非线性折射 的符号。
[0015] 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。
[0016] 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