一种利用变化的小孔测量材料光学非线性的方法
【技术领域】
[0001] 本发明所涉及的是一种测量材料的光学非线性的方法，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] 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宄日益 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宄进展。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。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、相位物体Z-scan等。其中Z扫描方法(Mansoor Sheik-Bahae，AliA.Said,Tai-HuiWei,DavidJ.Hagan,E.W.VanStryland. "Sensitivemeasurementofopticalnonlinearitiesusingasinglebeam''，IEEE J.QuantumElect，26，760-769 (1990))光路简单、灵敏度高，是目前最常用的平顶光 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。4f相位相干成像系统（G.BoudebsandS. Cherukulappurath,"Nonlinearopticalmeasurementsusinga4fcoherentimaging systemwithphaseobject"，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。但这种方 法需要对采集的图像进行比较复杂的处理，而且对CCD的要求比较高，增加了测量方法的 成本。P0Z-scan技术（JunyiYangandYinglinSong,"Directobservationofthe transientthermal-lensingeffectusingthephase-objectZ-scantechnique"， OpticsLetters, 34:157-159(2009))就是在传统Z-scan的基础上，在透镜的前焦面的位 置加一个相位物体。与传统Z-scan相比，所测量材料非线性折射的结果由传统Z-scan的 峰谷特征曲线变成了单峰或单谷特征曲线。和传统Z-scan-样，这种测量方法也需要样品 在激光传播方向的移动。本发明提出一种无需样品移动，通过改变远场小孔的大小就能测 量材料的光学非线性。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种利用可调小孔测量材料非线性的方法，在不需要移动样 品的前提下，简单而准确地测量材料的非线性折射和非线性吸收。
[0004] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种利用可调小孔测量材料非线性 的方法，一种高灵敏度单脉冲平顶光测量材料非线性的方法，将激光束先进行扩束，经过一 圆形小孔后，获得一束平顶光束，将平顶激光脉冲分为两束，一束为监测光，由第一探测器 记录，另一束光为探测光，经透镜作用到待测样品上，使待测样品产生光学非线性；所述待 测样品位于光路中透镜的焦点后一定距离处，出射的脉冲光被第二分束器分为两束，一束 经透镜会聚后被第二探测器接收(开孔)，另外一束通过一个中心和光轴重合的可调小孔后 经凸透镜会聚后进入第三探测器（闭孔）；测量步骤为： (1)在探测光路中透镜后远离焦点的位置放上待测样品，用三个探测器测量脉冲光能 量，并分别计算出第二探测器所测能量和第三探测器所测能量与第一探测器所测能量的比 值； ⑵在探测光路的透镜的焦点后的一定距离的位置放上待测样品，调节小孔的大小，同 时用三个探测器测量脉冲光能量，并分别计算出第二探测器所测能量和第三探测器所测能 量与第一探测器所测能量的比值； ⑶对步骤(1)和⑵中获得的比值进行处理，获得所需的检测材料的光学非线性吸收和非 线性折射系数。
[0005] 上述技术方案中，所述步骤⑶中的处理包括，将步骤⑵中得到的比值与步骤⑴中 得到的对应的比值相除(分为开孔能量的比值和闭孔能量的比值)，得到样品归一化的非线 性透过率，对归一化的非线性透过率进行理论拟合得到非线性吸收和非线性折射系数。
[0006] 上述技术方案中，所述圆孔的大小可随意调节。
[0007] 优选的技术方案，所述产生平顶光的小孔和可调小孔到透镜的距离符合透镜成像 公式为优选。
[0008] 优选的技术方案，样品的位置使材料发生光学非线性时在远场光斑的变化达到最 大值。
[0009] 本发明的技术方案中，非线性样品受到脉冲光的作用后，材料的吸收和折射性质 发生变化，产生光学非线性。在薄样品近似的条件下，能量只与非线性吸收有关，非线性折 射对能量的影响可以忽略不计，因为开孔测量的是整个能量的变化，与非线性折射无关，所 以开孔的透过率与材料的非线性吸收相关。另一方面，样品产生的非线性相移随激光的光 强的变化而变化。这样，在离焦平面一定距离处样品就相当于一个透镜，会引起远场衍射光 斑的光强分布变化，通过改变远场小孔的大小，就能将这种由非线性引起的变化测量出来， 从而获得材料的非线性系数。待测样品放置在使远场光斑变化最大的位置，无需移动样品， 通过测量改变小孔引起的能量变化就可以得到样品的非线性吸收系数。
[0010] 本发明方法用一种全新的思路实现了对光学非线性的测量，同其他非线性光学测 量技术相比，具有以下优点： 本发明在测量过程中样品无需移动，通过改变远场小孔的大小就能测量材料的光学非 线性； 本发明的测量方法非常方便，理论模型简单； 采用本发明的方法，可以同时测量样品非线性吸收和非线性折射的大小； 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宄领域，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，可以极大地减少测量成本(无需移动平台和CCD)，并能够保证测试 参数全面，测试结果准确。
【附图说明】
[0011] 附图1是本发明实施例一中的一种利用变化的小孔测量材料光学非线性的方法 的工作原理图，其中：1、入射激光束；2、凸透镜；3、凸透镜；4、小孔5、第一探测器；6、分束 器；7、凸透镜；8、待测样品；9、第二分束器；10、凸透镜；11、第二探测器；12、圆形小孔；13、 凸透镜；14、第三探测器； 附图2是本发明实施例一中的可调大小的圆形小孔示意图； 附图3为本发明实施例一中测量非线性折射随小孔大小变化的透过率曲线。
【具体实施方式】
[0012] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述： 实施例一：参见附图1所示，一种利用变化的小孔测量材料光学非线性的方法，光路由 分束器，凸透镜，可调小孔，探测器组成；待测样品位于透镜焦点后一定距离。
[0013] 附图1是一种利用变化的小孔测量材料光学非线性的方法的实验装置图。实验装 置可以分为扩束系统、测量系统和参考系统三部分。扩束系统是由凸透镜2和凸透镜3组 成；测量系统由小孔4、凸透镜7、待测样品8、第二分束器9、凸透镜10、第二探测器11、可调 小孔12、凸透镜13和第三探测器