一种改进的z扫描非线性测量的实验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超强超快激光脉冲在非线性光学方面的应用技术领域，尤其涉及一种改进的Z扫描非线性测量的实验装置及方法。
【背景技术】
[0002]激光器的发明是20世纪物理学最重大的成就之一，激光器问世以后提供了超强的电场，特别是当光波的电场强度可与原子内部的库仑场强度相比拟时，许多新奇的光学现象产生了，例如介质的吸收系数不再是一个常数，而与光强有依赖关系，这时一个新的学科出现了一一非线性光学，非线性光学主要研宄的是强光与物质的相互作用。同时，如此大的光强很容易损坏精密仪器，特别是人的眼睛，为了保护精密仪器，光进入精密仪器之前需要加一个光学限幅器。一个理想的光学限幅器:当光较弱时，几乎没有吸收，让大部分光进入仪器便于观察和探测，而当光较强时，限幅器便几乎吸收掉所有的光，只有一小部分进入仪器，这样就可以保护人眼和精密仪器探头，不致被强光损坏。因此，寻找具有大的非线性吸收系数的材料便成了一个前沿研宄热点。
[0003]Z扫描技术是研宄非线性光学系数的一种重要方法，它建立于光束空间畸变的原理基础之上，采用单光束测量，由远场透射率(T/%)的变化可直观判断非线性吸收系数和折射率的符号，利用公式拟合，可以直接得到它们的大小。单光束Z扫描方法光路简单，且灵敏度高。更引人注目的是这种测量技术功能强大，它可以测量非线性折射率和非线性吸收系数，即X (3)的实部和虚部。所以自1989年由Μ.Sheik-Bahae等人提出以来，迅速得到完善和发展，并被相继应用到了光折变非线性效应的研宄、激光束质量的检测等方面，是一种非常实用的实验手段。
[0004]Z扫描方法的基本实验装置又分为开孔和闭孔两种情况，分别测量非线性吸收系数和非线性折射率。飞秒激光器输出的高斯型光束经会聚透镜后进入样品，样品放置在一个可以沿Z轴前后移动的单轴电动平移台上，样品随电动平移台一起移动，透过样品的光由透镜收集全部进入探测器，然后由锁相放大器放大后电脑直接读出。改变Z轴的坐标，即样品的位置，由于介质的非线性吸收导致进入探测器的光强不同，可以得到一条透射率T与样品位置Z的曲线，这就是开孔Z扫描。开孔Z扫描中探测器接收到的光强变化完全由非线性吸收引起，因此这种方法可以得到非线性吸收系数。另外，如果在探测器前放置一个同心圆孔，只允许部分透射光进入到探测器，这就是闭孔Z扫描。闭孔Z扫描中光强的变化主要由折射率不均匀引起的，可以测量非线性折射率。
[0005]但是，之前报道的开孔和闭孔Z扫描均分两次测量，不仅浪费时间，增加激光器等昂贵仪器的使用时间。更重要的是无法保证吸收系数和折射率是在完全相同的实验条件下获得，在去除非线性吸收对闭孔Z扫描影响时，会引入更大的误差。
【发明内容】
[0006]本发明的目的就是为了解决上述技术问题，提供了一种改进的Z扫描非线性测量的实验装置及方法，该装置完成了开孔和闭孔Z扫描测量工作，同时获得待测样品的非线性吸收系数和折射率这两个参数的符号和大小。
[0007]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0008]一种改进的Z扫描非线性测量的实验装置，包括:
[0009]放置待测样品的控制台，所述控制台在电机控制下沿平行于激光的主光轴的Z轴前后移动；
[0010]激光器，沿着所述激光器发出激光的主光轴方向依次设有斩波器、第一透镜、分束镜和第一探测器；所述分束镜和第一探测器之间设有光阑，激光的主光轴穿过光阑的孔径中心；所述分束镜所在的平面与激光主光轴方向的夹角为锐角，所述分束镜的反射光路中依次设有第二透镜和第二探测器；所述第一探测器与第一锁相放大器相连，所述第二探测器与第二锁相放大器相连，第一锁相放大器和第二锁相放大器均与PC机相连。
[0011]所述分束镜所在的平面与激光主光轴方向的夹角设为45度。
[0012]所述第一探测器和第二探测器为全同探测器。
[0013]所述待测样品为透明样品或半透明样品。
[0014]一种基于改进的Z扫描非线性测量的实验装置的实验方法，包括:
[0015]步骤(I):启动改进的Z扫描非线性测量的实验装置；
[0016]步骤(2):调整待测样品，将待测样品放置于第一透镜与分束镜之间，且使待测样品的表面与激光器发射的激光的主光轴方向垂直；部分激光透过分束镜，调节光阑，使光阑平面垂直于激光的传播方向，而且光轴穿过光阑的中心后进入第一探测器，由分束镜反射的激光通过第二透镜全部收集进入第二探测器；
[0017]步骤(3):当待测样品在电机驱动控制下沿平行于激光的主光轴的Z轴前后移动时，进入第一探测器的激光转换为电信号后，再经过第一锁相放大器放大后传输至PC机中绘制出闭孔Z扫描曲线，获得待测样品的非线性折射率的大小和符号；进入第二探测器的激光转换为电信号后，再经过第二锁相放大器放大后传输至PC机中绘制出开孔Z扫描曲线，获得待测样品的非线性吸收系数的大小和符号。
[0018]所述激光入射到分束镜上的入射角选择45度。
[0019]所述激光器发射的激光为高斯型激光脉冲。
[0020]当激光器发射出高斯型激光脉冲且样品沿Z轴从-Z向+Z移动时，若闭孔Z扫描曲线的形状为先谷后峰，则待测样品的非线性折射率大于O;若闭孔Z扫描曲线的形状为先峰后谷，则待测样品的非线性折射率小于O。
[0021]当激光器发射出高斯型激光脉冲且样品沿Z轴从-Z向+Z移动时，若开孔Z扫描曲线为关于Z = O轴对称的谷型曲线，则待测样品的非线性吸收系数大于O ;若开孔Z扫描曲线为关于Z = O轴对称的峰型曲线，则待测样品的非线性吸收系数小于O。
[0022]本发明有益效果:
[0023](I)本实验装置光路简单，没有复杂的光学仪器，操作容易；锁相放大器和斩波器的使用大大提高了信噪比，可以探测到极其微弱的光信号；
[0024](2)本实验装置实现了一次性完成非线性吸收系数和非线性折射率两个参数的测量工作，节约了实验时间，减少了激光器等精密仪器的使用时间，节约了实验成本，而且降低了激光器不稳定等带来的噪声；
[0025](3)本发明透过样品的激光经过分束镜分为光强相等的两个分量，两个分量分别进入两个全同的光电探测器，信号经锁相放大器放大后由电脑直接读出，同时获得非线性吸收系数和非线性折射率两个参数的大小和符号。
【附图说明】
[0026]图1是本发明的实验结构示意图；
[0027]图2是开孔Z扫描原理图；
[0028]图3是闭孔Z扫描原理图。
[0029]其中，1、斩波器，2、第一透镜，3、待测样品，4、分束镜，5、光阑，6、第一探测器，7、第二透镜，8、第二探测器，9、第一锁相放大器，10、第二锁相放大器，11、PC机，12、电机，13、斩波器控制器。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明:
[0031]如I图所示，一种改进的Z扫描非线性测量的实验装置，包括:放置待测样品3的控制台，所述控制台在电机控制下沿平行于激光的主光轴的Z轴前后移动；
[0032]激光器，沿着所述激光器发出激光的主光轴方向依次设有与斩波器控制器13相连的斩波器1、第一透镜2、分束镜4和第一探测器6 ;所述分束镜4和第一探测器6之间设有光阑5，激光的主光轴穿过光阑5的孔径中心；所述分束镜4所在的平面与激光主光轴方向的角为锐度，所述分束镜4的反射光路中依次设有第二透镜7和第二探测器8 ;所述第一探测器6与第一锁相放大器9相连，所述第二探测器8与第二锁相放大器10相连，第一锁相放大器9和第二锁相放大器10均与PC机11相连。
[0033]所述分束镜4所在的平面与激光主光轴方向的角度设为45度，这样使得透过样品的激光经过分束镜分为光强相等的两个分量。
[0034]所述第一探测器6和第二探测器8为全同探测器。
[0035]所述待测样品3为透明样品或半透明样品。
[0036]一种基于Z扫描非线性测量实验装置的实验方法，包括:
[0037]一种基于改进的Z扫描非线性测量的实验装置的实验方法，包括:
[0038]步骤(I):启动改进的Z扫描非线性测量的实验装置；
[0039]步骤(2):调整待测样品，将待测样品放置于第一透镜和分束镜之间，且待测样品的表面与激光的主光轴方向垂直；部分激光透过分束镜，调节光阑，使光阑平面垂直于激光的传播方向，而且透射激光的主光轴穿过光阑的中心后进入第一探测器，由分束镜反射的激光通过第二透镜全部收集进入第二探测器；其中，激光入射到分束镜的入射角度最佳为45度，这