专利名称：基于相位物体单脉冲反射测量材料非线性的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种光学非线性材料的测量装置，具体涉及一种基于相位物体单脉冲反射测量材料非线性的装置，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：
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究日益重要。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究进展。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。
对于透过率较高的介质，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，Ali A.Said，Tai-Hui Wei，David J.Hagan，E.W.Van Stryland.“Sensitive measurementof optical nonlinearities using a single beam”，IEEE J.Quantum Elect，26，760-769(1990))光路简单、灵敏度高，是目前最常用的单光束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.Boudebs and S.Cherukulappurath，“Nonlinear optical measurementsusing a 4f coherent imaging system with phase object”，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。相位物体Z-scan(Junyi Yang and Yinglin Song，“Directobservation of the transient thermal lensing effect using the PO Z-scan”Vol.34，No.2，Doc.ID 100701)是在原有传统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。然而，上述几种测量方法及其装置都是通过测量透射光的变化来测量介质的光学非线性，对于透过率很低的介质以及研究介质表面光学非线性是不适用的。
1994年，D.V.Petrov等人提出了测量介质表面光学非线性的反射Z扫描法(D.V.Petrov，A.S.L.Gomes，and Cid B.de Arabjo，“ReflectionZ-scan technique for measurements of optical properties of surfaces”，Appl.Phy.Lett.65，1067(1994))，然而，这种方法及其装置和传统的透射Z扫描法一样，需要样品在激光传播方向的移动，需要激光多次激发，容易损伤介质的表面；此外，由于是对反射光的测量，反射面在测量的过程中要移动，这就增大了测量的难度并影响了测量的准确性。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种基于相位物体单脉冲反射测量材料非线性的装置，以准确测量介质表面的光学非线性。
为达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是一种基于相位物体单脉冲反射测量材料非线性的装置，入射激光通过第一分束镜分成两束，一束为监测光，由第一探测器记录，另一束光经过相位物体后被透镜聚焦到待测样品上，被待测样品表面反射的脉冲光被第二分束镜分成两路，一路直接由第二探测器记录，另一路通过一个中心和光轴重合的小孔光阑后进入第三探测器；所述待测样品位于透镜的焦平面上，所述相位物体放在所述透镜前。
上文中，当相位物体的相位延迟大约为0.5π，大小大约为入射光斑束腰半径的0.1倍时，系统的测量精度达到最高，因此可以根据实际情况进行调节。
上述技术方案中，所述相位物体放在所述透镜的前焦面上。以便于计算。
上述技术方案中，所述小孔光阑的半径等于所述相位物体的远场衍射光斑的半径。
本实用新型的工作原理是非线性样品受到脉冲光的作用后，材料的吸收系数和折射率发生变化，导致被样品反射的光场的振幅和相位发生变化，激光的光强越强，反射光的振幅和相位变化越大，由第二探测器直接收集的反射光的能量就会和线性情况不同。同时，根据相衬原理，非线性相移的变化在远场就表现为衍射光斑内光场振幅的变化，从而就会引起小孔的透过率的变化，另外，振幅和相位的变化与材料的非线性折射和吸收的符号有关，所以，在焦平面位置，无需移动样品，在一个单脉冲的作用下，通过测量归一化的开孔和闭孔非线性反射率，就可以同时得到样品的非线性折射和吸收的系数和符号。
由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有的优点是 1、本实用新型实现了对材料的非线性折射和吸收系数的测量，可广泛应用于介质界面非线性光学以及薄膜非线性光学测量的研究领域，不仅能够保证测试结果准确，极大地减小测量的误差，测试速度快捷，而且能够极大的降低成本。
2.本实用新型的光路简单，没有样品的移动，灵敏度高，且测量非常方便，理论模型简单。
3.本实用新型采用单脉冲测量，不易损伤介质的表面，可保证测量的准确性。
附图1是本实用新型实施例一的装置图； 附图2是本实用新型实施例一中相位物体的示意图； 附图3是本实用新型实施例一中入射光在待测样品内反射的示意图。
其中1、入射激光；2、第一分束镜；3、第一探测器；4、相位物体；5、透镜；6、待测样品；7、第二分束镜；8、第二探测器；9、小孔光阑；10、第三探测器。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述 实施例一 参见图1～3所示，一种基于相位物体单脉冲反射测量材料非线性的装置，入射激光1通过第一分束镜2分成两束，一束为监测光，由第一探测器3记录，另一束光经过相位物体4后被透镜5聚焦到待测样品6上，被待测样品6表面反射的脉冲光被第二分束镜7分成两路，一路直接由第二探测器8记录，另一路通过一个中心和光轴重合的小孔光阑9后进入第三探测器10；所述待测样品6位于透镜5的焦平面上，所述相位物体4放在所述透镜5前的任一位置。所述相位物体4放在所述透镜5的前焦面上。所述小孔光阑9的半径等于所述相位物体4的远场衍射光斑的半径。
具体的检测步骤为 (1)将待测样品6放在靠近透镜5的位置，利用第二探测器8和第三探测器10分别测量开孔和透过小孔光阑9的能量，同时利用第一探测器3测量监测光的能量，将第二探测器8和第三探测器10所测得的能量除以第一探测器3的能量，得到两个能量比值； (2)将待测样品6放在透镜5的焦平面的位置，利用第二探测器8和第三探测器10分别测量开孔和透过小孔光阑9的能量，同时利用第一探测器3测量监测光的能量，将第二探测器8和第三探测器10所测得的能量除以第一探测器3的能量，得到另外两个能量比值； (3)将步骤(2)中的两个比值分别除以步骤(1)中的两个比值，得到样品开孔和透过小孔归一化的非线性反射率；在通过数值模拟，得出待测样品的非线性折射和吸收系数。
在本实施例中，入射激光为Nd:YAG激光器(Ekspla，PL2143B)倍频以后的532nm激光，脉宽21ps，型号为(Rjp-765energy probe)的探测器连接在能量计(Rj-7620 ENERGY RATIOMETER，Laserprobe)上；所述待测样品为在单晶硅片基片表面以静电自组装技术制备的30-双层CuPc(COONa)4/PDDA薄膜。
对于CuPc(COONa)4/PDDA薄膜非线性测量的实验和理论计算具体过程如下 假设入射光束为基模高斯光，其场强表达式为 式中，E0为脉冲激光的最大场强值，r为光束的半径，ωe为入射光束的束腰半径，τ为脉冲光1/e半宽的时间。
相位物体的透过率为
式中，
为相位物体的相位延迟。
相位物体后表面的场强分布为 E01(r，t)＝E(r，t)t(r).(3) 由于相位物体放在透镜前焦面，则传播到样品前表面的光场可直接通过傅立叶-贝塞尔变换得到， 式中，f为透镜的焦距，J0为零阶贝塞尔函数。
通常来说，反射光束的改变是由于表面效应(反射系数的改变)或者体效应(传播到薄膜里面的光波多次反射后振幅和相位的改变)引起的，如果反射光束的改变只是由表面效应引起的，菲涅尔反射系数包括了由非线性引起的折射率和吸收系数的改变，有效地反射系数可以表示为
其中
为复折射率，n0和α0为材料的线性折射率和线性吸收系数，n2和β为材料的非线性折射率和非线性吸收系数，θ为入射角。
如果非线性主要是由体效应引起的，比如硅片上镀一层透明薄膜，因为我们关心的是非线性情况与线性情况的比值，为了简化分析，可以忽略薄膜表面反射并假设入射光在样品内部只经历一次反射，而且基底后表面的反射可以忽略，参考附图3，这样，有效的反射系数可以表示为 其中 El(r1，t)为在基底表面反射的光场，L为样品的厚度，n1为基底的线性折射率。则反射光的光场可以表示为 EL(r1，t)＝E02(r1，t)Re(r1，t)(7) 对于线性情况，只考虑线性衰减，则反射光的光场可以表示为 线性情况下被样品反射的光传播到小孔光阑处的光场可通过菲涅尔衍射公式得到 同样，非线性情况下小孔光阑处的光场为 式中，d为远场小孔光阑到透镜焦点的距离。
对小孔处的光强在空间和时间上进行积分，可得到透过小孔的能量。将考虑样品非线性的和不考虑非线性情况下得到的透过小孔的能量相比，就得到归一化的闭孔反射率 Ra为小孔光阑的半径大小。
开孔情况下，直接对样品表面反射光在空间和时间上进行积分，得到开孔能量，将考虑样品非线性的和不考虑非线性情况下得到的开孔能量相比，就得到归一化的开孔反射率 R1为样品上光斑的半径大小。
对归一化的开孔和闭孔反射率同时进行拟合，就可以得到样品的非线性折射和吸收系数。
在本实施例一中，入射激光能量为0.8μJ，相位物体的半径为0.5mm，相位延迟为
相位物体前入射光束的束腰半径为2.8mm，远场小孔到焦点的距离为0.8m，小孔的半径为1mm。实验测得开孔和闭孔归一化的非线性反射率分别为0.5981和1.2553。改变样品非线性折射系数n2，使得理论计算的非线性透过率和实验测得的相吻合，可得的非线性吸收系数为β＝1.4×10-7m/W，非线性折射系数为n2＝4.2×10-15m2/W，和文献报道上的值一致。(参见文献Y.Li，Y.Song，T.Wei，C.He，X.Zhang，Y.Wang，K.Yang，M.Shen and J.Yang，“Measurements of the third-ordernonlinearity of inhomogeneous samples using the nonlinear-imagingtechnique with phase object，”Appl.Phys.B 91(2008)119-122.)
权利要求1.一种基于相位物体单脉冲反射测量材料非线性的装置，其特征在于入射激光(1)通过第一分束镜(2)分成两束，一束为监测光，由第一探测器(3)记录，另一束光经过相位物体(4)后被透镜(5)聚焦到待测样品(6)上，被待测样品(6)表面反射的脉冲光被第二分束镜(7)分成两路，一路直接由第二探测器(8)记录，另一路通过一个中心和光轴重合的小孔光阑(9)后进入第三探测器(10)；所述待测样品(6)位于透镜(5)的焦平面上，所述相位物体(4)放在所述透镜(5)前。
2.根据权利要求1所述的基于相位物体单脉冲反射测量材料非线性的装置，其特征在于所述相位物体(4)放在所述透镜(5)的前焦面上。
3.根据权利要求1所述的基于相位物体单脉冲反射测量材料非线性的装置，其特征在于所述小孔光阑(9)的半径等于所述相位物体(4)的远场衍射光斑的半径。
专利摘要本实用新型公开了一种基于相位物体单脉冲反射测量材料非线性的装置，入射激光通过第一分束镜分成两束，一束为监测光，由第一探测器记录，另一束光经过相位物体后被透镜聚焦到待测样品上，被待测样品表面反射的脉冲光被第二分束镜分成两路，一路直接由第二探测器记录，另一路通过一个中心和光轴重合的小孔光阑后进入第三探测器；所述待测样品位于透镜的焦平面上，所述相位物体放在所述透镜前的任一位置。本实用新型实现了对非线性折射和吸收系数的测量，可广泛应用于介质界面非线性光学以及薄膜非线性光学测量的研究领域。
文档编号G01N21/17GK201532359SQ20092004694
公开日2010年7月21日 申请日期2009年7月1日 优先权日2009年7月1日
发明者宋瑛林, 李常伟, 税敏, 金肖, 杨俊义, 王玉晓, 张学如 申请人:苏州大学