光学材料的热弛豫时间的测量方法和装置以及测量设备与流程

本申请涉及微纳光学领域，尤指一种光学材料的热弛豫时间的测量方法和装置以及测量设备。

背景技术：

光学微腔是一种微纳尺度的光学谐振腔，把满足共振条件的光场束缚在固定的空间，根据谐振腔的束缚机制不同，大致将光学微腔分为三种：法布里珀罗腔、回音壁模式光学微腔和光子晶体腔。其中，回音壁模式光学微腔是利用光从光密介质到光疏介质的全反射条件下，把光束缚在微腔内形成的行波共振腔。目前，回音壁模式光学微腔根据制备方法、几何形状和腔体材料不同，可以分为基于光纤的光学微腔，如微球腔(microsphere)、微泡腔(microbubble)；基于半导体硅片的光学微腔，如微盘腔(microdisk)、微环腔(microring)、微芯圆环腔(microtoroid)等；其中，微腔的制备材料可以是硅、二氧化硅、氮化硅、铌酸锂、二氧化钛等。这种基于芯片可集成的回音壁模式光学微腔的超高品质因子(10⁸)，超低模式体积，低输入功率下，光场在微米尺度空间被共振增强，从而会产生明显的非线性光学效应，其中，微腔中比较典型的非线性效应是光热效应(opto-thermaleffect)，光热效应导致微腔共振波长发生移动，从而导致原来的共振光不再与光学微腔共振，即共振光无法耦合进入光学微腔。

目前，对热光效应的研究和应用主要有：2004年在微芯圆环腔(microtoroid)上观察到光热效应及其双稳态，2008年通过在二氧化硅腔表面覆盖有机聚酯材料对光热效应进行补偿抵消，2009年对耦合微腔系统光热不稳定性研究，2013年利用微腔光热效应来做热传感器以及波长调控，2014年利用微腔光热效应探测红外光，2016年利用光学微腔中的两个相邻模式之间频率差测量微腔热弛豫时间。其中，测量微腔热弛豫时间的方法需要特意选择光学微腔，要求能够同时存在两个相邻的光学模式，并且假设这两个模式之间频率差在不同输入光强，偏振或者耦合条件下不发生变化，要得到弛豫时间，还需要大量测量在不同条件下光学模式频率差，然后再进行指数拟合，拟合之后才能得到微腔的热弛豫时间，此方法受到微腔本身光学模式分布特征的限制，并且需要采集大量数据信息，无法实时快速测量热弛豫时间，并且这种方法不具有通用性，不具有实际工程应用价值。

技术实现要素：

本申请提供了一种光学材料的热弛豫时间的测量方法和装置以及测量设备，能够简单、高精度、快速的测量热弛豫时间。

本申请提供了一种测量设备，包括：

函数信号发生器，用于输出第一扫描波和第二扫描波；

激光器控制器，用于采用第一扫描波控制第一激光器输出的泵浦光的波长；采用第二扫描波控制第二激光器输出的信号光的波长；

第一激光器，用于输出泵浦光；

第二激光器，用于输出信号光；

第一可协调光衰减器，用于调节泵浦光的光强；

第二可协调光衰减器，用于调节信号光的光强；

第一偏振片，用于对光强调节后的泵浦光进行偏振处理得到泵浦光的偏振光；

第二偏振片，用于对光强调节后的信号光进行偏振处理得到信号光的偏振光；

光纤耦合器，用于对泵浦光的偏振光和信号光的偏振光进行合并，将合并后的光通过锥形光纤耦合到光学微腔；耦合到光学微腔的光再从光学微腔耦合到锥形光纤中；

光纤波分复用器，用于将锥形光纤出射的光按波长分离成泵浦光和信号光；

第一光电探测器，用于对泵浦光进行光电转换得到泵浦光的电信号；

第二光电探测器，用于对信号光进行光电转换得到信号光的电信号；

示波模块，用于读取并显示泵浦光的电信号和信号光的电信号。

可选的，所述第一激光器和所述第一可协调衰减器之间、所述第一可协调衰减器和所述第一偏振片之间、所述第一偏振片和所述光纤耦合器之间、所述光纤耦合器和所述锥形光纤之间、所述第二激光器和所述第二可协调衰减器之间、所述第二可协调衰减器和所述第二偏振片之间、所述第二偏振片和所述光纤耦合器之间、所述光纤耦合器和光纤波分复用器之间、所述光纤波分复用器和第一光电探测器之间、所述光纤波分复用器和所述第二光电探测器之间均通过光纤连接；

所述第一光电探测器和所述示波模块之间、所述第二光电探测器和所述示波模块之间通过同轴电缆连接；

所述函数信号发生器和所述激光器控制权之间通过专用通用接口总线gpib控制线连接。

可选的，所述示波模块为示波器。

本发明实施例提出了一种光学材料的热弛豫时间的测量方法，应用于上述任意一种测量设备，所述测量方法包括：

当第一激光器输出的泵浦光处于第一共振模式持续扫描泵浦状态，且第二激光器输出的信号光锁定于第二共振模式的共振点时，获取信号光的透射谱，根据信号光的透射谱确定光学微腔的热弛豫时间。

可选的，所述测量方法还包括：

改变第一共振模式和第二共振模式，重复上述过程得到不同的第一共振模式和第二共振模式对应的热弛豫时间；

根据不同第一共振模式和第二共振模式对应的热弛豫时间确定光学微腔的热弛豫时间。

可选的，所述根据透射谱确定光学微腔的热弛豫时间包括：

采用所述透射谱按照公式进行拟合得到所述光学微腔的热弛豫时间；

其中，t(t)为所述透射谱中t时间对应的归一化电压值，κ0为光在所述光学微腔内的损耗，κe为光与所述光学微腔的耦合损耗，t为时间，t0为拟合参数，x0为拟合参数，τ为热弛豫时间。

本发明实施例提出了一种光学材料的热弛豫时间的测量装置，应用于上述任意一种测量设备，所述测量装置包括：

获取模块，用于当第一激光器输出的泵浦光处于第一共振模式持续扫描泵浦状态，且第二激光器输出的信号光锁定于第二共振模式的共振点时，获取信号光的透射谱；

确定模块，用于根据信号光的透射谱确定光学微腔的热弛豫时间。

可选的，所述获取模块还用于：

改变第一共振模式和第二共振模式，重复上述过程得到不同的第一共振模式和第二共振模式对应的透射谱；

所述确定模块还用于：

根据不同第一共振模式和第二共振模式对应的透射谱确定不同的第一共振模式和第二共振模式对应的热弛豫时间；

根据不同第一共振模式和第二共振模式对应的热弛豫时间确定光学微腔的热弛豫时间。

可选的，所述确定模块具体用于：

采用所述透射谱按照公式进行拟合得到所述光学微腔的热弛豫时间；

其中，t(t)为所述透射谱中t时间对应的归一化电压值，κ0为光在所述光学微腔内的损耗，κe为光与所述光学微腔的耦合损耗，t为时间，t0为拟合参数，x0为拟合参数，τ为热弛豫时间。

本发明实施例提出了一种终端，包括处理器和计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当所述指令被所述处理器执行时，实现上述任意一种光学材料的热弛豫时间的测量方法。

本发明实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任意一种光学材料的热弛豫时间的测量方法的步骤。

与相关技术相比，本申请包括：当第一激光器输出的泵浦光处于第一共振模式持续扫描泵浦状态，且第二激光器输出的信号光锁定于第二共振模式的共振点时，获取信号光的透射谱，根据信号光的透射谱确定光学微腔的热弛豫时间。通过本申请的方案，采用处于第一共振模式持续扫描泵浦状态的泵浦光和锁定于第二共振模式的共振点的信号光简单、快速的实现了热弛豫时间的测量，对光学微腔没有任何特殊的要求，并且，获得了高精度的热弛豫时间。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本申请测量设备的结构组成示意图；

图2为本申请光学材料的热弛豫时间的测量方法的流程图；

图3为本申请激光器输出的光处于共振模式时的洛伦兹曲线示意图；

图4(a)为本申请热弛豫时间的测量原理示意图；

图4(b)为本申请测得的透射谱曲线示意图；

图5为本申请光学材料的热弛豫时间的测量装置的结构组成示意图；

图6为本申请终端的结构组成示意图。

具体实施方式

下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

光热效应是指光学材料的折射率受温度影响所产生的效应。不同材料的光热效应不同，有的材料具有正的光热系数，比如二氧化硅，这种材料当温度升高时，折射率随着增加，共振波长也随之变大，即共振模式发生红移；有点材料具有负的光热系数，这种材料当温度升高时，折射率随着减小，共振波长也随之变小，即共振模式发生蓝移。

对于光学微腔，当光场被光学微腔共振吸收时，会引起光学微腔温度发生变化，从而导致光学微腔的折射率发生变化。根据光学微腔的工作条件，折射率发生变化后，会导致光学微腔的共振波长发生移动，使得原来的共振光不再与光学微腔共振，即无法耦合进入光学微腔；光无法进入光学微腔后，光学微腔的温度随之下降，从而导致光学微腔共振波长再次发生移动，使得原来的共振光重新与光学微腔产生共振，即重新耦合进入光学微腔。

参见图1，本发明实施例提出了一种测量设备，包括：

函数信号发生器，用于输出第一扫描波和第二扫描波；

激光器控制器，用于采用第一扫描波控制第一激光器输出的泵浦光的波长；采用第二扫描波控制第二激光器输出的信号光的波长；

第一激光器，用于输出泵浦光；

第二激光器，用于输出信号光；

第一可协调光衰减器(variableopticalattenuator)，用于调节泵浦光的光强；

第二可协调光衰减器，用于调节信号光的光强；

第一偏振片，用于对光强调节后的泵浦光进行偏振处理得到泵浦光的偏振光；

第二偏振片，用于对光强调节后的信号光进行偏振处理得到信号光的偏振光；

光纤耦合器，用于对泵浦光的偏振光和信号光的偏振光进行合并，将合并后的光通过锥形光纤11耦合到光学微腔12；耦合到光学微腔12的光再从光学微腔12耦合到锥形光纤11中；

光纤波分复用器，用于将锥形光纤11出射的光按波长分离成泵浦光和信号光；

第一光电探测器，用于对泵浦光进行光电转换得到泵浦光的电信号；

第二光电探测器，用于对信号光进行光电转换得到信号光的电信号；

示波模块，用于读取并显示泵浦光的电信号和信号光的电信号。

上述测量设备中，示波模块可以采用示波器实现，也可以采用模数转换器、处理器和显示器实现，可以采用其他方式实现，只要能够读取并显示泵浦光的电信号和信号光的电信号就可以。

上述测量设备中，第一激光器和第一可协调衰减器之间、第一可协调衰减器和第一偏振片之间、第一偏振片和光纤耦合器之间、光纤耦合器和锥形光纤11之间、第二激光器和第二可协调衰减器之间、第二可协调衰减器和第二偏振片之间、第二偏振片和光纤耦合器之间、锥形光纤11和光纤波分复用器之间、光纤波分复用器和第一光电探测器之间、光纤波分复用器和第二光电探测器之间均通过光纤连接；第一光电探测器和示波模块之间、第二光电探测器和示波模块之间通过同轴电缆连接，函数信号发生器和激光器控制器之间通过专用通用接口总线(gpib，general-purposeinterfacebus)控制线连接。

参见图2，本发明实施例提出了一种光学材料的热弛豫时间的测量方法，应用于上述测量设备，该方法包括：

步骤200、当第一激光器输出的泵浦光处于第一共振模式持续扫描泵浦状态，且第二激光器输出的信号光锁定于第二共振模式的共振点时，获取信号光的透射谱。

本实施例中，可以采用以下方式使得第一激光器输出的泵浦光处于第一共振模式持续扫描泵浦状态。

采用激光器控制器进行粗扫描得到第一激光器的第一共振模式对应的第一共振波长范围；

通过函数信号发生器输出第一扫描波，激光器控制器采用第一扫描波控制第一激光器输出的泵浦光的波长范围，该第一激光器输出的泵浦光的波长范围包括第一共振波长范围；

调节第一偏振片，以及调节光学微腔12和锥形光纤11的耦合位置，使得泵浦光达到最佳耦合状态。

其中，第一共振模式下泵浦光输入到锥形光纤11时能够耦合到光学微腔12中。

其中，第一扫描波可以是连续三角波，当函数信号发生器输出连续三角波时，可以在示波模块上得到第一激光器输出的泵浦光的透射谱的洛伦兹曲线，如图3所示，图3中，横坐标为归一化波长，纵坐标为归一化透射率。当在示波器中观察到如图3所示的洛伦兹曲线时，说明泵浦光当前处于第一共振模式。

当泵浦光处于第一共振模式时，通过调节第一偏振片，以及调节光学微腔12和锥形光纤11的耦合位置，使得如图3所示的洛伦兹曲线的最低点达到最低，即泵浦光达到最佳耦合状态。

其中，三角波的频率以及峰峰值电压视具体激光器来选取。

例如，当第一激光器采用型号为newfocus的tlb-6700系列时，第一激光器输出的光的扫描频率范围和三角波的峰峰值电压之间的关系满足：其中，δf为第一激光器输出的光的扫描频率范围，单位为吉赫兹(ghz)，v为三角波的峰峰值电压，单位为伏(v)；

或者，第一激光器输出的光的波长和三角波的峰峰值电压之间的关系满足：其中，δλ为第一激光器输出的光的扫描波长范围，单位为纳米(nm)。

本实施例中，作为一个示例，三角波的频率可以取50hz，峰峰值电压可以取2伏(v)。

其中，第一激光器输出的泵浦光的功率为200微瓦(μw)。

其中，泵浦光的第一共振波长范围可以是1420纳米(nm)～1650nm。

通常，泵浦光达到最佳耦合状态时，光学微腔12的几何中心点与锥形光纤11最细的位置位于同一水平线，且光学微腔12的几何中心点与锥形光纤11最细的位置之间的距离满足耦合损耗与光学微腔内部损耗之间的差值的绝对值小于或等于预设阈值。

其中，光学微腔12的几何中心点与锥形光纤11最细的位置之间的距离可以在1微米左右。

本实施例中，可以采用以下方式使得第二激光器输出的信号光锁定于第二共振模式的共振点。

首先，使第二激光器输出的信号光处于第二共振模式的最佳耦合状态，然后，将信号光锁定于第二共振模式的共振点。

其中，可以采用以下方式使得第二激光器输出的信号光处于第二共振模式的最佳耦合状态。

采用激光器控制器进行粗扫描得到第二激光器的第二共振模式对应的第二共振波长范围；

通过函数信号发生器输出第二扫描波，激光器控制器采用第二扫描波控制第二激光器输出的信号光的波长范围，该第二激光器输出的信号光的波长范围包括第二共振波长范围；

调节第二偏振片，使得信号光达到最佳耦合状态。

上述的具体实现过程可参考使第一激光器输出的泵浦光处于第一共振模式的最佳耦合状态的实现过程。

其中，可以采用以下方式将第二激光器输出的信号光锁定于第二共振模式的共振点，即将信号光的波长锁定于第二共振波长范围内的最佳耦合共振波长。

为了能够从第二共振波长范围内准确调节出第二激光器输出的信号光的最佳耦合共振波长，通过函数信号发生器向激光器控制器输出方波，从而控制第二激光器输出的信号光的波长，方波的频率小于1hz(例如1毫赫兹(mhz))，峰峰值电压在25mv～2v范围内可调，方波的占空比为99％，通过调节方波的峰峰值电压(例如，调节直流偏置的方式，直流偏置的调节范围从-2v到2v，以每毫伏为最小精度来逐步增加直流偏置，从而精准稳定的增加信号光的波长)使得示波器显示的信号光达到最小值，即第二激光器输出的信号光的波长为最佳耦合共振波长。

其中，最佳耦合共振波长是指该波长的信号光在理想条件下能够100％耦合进入光学微腔12中，例如，最佳耦合共振波长可以是1545.36nm。

其中，第二激光器输出的泵浦光的功率为30微瓦(μw)(第二激光器作为信号光，耦合到光学微腔的光强较弱，不能引起光学微腔的光热效应。)

步骤201、根据透射谱确定光学微腔的热弛豫时间。

本实施例中，根据透射谱确定光学微腔的热弛豫时间包括：

采用透射谱按照公式进行拟合得到光学微腔的热弛豫时间；

其中，t(t)为透射谱中t时间对应的归一化电压值，κ0为光在光学微腔内的损耗，κe为光与光学微腔的耦合损耗，t为时间，t0为拟合参数，x0为拟合参数，τ为热弛豫时间。

其中，κ0和κe这两个参数采用在信号光处于第二共振模式时得到的洛伦兹曲线进行拟合得到的值，单位均为毫秒(ms)，例如，κ0＝0.02985，κe＝0.01089。

图4(a)为本发明实施例热弛豫时间的测量原理示意图。如图4(a)所示，横坐标为时间，纵坐标为透射率，即示波器上显示的电信号。图4(a)中，区域ⅰ中t轴上面的虚线为红移后的洛伦兹曲线，实线为红移前的洛伦兹曲线，下面的实线为热弛豫过程曲线，也就是说，当光学微腔的温度达到最大值时，光无法再耦合如光学微腔，光学微腔进行自散热过程，直到温度达到最低点，热弛豫时间就是温度从最高点到最低点所经历的时间。图4(a)中区域ⅱ和ⅲ区域表示了信号光响应，图4中区域ⅱ即为光学微腔温度上升的过程的信号光响应透射谱，区域ⅲ即为光学微腔温度下降的过程的信号光响应透射谱，采用上述公式进行拟合时，应采用区域ⅲ中的曲线的数据进行拟合。

图4(b)为本发明实施例测得的透射谱曲线示意图。如图4(b)所示，横坐标为时间，单位为毫秒(ms)，纵坐标为透射率的归一化值。图4(b)中，曲线1为泵浦光的透射谱曲线，曲线2为信号光的透射谱曲线，曲线3为根据曲线2拟合的曲线。图中，为了显示方便，曲线1整体上移了0.5。

可选的，该方法还包括：

步骤202、改变第一共振模式和第二共振模式，重复步骤200和步骤201得到不同的第一共振模式和第二共振模式对应的热弛豫时间。

步骤203、根据不同第一共振模式和第二共振模式对应的热弛豫时间确定光学微腔的热弛豫时间。

本实施例中，确定光学微腔的热弛豫时间为不同第一共振模式和第二共振模式对应的热弛豫时间的平均值。

通过本申请的方案，采用处于最佳耦合状态的泵浦光和信号光简单、快速的实现了热弛豫时间的测量，对光学微腔没有任何特殊的要求(即只要是具备光热效应的光学材料制备出的光学微腔均可，对光学微腔的共振模式分布没有特殊要求，例如，本发明实施例的光学微腔可以使用直径为100微米(μm)左右的二氧化硅微芯圆环腔)，并且，获得了高精度的热弛豫时间。

参见图5，本发明实施例提出了一种光学材料的热弛豫时间的测量装置，应用于上述测量设备，所述测量装置包括：

获取模块，用于当第一激光器输出的泵浦光处于第一共振模式持续扫描泵浦状态，且第二激光器输出的信号光锁定于第二共振模式的共振点时，获取信号光的透射谱；

确定模块，用于根据信号光的透射谱确定光学微腔的热弛豫时间。

其中，获取模块可以是采集卡，采集卡直接从示波器中读取信号光随时间变化的透射谱，这种情况下可以将示波器的gpib接口与采集卡连接。；获取模块也可以是u盘，示波器直接将信号光随时间变化的透射谱写入到u盘中。

可选的，获取模块还用于：

改变第一共振模式和第二共振模式，重复上述过程得到不同第一共振模式和第二共振模式对应的透射谱；

所述确定模块还用于：

根据不同第一共振模式和第二共振模式对应的透射谱确定不同的第一共振模式和第二共振模式对应的热弛豫时间；

根据不同的第一共振模式和第二共振模式对应的热弛豫时间确定光学微腔的热弛豫时间。

可选的，确定模块具体用于：

采用所述透射谱按照公式进行拟合得到所述光学微腔的热弛豫时间；

其中，t(t)为所述透射谱中t时间对应的归一化电压值，κ0为光在所述光学微腔内的损耗，κe为光与所述光学微腔的耦合损耗，t为时间，t0为拟合参数，x0为拟合参数，τ为热弛豫时间。

参见图6，本发明实施例提出了一种终端，包括处理器和计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当所述指令被所述处理器执行时，实现上述任意一种光学材料的热弛豫时间的测量方法。

其中，示波器的通用接口总线(gpib，general-purposeinterfacebus)接口与处理器连接。

本发明实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任意一种光学材料的热弛豫时间的测量方法的步骤。

虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。