非线性厚光子学材料的光学非线性测量装置及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于非线性光子学材料和非线性光学测量技术领域，涉及一种非线性光子 学材料的光学非线性测量装置和测量方法，尤其涉及一种厚度超过瑞利长度的非线性光子 学材料的光学非线性测量装置和测量方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着高功率激光技术、光学通信以及光信息处理等领域的高速发展， 非线性光学材料在光开关、全光器件、高速光电设备、高功率激光器件、激光防护及光限 幅等方面的应用日益引起人们的广泛关注。而非线性光学材料的发展主要依赖于光学 非线性测量技术的研究。目前，常用的光学非线性测量技术有简并四波混频、三波混 频、三次谐波法、非线性干涉法、非线性椭圆偏振法、马赫-曾德干涉法、4f相位相干成 像法、Z 扫描法等。其中 Z 扫描 SS(M.Sheik_Bahae，A.A.Said，E.W.VanStryland· High-sensitivity, Single-beamn2 Measurements. Opt. Lett. 1989, 14:955 - 957)是目前 最为常用的测量材料光学非线性的方法，它具有可以同时测量非线性折射和非线性吸收， 装置简单，灵敏度高等优点。4f相位相干成像系统（G.Boudebs and S.Cherukulappurath， "Nonlinear optical measurements using a 4f coherent imaging system with phase object" Phys. Rev. A，69,053813 (2004))是近年来发展起来的测量光学非线性的一种新方 法，具有光路简单、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。但不 论是Z扫描方法还是4f相位相干成像法，其理论均基于"薄样品"假设，即只适用于待测样 品厚度小于自由空间瑞利长度的样品。对于厚度超过瑞利长度的非线性样品，其测量结果 会出现很大的偏差，不能达到测量的要求。此外，传统的Z扫描过程中，通常采用两个光电 探测器分别记录测量光和监测光的能量，通过数据处理得出待测样品的光学非线性测量结 果。但是，由于激光器在发射激光进行光学非线性测量的过程中，在不同时刻由激光器发射 的激光能量可能有所不同，两个光电探测器的响应也不完全一致，因而激光器发射的激光 的光强、能量的不同也将影响待测样品的光学非线性测量结果，最终致使待测样品的光学 非线性测量结果误差较大。
【发明内容】
[0003] 本发明的发明目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种厚度超过瑞利长度 的非线性厚光子学材料的光学非线性测量装置及测量方法，通过在该测量装置中设置一块 CCD相机同时接收测量光和监测光，可有效消除因激光器发射的激光能量抖动对待测样品 的光学非线性测量结果造成的影响，提高测量结果的准确度；该检测方法中采用特殊的计 算公式进行对比分析，不仅能够适用于测量厚度小于瑞利长度的非线性光子学材料，还可 精确测量厚度大于瑞利长度的非线性光子学材料。
[0004] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0005] -种非线性厚光子学材料的光学非线性测量装置，包括入射光路、测量光路、监测 光路、衰减器、CCD探测器和计算机，所述入射光路包括依次设置的可调能量激光器、二分之 一波片、偏振片、透镜I、透镜Π 、小孔I和分束器，所述可调能量激光器产生的入射激光依 次经二分之一波片、偏振片、透镜I、透镜II、小孔I和分束器后由分束器分成两束激光，其 中一束激光作为测量光进入测量光路，另一束激光作为监测光进入监测光路；所述测量光 路包括依次设置的透镜III、电动平移台和小孔II，所述电动平移台上放置有可沿Z方向 (系统光轴方向）移动的待测样品或参考标准样品，所述测量光依次经透镜III、待测样品 或参考标准样品、小孔II后从小孔II中射出测量光路；所述监测光路包括反射镜，所述监 测光经反射镜反射后射出监测光路；经测量光路射出的测量光和经监测光路射出的监测光 均通过衰减器入射至同一 C⑶探测器并在C⑶探测器上得到一系列测量光斑和监测光斑； 所述CCD探测器与计算机电连接，所述CCD探测器上得到的测量光斑和监测光斑传输至计 算机。
[0006] 作为本发明的优选方案，所述分束器的透过率和反射率均为50%。
[0007] 作为本发明的优选方案，所述测量光路中的测量光与监测光路中经反射镜反射后 的监测光相互平行。
[0008] 作为本发明的优选方案，所述电动平移台的移动范围为-5z。~+5z。，其中z。为入 射激光光束自由空间的瑞利长度。
[0009] 作为本发明的优选方案，所述小孔II设置在待测样品的远场位置，且所述小孔 II (12)的孔径的尺寸与入射激光远场衍射光斑的尺寸相同。
[0010] 一种非线性厚光子学材料的光学非线性测量方法，包括以下步骤：
[0011] 步骤一：根据公式A/?0-4 iiX《％和z。= JT W。2/λ，确定参考标准样品的厚 度；其中Lt为待测样品的厚度，《,丨为待测样品的线性折射率，k为参考标准样品的厚度，< 为参考标准样品的线性折射率，w。为入射激光的光束束腰半径，λ为入射激光的波长；
[0012] 步骤二：将步骤一中选出的参考标准样品放入光学非线性测量装置的电动平移台 上，可调能量激光器产生激光脉冲，参考标准样品在电动平移台上从-Z到+ζ的方向移动， CCD探测器记录参考标准样品在每个位置的测量光斑和监测光斑，计算机分别对CCD探测 器记录的测量光斑和监测光斑进行积分，得到参考标准样品在不同位置时的照射到CCD探 测器上的测量光能量和监测光能量；
[0013] 步骤三：将步骤二中得到的测量光能量和监测光能量相比，得到归一化透过率随 参考标准样品位置的变化曲线，选取归一化透过率随参考标准样品位置的变化曲线上的峰 谷值，得到透过率峰谷值A Tp/;将参考标准样品在不同位置的监测光能量取平均值，得到 参考标准样品的平均入射光能量ζΓ:
[0014] 步骤四：移出参考标准样品，将待测样品放入非线性厚光子学材料的光学非线性 测量装置的电动平移台上，且待测样品与参考标准样品位于同一光路中；通过调节可调能 量激光器和二分之一波片调整可调能量激光器产生的入射激光的光强，采用步骤二、步骤 三中的方法，得到不同入射激光光强时照射到CCD探测器上的激光的测量光能量、监测光 能量、归一化透过率随待测样品位置的变化曲线以及归一化透过率随待测样品位置的变化 曲线上的峰谷值，选取峰谷值与归一化透过率随参考标准样品位置的变化曲线上的峰谷值 相等的归一化透过率随待测样品位置的变化曲线，并根据该归一化透过率随待测样品位置 的变化曲线所对应的监测光能量取平均值，得到待测样品的平均入射光能量
[0015] 步骤五：根据公式圮得到待测样品的非线性折射系数％ ;其中V为已 知参考标准样品的非线性折射系数，i7为步骤三得到的参考标准样品的平均入射光能量， F为步骤四得到的待