专利名称：单脉冲测量材料非线性折射的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种利用光学手段在来测试或分析材料的装置，具体涉及一种研究材料的非线性光学折射装置，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。
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。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.VanStryland.“Sensitive measurement of optical nonlinearities using a singlebeam”，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。但是这种测量方法中，样品需要在激光传播方向进行移动，并且需要激光多次激发，对薄膜和易损伤的材料不适用。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)是在传统Z-扫描的基础上，在透镜的前焦面的位置加一个相位物体实现的。与传统Z-扫描相比，所测量材料非线性折射的结果由传统Z-扫描的峰谷特征曲线变成了单峰或单谷特征曲线。但是，和传统Z-扫描一样，这种测量方法也需要样品在激光传播方向的移动，需要激光多次激发，容易损伤材料。
4f相位相干成像系统(G.Boudebs and S.Cherukulappurath，“Nonlinearoptical measurements using 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，探测器需要采用CCD，并且对CCD的要求比较高，增加了测量的成本。

发明内容
本实用新型的目的是提供一种结构简单、成本低的单脉冲测量材料非线性折射系数的装置，用于测量材料的光学非线性折射系数。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是一种单脉冲测量材料非线性折射的装置，包括激光光源、分束器、监测光路和探测光路，所述监测光路中设有探测器，所述探测光路中设有凸透镜、待测样品和第二探测器，在所述探测光路的凸透镜之前，设有一相位物体，所述相位物体为环形结构，该环形部与内孔处的相位差在π/4～3π/4之间，内孔孔径为入射光斑束腰半径的0.1～0.3倍；在所述第二探测器之前，设有一中心和光轴重合的小孔径光阑。
为方便计算，优选的技术方案是，所述相位物体位于凸透镜的前焦面上。
上述技术方案中，当所述相位物体环形部与内孔处的相位差是π/2，内孔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。其大小和相位延迟可以根据实际情况调节。
进一步的技术方案，所述第二探测器前的小孔径光阑的半径等于相位物体的远场衍射光斑的半径。
上述技术方案中，所述探测器和所述第二探测器为光能量计。
采用上述探测装置，可以实现材料的非线性折射系数的测量，其方法是，由分束器把激光束分为两束，一束形成监测光路，进入探测器，另一束形成探测光路，通过一个中心和光轴重合的小孔径光阑后进入第二探测器；在所述探测光路中，凸透镜之前设置有相位物体，其测量步骤为 (1)在光强弱的位置放上待测样品，用探测器收集经过光阑后的脉冲光能量。并计算出透过小孔能量与监测光能量的比值。
(2)在焦平面位置放上待测样品，用探测器收集经过光阑后的脉冲光能量。并计算出透过小孔能量与监测光能量的比值。
(3)对上述获得的两个比值进行处理，获得所需的检测材料的光学非线性折射系数。
上文中，上述技术方案中，所述步骤(3)中的处理包括，将步骤(2)中得到的比值与步骤(1)中得出的比值相除，得到样品归一化的非线性透过率。对归一化的非线性透过进行理论拟合得到非线性折射系数。
上述技术方案中，非线性样品受到脉冲光的作用后，材料的折射率发生变化，产生非线性相移，激光的光强越强，非线性相移越大。这样，在焦平面处样品就相当于一个变化的相位物体。在远场，非线性相移的变化就表现为相位物体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，振幅的变化与材料非线性的折射符号有关。如果，非线性折射为自聚焦，小孔归一化的透过率就大于1，反之，就小于1。所以，在焦平面位置，无需移动样品，在一个单脉冲的作用下，通过测量小孔归一化的非线性透过率，就可以得到样品的非线性折射系数以及材料的非线性折射符号。
与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有以下优点 1.本实用新型结构简单，只需要设置小孔径光阑和两个光能量计即可实现非线性折射系数的测量，不需要高质量的CCD装置，因而成本低； 2.采用本实用新型的装置，可以实现单脉冲测量，样品无需移动，测量非常方便，省时，理论模型简单，且测量灵敏度高，既可以测量非线性的大小又可以测量符号； 3.本实用新型的测量装置，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究领域，尤其是非线性光功能材料的测试和改性等关键环节，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1是本实用新型实施例一中的相位物体示意图； 附图2是实施例一中的含相位物体的单脉冲测量非线性折射系数装置的工作原理图。
其中1、激光光源；2、分束器；3、探测器；4、相位物体；5、凸透镜；6、待测样品；7、小孔径光阑；8、第二探测器。
具体实施方式

以下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2所示，一种含相位物体单脉冲测量功能材料的非线性参数的装置，光路由激光光源1，分束器2，相位物体4，凸透镜5，小孔径光阑7，探测器3和第二探测器8组成；激光光源1发出的激光脉冲聚焦于待测样品6上。
利用分束器2把激光脉冲分成两束光，监测光的能量由探测器3接收，另外一束光透过相位物体4后由凸透镜5聚焦到待测样品6上，透射后的光束经小孔径光阑7后由探测器8接收。
在本实施例中，激光光束为Nd:YAG激光器(Ekspla，PL2143B)倍频以后的532nm激光，脉宽21ps。型号为(Rjp-765 energy probe)的两探测器连接在能量计(Rj-7620 ENERGY RATIOMETER，Laserprobe)上。待测样品为二硫化碳(CS2)。
具体的检测步骤为(1)将样品6放在靠近透镜5的位置，利用探测器8测量透过小孔径光阑7的能量，同时利用探测器3测量监测光的能量，将探测器8所测得的能量除以探测器3的能量，得到一个能量比值。(2)将样品6放在透镜5的焦平面的位置，利用探测器8测量透过小孔径光阑7的能量，同时利用探测器3测量监测光的能量，将探测器8所测得的能量除以探测器3的能量，得到一个能量比值。(3)将步骤(2)中的比值除以步骤(1)中的比值，得到样品透过小孔归一化的非线性透过率。(4)根据步骤(3)中得到的非线性透过率，得出样品的非线性折射系数。
对于CS2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

(r＜Lp)或t(r)＝1(r＞Lp)(2) 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) 传播到样品表面的光场可通过傅立叶变换得到，用E02表示。
在样品中，考虑慢变振幅近似和薄样品近似的情况，脉冲激光的相位变化在样品中传播满足 Δn为折射率变化，z′激光在样品中传播的光程。在CS2中， Δn＝n2I(5) 式中，n2为样品的非线性折射系数；I为作用在样品上的光强。
从样品的后表面传播传播到小孔的光场可通过菲涅尔衍射公式得到，用E03来表示。对小孔处的光强进行空间和时间的积分，可得到透过小孔的能量。将此能量与在不考虑样品非线性的情况下得到的透过小孔的能量相比，就得到透过小孔的归一化非线性透过率。
本实施例中，入射能量为0.22μJ，相位物体半径为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1.6m，小孔半径为2mm。实验测得小孔归一化的非线性透过率为1.4481，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CS2的非线性折射系数为n2＝3.3×10-18m2/W，和文献报道一致。
权利要求1.一种单脉冲测量材料非线性折射的装置，包括激光光源(1)、分束器(2)、监测光路和探测光路，所述监测光路中设有探测器(3)，所述探测光路中设有凸透镜(5)、待测样品(6)和第二探测器(8)，其特征在于在所述探测光路的凸透镜(5)之前，设有一相位物体(4)，所述相位物体(4)为环形结构，该环形部与内孔处的相位差在π/4～3π/4之间，内孔孔径为入射光斑束腰半径的0.1～0.3倍；在所述第二探测器(8)之前，设有一中心和光轴重合的小孔径光阑(7)。
2.根据权利要求1所述的单脉冲测量材料非线性折射的装置，其特征在于所述相位物体(4)位于凸透镜(5)的前焦面上。
3.根据权利要求2所述的单脉冲测量材料非线性折射的装置，其特征在于所述相位物体(4)环形部与内孔处的相位差是π/2。
4.根据权利要求2所述的单脉冲测量材料非线性折射的装置，其特征在于所述第二探测器(8)前的小孔径光阑(7)的半径等于相位物体(4)的远场衍射光斑的半径。
5.根据权利要求1所述的单脉冲测量材料非线性折射的装置，其特征在于所述探测器(3)和所述第二探测器(8)为光能量计。
专利摘要本实用新型公开了一种单脉冲测量材料非线性折射的装置，包括激光光源、分束器、监测光路和探测光路，所述监测光路中设有探测器，所述探测光路中设有凸透镜、待测样品和第二探测器，其特征在于在所述探测光路的凸透镜之前，设有一相位物体，所述相位物体为环形结构，该环形部与内孔处的相位差在π/4～3π/4之间，内孔孔径为入射光斑束腰半径的0.1～0.3倍；在所述第二探测器之前，设有一中心和光轴重合的小孔径光阑。本实用新型的装置结构简单、成本低，测量非常方便，可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究领域，尤其是非线性光功能材料的测试和改性等关键环节。
文档编号G01N21/41GK201331494SQ20092003764
公开日2009年10月21日 申请日期2009年1月8日 优先权日2009年1月8日
发明者宋瑛林, 杨俊义, 肖 金, 敏 税, 李常伟 申请人:苏州大学