专利名称：单脉冲单光束测量材料光学非线性的装置的制作方法
技术领域：
本发明所涉及的是一种测量材料的光学非线性的装置，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。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誦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 measurement of optical nonlinearities using a single beam", IEEE J. Quantum Elect, 26， 760-769 (1990))光路简单、灵敏度髙，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. BoudebsandS. Cherukulappurath， "Nonlinear optical 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 稳定性要求不髙等优点。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的要求比较髙，增加了测量方法的成本。相位物体Z-scan (Junyi Yang and Yinglin Song, "Direct observation of the transient thermal lensing effect using the PO Z-scan" Vol. 34， No. 2， Doc. ID 100701)就是在原有传 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。和传统Z-scan —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。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种单脉冲单光束测量材料非线性的装置，用 于光学非线性材料的检测，只利用一束单脉冲，不需要移动样品，简单而准 确地测量材料的非线性折射和非线性吸收。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是 一种单脉冲单光束测 量材料光学非线性的装置，包括激光光源、第一分束器、监测光路和探测光 路，所述第一分束器将激光光源发出的激光束分为两束，分别进入监测光路 和探测光路，所述监测光路中设有第一探测器，所述探测光路中设有凸透镜， 待测样品位于所述凸透镜的焦平面上，出射光经第二分束器分为两束， 一束 经一凸透镜会聚至第二探测器(开孔)，另一束经一中心与光轴重合的小孔光 阑进入第三探测器(闭孔)，在所述探测光路的凸透镜之前的光路中设有一相 位物体。
采用本实用新型的装置进行测量时，测量步骤为
(1) 在光强弱的位置(远离透镜焦点的位置)放上待测样品，用三个探测
器测量脉冲光能量，并分别计算出第二探测器所测能量和第三探测器所测能 量与第一探测器所测能量的比值；
(2) 在探测光路的透镜的焦平面位置放上待测样品，用三个探测器测量脉 冲光能量，并分别计算出第二探测器所测能量和第三探测器所测能量与第一 探测器所测能量的比值；
(3) 对步骤(1)和(2)中获得的比值进行处理，获得所需的检测材料的光学非
线性吸收和非线性折射系数。
其中，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
到的对应的比值相除(分为开孔能量的比值和闭孔能量的比值)，得到样品归
一化的非线性透过率，对归一化的非线性透过率进行理论拟合得到非线性吸
收和非线性折射系数。
优选的技术方案，所述相位物体位于探测光路的透镜的前焦面上。 上述技术方案中，所述相位物体的相位延迟为0.25JI 0.75 3i ，大小为
入射光斑束腰半径的0.05 0.5倍。优选的技术方案，当所述相位物体的相位延迟为,大小为入射光斑 束腰半径的0.1倍时，系统对非线性折射的测量精度达到最髙，对非线性吸收 的影响不大。其大小和相位延迟可以根据实际情况调节。
所述第三探测器前的小孔光阑的半径的大小等于相位物体的远场衍射光 斑的半径大小。
采用本实用新型的装置进行测量时，非线性样品受到脉冲光的作用后， 材料的吸收和折射性质发生变化，产生光学非线性。在薄样品近似的条件下， 能量只与非线性吸收有关，非线性折射对能量的影响可以忽略不计，因为开 孔测量的是整个能量的变化，与非线性吸收无关，所以开孔的透过率与材料 的非线性吸收相关。另一方面，样品产生的非线性相移随激光的光强的变化 而变化。这样，在焦平面处样品就相当于一个变化的相位物体。根据相衬原 理，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，通过测量整个能量的变化就可以得到样品的非线性吸收系数。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。
本实用新型装置用一种全新的思路实现了对光学非线性的测量，同其他 非线性光学测量技术相比，具有以下优点
1. 单脉冲测量，样品无需移动；
2. 测量非常方便，理论模型简单；
3. 测量灵敏度髙；
4. 可以同时测量样品非线性吸收和非线性折射的大小；
5. 可以测量样品非线性吸收和非线性折射的符号；
6. 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，利用本装置，可以极大地减少测量成 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；
附图2是本实用新型实施例一中的含相位物体单脉冲测量非线性吸收和 非线性折射系数装置的工作原理其中1、入射激光束；2、相位物体；3、分束器；4、第一探测器；5、 凸透镜；6、待测样品；7、第二分束器；8、凸透镜；9、第二探测器；10、 小孔；11、第三探测器。
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，光路由相位物体，分束器，凸透镜，小孔，探测器组成； 脉冲激光聚焦于待测样品上。
激光脉冲l经过相位物体2后，由分束器3分成两束光，监测光的能量 由第一探测器4接收，另外一束光由凸透镜5聚焦到待测样品6上，透射后 的光束经第二分束器7分为两束， 一束经凸透镜8会聚后直接由第二探测器 9接收，另外一束经过小孔10后由第三探测器11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532nin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)。待测样品为肽菁氯铝 (AlClPc/DMF)。
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 9测量通过透镜8会聚后的光束能量，利用探测器11测量透过小孔10的能 量，同时利用探测器4测量监测光的能量。将探测器9所测得的能量除以探 测器4的能量，得到一个开孔的能量比值。将探测器11所测得的能量除以探 测器4的能量，得到一个闭孔的能量比值。(2)将样品6放在透镜5的焦平 面的位置，利用探测器9测量通过透镜8会聚后的光束能量，利用探测器ll 测量透过小孔10的能量，同时利用探测器4测量监测光的能量。将探测器9 所测得的能量除以探测器4的能量，得到一个开孔的能量比值。将探测器ll 所测得的能量除以探测器4的能量，得到一个闭孔的能量比值。(3)将步骤(2)中的开孔比值除以步骤(1)中的开孔比值，得到样品的开孔归一化非 线性透过率。将步骤(2)中的闭孔比值除以步骤(1)中的闭孔比值，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，得出样品的非线性吸收和非线性折射系数。
权利要求1.一种单脉冲单光束测量材料光学非线性的装置，包括激光光源、第一分束器、监测光路和探测光路，所述第一分束器将激光光源发出的激光束分为两束，分别进入监测光路和探测光路，所述监测光路中设有第一探测器，所述探测光路中设有凸透镜，待测样品位于所述凸透镜的焦平面上，出射光经第二分束器分为两束，一束经一凸透镜会聚至第二探测器，另一束经一中心与光轴重合的小孔光阑进入第三探测器，其特征在于在所述探测光路的凸透镜之前的光路中设有一相位物体。
2. 根据权利要求1所述的单脉冲单光束测量材料光学非线性的装置，其特征在于所述相位物体位于探测光路的透镜的前焦面上。
3. 根据权利要求1所述的单脉冲单光束测量材料光学非线性的装置，其特征在于所述相位物体的相位延迟为0.25 Jt 0.75 :i ,大小为入射光斑束腰半径的0.05~0.5倍。
4. 根据权利要求3所述的单脉冲单光束测量材料光学非线性的装置，其特征在于所述相位物体的相位延迟为0.5 Ji ，大小为入射光斑束腰半径的0.1倍。
5. 根据权利要求1所述的单脉冲单光束测量材料光学非线性的装置，其特征在于所述第三探测器前的小孔光阑的半径的大小等于相位物体的远场衍射光斑的半径大小。
专利摘要本实用新型公开了一种单脉冲单光束测量材料光学非线性的装置，包括激光光源、第一分束器、监测光路和探测光路，所述第一分束器将激光光源发出的激光束分为两束，分别进入监测光路和探测光路，所述监测光路中设有第一探测器，所述探测光路中设有凸透镜，待测样品位于所述凸透镜的焦平面上，出射光经第二分束器分为两束，一束经一凸透镜会聚至第二探测器，另一束经一中心与光轴重合的小孔光阑进入第三探测器，其特征在于在所述探测光路的凸透镜之前的光路中设有一相位物体。本实用新型装置光路简单、数据处理简单，单脉冲测量、样品无需移动，可以同时测量非线性吸收和非线性折射的大小和符号，测量结果精确，极大地减少测量成本等优点。
文档编号G01N21/59GK201392313SQ20092004028
公开日2010年1月27日 申请日期2009年4月17日 优先权日2009年4月17日
发明者宋瑛林, 李常伟, 杨俊义, 敏 税, 肖 金 申请人:苏州大学