专利名称：外场诱导下的非线性光学测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学测试系统的研制，属于光谱仪器技术领域。
背景技术：
作为我国七大战略性新兴产业之一的新材料产业，成为21世纪初发展最快的高新技术产业之一，未来市场前景广阔。先进的新材料是国民经济的发展基础和高新技术转化为商品的关键。在新材料的研究开发过程中，材料性能如二阶非线性光学效应(又称倍频效应)的检测是一个重要的环节。材料倍频效应的有效准确检测，可以定性或定量地评估其非线性光学性能，对进一步开展新材料的应用性研究具有重要意义。由于学科的充分交叉，非线性光学材料的研究和应用不再局限于激光领域，现已逐步拓展到其它一些非激光领域。随着对新材料研究的不断深入，非线性光学材料的综合性能不断提高，同时研究人员发现，结晶在非中心对称空间群中的材料，往往具有诸如热电、压电、铁电、二阶非线性光学和摩擦发光等物理特性。这些关联特性在包括无线电通讯、光开关和信息储存等许多领域有着重要的应用，并对化学、生物学及医学领域产生深远的影响。因此，这类新型功能材料的研究引起了人们的高度重视，成为近20年来功能材料研究的热点。而要获得具有以上关联特性的功能材料，通常需要研究人员从原子、分子级别对新材料进行设计和组装；而如何筛选出高性能的功能材料，则需要一些相应的检测设备，对材料的二阶非线性光学测试也提出了新的、更高的要求。例如某些铁电材料在温度变化的过程中，伴随着相变的发生，同时也导致相应的非线性光学性能的改变。这类材料往往具有丰富的光、电、热、磁特性。近期研究表明，这类分子材料具有从药物输送到分子光电材料的一系列光电功能，并在未来的分子器件和分子机器的发展中有着独特的地位。在这类材料的非线性效应测试过程中，需要加入外场温度的变化，来实时动态地测试材料的非线性光学性能的变化，根据所测非线性光学性能的强弱和变化趋势筛选出高性能的铁电材料，以便进一步开展更深入的应用性研究。又如电光材料，作为以光子为载体的新一代信息材料，是电光调制器中最为关键的部分。近年来，电光高分子材料(一种有机的极化聚合物电光材料)成为非线性光学材料中最为活跃的研究领域之一。科研人员设计并合成了许多综合性能优良的电光高分子，与无机材料相比，有机高分子材料具有介电常数低、光学损伤阈值高、易于分子设计和加工成型等优点。电光高分子的研究关键主要在于合成具有高二阶非线性光学效应和取向稳定以及低光学损耗的有机高分子，以满足高性能光学器件的制作要求。为了获得具有更好二阶非线性光学性能、可实际应用的新型有机高分子材料，需要对有机高分子施加外电场作用，进行极化处理。在极化处理过程中，施加外电场的大小以及温度的变化影响有机高分子二阶非线性光学效应的强弱。为了获得最强的宏观二阶非线性光学效应，有机高分子极化过程的监控要求具有随外电场以及温度变化的非线性光学测试系统。目前，二阶非线性光学效应测试系统仍未见市售的商业整机产品，国内外的研究人员主要采用1. 06 ii m和2 ii m调Q激光直接激发材料样品，通过检测是否产生532nm和I u m倍频光，并对倍频光特性进行识别，从而判断材料样品是否具有二阶非线性光学倍频效应；然而，在外场诱导下的非线性光学效应检测方面，目前国内外市场上均没有相关产品及相应解决办法，亟需开发出外场诱导下的非线性光学测试系统，实现材料在诸如温度、电场、磁场或力场等不同的外场加载诱导下的非线性光学性能的动态检测，进而评估其综合性能。

发明内容
本发明的目的是开发出一套外场诱导下的非线性光学测试系统，实现材料在温度、电场、磁场或力场等不同的外场加载诱导下的紫外、可见、红外二阶非线性光学效应的有效检测。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案外场诱导下的非线性光学测试系统包括激光光源1、前置光路处理模块2、功能样品室3、后置光路处理模块4、探测模块5、外场控制装置6、数据采集装置7、显示处理装置8，其特征在于前置光路处理模块2、功能样品室3、后置光路处理模块4、探测模块5依次放置在激光光源I输出激光的光路上，并置于一密闭的暗盒9中。激光光源1，包括激光头、激光泵浦和激光冷却系统，所发射的激光为紫外、可见或红外激光。前置光路处理模块2，包括滤光片、衰减片、反射片、光束整形镜组、光路校准镜组等光学兀件。滤光片、反射片用于滤去激光光束中的其它光波成分以及环境中的可见光。如果光源发出的中红外激光较强或者所测材料样品的损伤阈值较低则需要采用不同的衰减片进行适当的衰减。根据需要，可以采用光束整形镜组对激光光束进行放大或缩小或整形。光路校准镜组则用于根据样品的具体位置进行必要的光路校准，保证激光照射在样品要求的位置。功能样品室3，包括样品架、外场作用平台，样品架上设有六维调整装置，通过不同方向的移动和旋转可以实现不同规格、不同大小样品的精确放置；外场作用平台设计为样品室里个性化平台，可以为加温冷却炉、平行板(或针尖)电极、带铁芯的电磁线圈或者电动压力装置，分别对待测样品进行温度、电场、磁场或力场的加载。后置光路处理模块4，包括吸收材料、反射片、窄带片、聚焦镜组等光学元件。吸收材料、反射片用于吸收或滤去经样品透射的多余激光成分以及其它可能的非倍频光成分。窄带片选用倍频光中心波长高透其它波段高反的高透反比镜片，它和吸收材料、反射片的组合使用确保样品激发后倍频光的有效探测。如果样品倍频光信号太弱，则采用聚焦镜组来大范围收集信号光，并将其聚焦后由探测模块5探测。探测模块5，包括高灵敏度光电探测器、信号处理电路、稳压电源。对不同波长、不同强度的倍频信号光采用不同的高灵敏度光电探测器。信号处理电路则将探测器探测到的光信号进行去噪、放大处理后转变为电信号，实时送给后端的数据采集装置，稳压电源则为整个探测模块供电。外场控制装置6，控制功能样品室3里的外场作用平台的温度、电场、磁场或力场等外场的变化范围和变化速度。数据采集装置7连接功能样品室和探测模块5，接收探测模块5探测处理后的信号，并采集功能样品室3内温度、电场、磁场或力场等外场实时变化数值后，将这些信号数据同步传送给终端的信号显示处理装置8。显示处理装置8，可以为示波器或者电脑，接收数据采集装置7传送过来的实时外场信号与非线性光学效应测试信号，通过软件编程和操作，对采样点数和采样频率以及消除背景噪声处理，多组数据的去误差、求平均以及归一化处理，最终实现倍频信号随外场实时动态变化趋势的可视化。暗盒9，为一密闭的暗盒，仅有由透光片透射激光进入的一个窗口，能有效避免环境光对样品测试的影响。外场诱导下的非线性光学测试系统的用途该测试系统用于材料在温度、电场、磁场或力场等不同的外场加载诱导下的紫外、可见、红外二阶非线性光学效应的测试；且所测试材料的形态包括粉末、单晶体和多晶体。外场诱导下的非线性光学测试系统可进行不同的外场加载，可实现材料在不同外场诱导下的非线性光学性能测试，为新材料综合性能的评估提供了便捷、直观的测试手段和设备支持，具有广阔的应用前景。


附图为外场诱导下的非线性光学测试系统的结构设计图，其中1，激光光源；2，前置光路处理模块；3，功能样品室；4，后置光路处理模块；5，探测模块；6，外场控制装置；7，数据采集装置；8，显示处理装置；9，暗盒。
具体实施例方式实施例1制作一种外场温度诱导下的紫外非线性光学测试系统。激光光源I采用高峰值功率的532nm脉冲激光。前置光路处理模块2，包括532nm激光的滤光片、衰减片、反射片、光束整形镜组、光路校准镜组等光学元件。其中的滤光片、反射片用于滤去532nm激光光束以外以及环境中的其它光波成分，确保仅有532nm激光通过。如果激光光源I发出的532nm激光较强或者所测材料样品的损伤阈值较低则需要采用相应的衰减片进行合适的衰减。根据需要，可以采用光束整形镜组对532nm激光光束进行放大或缩小或整形。光路校准镜组则用于根据样品的具体位置进行必要的光路校准，保证532nm激光照射在样品要求的位置。功能样品室3，包括样品架、外场作用平台。其中待测样品置于样品架上，通过调节六维调整装置可以实现待测样品的精确放置。外场作用平台为加温冷却炉，可以实现对待测样品的加温和冷却。后置光路处理模块4，包括532nm激光的吸收材料、反射片以及266nm紫外光的窄带片、聚焦镜组等光学元件。吸收材料、反射片用于吸收或滤去经样品透射的多余的532nm激光成分以及其它可能的非倍频光成分。窄带片选用中心波长为倍频光266nm高透而其它波段高反的高透反比镜片，它和吸收材料、反射片的组合使用确保样品激发后仅有产生的266nm紫外倍频光的有效探测。如果样品倍频光信号太弱，则采用聚焦镜组来大范围收集信号光，并将其聚焦后由探测模块5探测。探测模块5，包括高灵敏度光电探测器、信号处理电路、稳压电源。采用对266nm紫外倍频光有高灵敏度的光电探测器。信号处理电路则将探测器探测到的光信号进行去噪、放大处理后转变为电信号，实时送给后端的数据采集装置，稳压电源则为整个探测模块供电。外场控制装置6为温控装置，控制功能样品室3里加温冷却炉的温度变化范围和温度变化速度。数据采集装置7接收探测模块5探测处理后的电信号，并采集功能样品室3里温度实时变化数值后，将这些信号数据同步传送给终端的信号显示处理装置。显示处理装置8，可以为示波器或者电脑，接收数据采集装置传送过来的实时外场信号与非线性光学效应测试信号，通过软件编程和操作，对采样点数和采样频率以及消除背景噪声处理，多组数据的去误差、求平均以及归一化处理，最终实现倍频信号随外场实时动态变化趋势的可视化。暗盒9，为一密闭的暗盒，仅有由透光片透射532nm激光进入的一个窗口，能有效避免环境光对样品测试的影响。前置光路处理模块2、功能样品室3、后置光路处理模块4、探测模块5依次放置在激光光源I输出激光的光路上，并置于密闭的暗盒9中。实施例2制作一种外场温度诱导下的可见光非线性光学测试系统。与实施例1不同的是激光光源I采用高峰值功率的1064nm脉冲激光。前置光路处理模块2，包括1064nm激光的滤光片、衰减片、反射片、光束整形镜组、光路校准镜组等光学元件。其中的滤光片、反射片用于滤去1064nm激光光束以外以及环境中的其它光波成分，确保仅有1064nm激光通过。如果激光光源I发出的1064nm激光较强或者所测材料样品的损伤阈值较低则需要采用相应的衰减片进行合适的衰减。根据需要，可以采用光束整形镜组对1064nm激光光束进行放大或缩小或整形。光路校准镜组则用于根据样品的具体位置进行必要的光路校准，保证1064nm激光照射在样品要求的位置。后置光路处理模块4，包括1064nm激光的吸收材料、反射片以及532nm绿光的窄带片、聚焦镜组等光学元件。吸收材料、反射片用于吸收或滤去经样品透射的多余的1064nm激光成分以及其它可能的非倍频光成分。窄带片选用中心波长为倍频光532nm高透而其它波段高反的高透反比镜片，它和吸收材料、反射片的组合使用确保样品激发后仅有产生的532nm倍频绿光的有效探测。如果样品倍频光信号太弱，则采用聚焦镜组来大范围收集信号光，并将其聚焦后由探测模块5探测。探测模块5中的高灵敏度光电探测器采用对532nm倍频绿光有高灵敏度的光电探测器。暗盒9，仅有由透光片透射1064nm激光进入的一个窗口。其他同实施例1。实施例3制作一种外场温度诱导下的红外非线性光学测试系统。与实施例1不同的是激光光源I采用高峰值功率的2.1 ii m脉冲激光。前置光路处理模块2，包括2.1 U m激光的滤光片、衰减片、反射片、光束整形镜组、光路校准镜组等光学元件。其中的滤光片、反射片用于滤去2.1 激光光束以外以及环境中的其它光波成分，确保仅有2.1 y m激光通过。如果激光光源I发出的2.1 y m激光较强或者所测材料样品的损伤阈值较低则需要采用相应的衰减片进行合适的衰减。根据需要，可以采用光束整形镜组对2.1ym激光光束进行放大或缩小或整形。光路校准镜组则用于根据样品的具体位置进行必要的光路校准，保证2.1 y m激光照射在样品要求的位置。后置光路处理模块4，包括2.1iim激光的吸收材料、反射片以及1.05 iim光的窄带片、聚焦镜组等光学元件。吸收材料、反射片用于吸收或滤去经样品透射的多余的2.1ym激光成分以及其它可能的非倍频光成分。窄带片选用中心波长为倍频光1. 05 高透而其它波段高反的高透反比镜片，它和吸收材料、反射片的组合使用确保样品激发后仅有产生的1. 05 倍频红外光的有效探测。如果样品倍频光信号太弱，则采用聚焦镜组来大范围收集信号光，并将其聚焦后由探测模块5探测。探测模块5中的高灵敏度光电探测器采用对1. 05 U m倍频红外光有高灵敏度的光电探测器。暗盒9，仅有由透光片透射2.1iim激光进入的一个窗口。其他同实施例1。实施例4与实施例1，2，3不同的是功能样品室3内的外场作用平台为平行板(或针尖)电极，外场控制装置6为电场控制装置，控制功能样品室3内平行板(或针尖)电极之间的电场强度的变化范围和变化速度。实施例5与实施例1，2，3不同的是功能样品室3内的外场作用平台为带铁芯的电磁线圈，外场控制装置6为磁场控制装置，控制功能样品室3内电磁线圈的磁场强度的变化范围和变化速度。实施例6与实施例1，2，3不同的是功能样品室3内的外场作用平台为电动压力装置，外场控制装置6为压力控制装置，控制功能样品室3内电动压力装置的压力变化范围和变化速度。
权利要求
1.一种外场诱导下的非线性光学测试系统，包括激光光源(I)、前置光路处理模块(2)、功能样品室(3)、后置光路处理模块(4)、探测模块(5)、外场控制装置(6)、数据采集装置(7)、显示处理装置(8)、暗盒(9)，其特征在于前置光路处理模块(2)、功能样品室(3)、后置光路处理模块(4)、探测模块(5)依次放置在激光光源(I)输出激光的光路上，并置于一密闭的暗盒(9)中；激光光源(1)，包括激光头、激光泵浦和激光冷却系统，所发射的激光为紫外、可见或红外激光；前置光路处理模块(2)，包括滤光片、衰减片、反射片、光束整形镜组、光路校准镜组等光学元件；功能样品室(3)，包括样品架、外场作用平台，样品架上设有六维调整装置，通过不同方向的移动和旋转可以实现不同规格、不同大小样品的精确放置；外场作用平台设计为样品室里个性化平台，可以为加温冷却炉、平行板(或针尖)电极、带铁芯的电磁线圈或者电动压力装置，分别对待测样品进行温度、电场、磁场或力场的加载。后置光路处理模块(4)，包括吸收材料、反射片、窄带片、聚焦镜组等光学元件；探测模块(5)，包括高灵敏度光电探测器、信号处理电路、稳压电源；外场控制装置(6)，控制功能样品室(3)内的外场作用平台的温度、电场、磁场或力场等外场的变化范围和变化速度；数据采集装置7连接功能样品室(3)和探测模块(5)，接收探测模块探测处理后的信号，并采集功能样品室(5)内温度、电场等外场实时变化数值后，将这些信号数据同步传送给终端的信号显示处理装置(8);显示处理装置(8)，可以为示波器或者电脑；暗盒(9)为一密闭的暗盒，仅有由透光片透射激光进入的一个窗口，能有效避免环境光对样品测试的影响。
2.权利要求1所述的非线性光学测试系统用于材料在温度、电场、磁场或力场加载诱导下的紫外、可见、红外二阶非线性光学效应的测试，且所测试材料的形态包括粉末、单晶体和多晶体。
全文摘要
本发明公开一种外场诱导下的非线性光学测试系统。该系统由激光光源、前置光路处理模块、功能样品室、后置光路处理模块、探测模块、外场控制装置、数据采集装置、显示处理装置、暗盒等部分组成。该测试系统可进行温度、电场、磁场或力场等不同的外场加载，实现材料在不同外场诱导下的非线性光学性能测试，为评估新型功能材料的综合性能提供设备支持，有着迫切的应用需求和广阔的应用前景。
文档编号G01N21/63GK103018217SQ20121050669
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者魏勇, 张戈, 黄呈辉, 李丙轩, 庄凤江, 陈玮冬, 黄凌雄, 王小蕾 申请人:中国科学院福建物质结构研究所