專利名稱：基于4f相位相干成像系統(tǒng)測量材料的光學非線性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光子學非線性材料的測量方法，具體涉及一種基于4f 相位相干成像系統(tǒng)能在激光光斑分布以及能量不穩(wěn)定的情況下測量光學材 料非線性的方法，屬于非線性光子學材料和非線性光學信息處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著光通信和光信息處理等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，非線性光學材料研究曰益重要。光學邏輯、光學記憶、光三極管、光開關(guān)和相位復共軛等功能的實現(xiàn)主要依賴于非線性光學材料的研究進展。光學非線性測量技術(shù)是研究非線性 光子學材料的關(guān)鍵技術(shù)之一。4f 相位相干成像系統(tǒng) (G. Boudebs and S. Cherukulappurath, "Nonlinear optical measurements using a 4f coherent imaging system with phase object" ， Phys. Rev. A， 69， 053813 (2004))是近年來提出的一種測量 材料非線性折射的新方法。它是受到澤爾尼克空間濾波實驗中可以將相位變 化轉(zhuǎn)化為圖象中強度的變化啟發(fā)而提出的。如附圖1所示，傳統(tǒng)的4f相位相干成像系統(tǒng)通過分束鏡將入射激光分成 兩路，分別進入測量光路和參考光路，參考光路具有監(jiān)視測量光路激光脈沖 能量的作用，測量光路通過先后獲得非線性光斑和線性光斑，然后擬合得到 待測材料的非線性折射率。4f相位相干成像系統(tǒng)測量材料的非線性主要有兩個步驟1) 能量定標，將校準的能量計放置在主光路中樣品的位置，然后發(fā)射 一個激光脈沖，這時能量計的示數(shù)即是實驗中打到樣品上的能量，它與CCD 探測到的參考光斑的強度是成正線性關(guān)系的；參考光路監(jiān)視每個激光脈沖能 量的變化，然后通過CCD測得的光強的空間分布可以計算得到不同位置上 的光強大小。2) 測量和擬合，先在樣品前放置衰減片衰減入射光強，使得樣品的非線性效應可以忽略不計，入射一個激光脈沖，通過測量系統(tǒng)打過待測樣品后 CCD拍到的圖像稱為線性光斑再將先前放置在非線性樣品之前的衰減片放 置到樣品之后，這樣測得的圖像稱為非線性光斑。以線性光斑作為輸入，根 據(jù)測得的圖象進行數(shù)值擬合得到材料的非線性折射率。以往非線性的研究主要在集中在532nm， 1064nm， 800nm等波段，這 些波段的激光是激光器直接出射或倍頻后得到的， 一般可以達到比較理想的 空間分布和穩(wěn)定性。隨著研究的深入，為了研究非線性材料在其它波段的非 線性性質(zhì)，就必須借助于光學參量產(chǎn)生器(OPG)、光學參量放大器(OPA) 或光學參量振蕩器(OPO)等儀器。通過這些儀器可以將波長調(diào)節(jié)到從可見 到近紅外的任意波段，但是這些儀器出射的激光通常空間分布以及能量都很 不穩(wěn)定。利用4f相位相干成像系統(tǒng)測量材料的非線性需要擬合4f系統(tǒng)入射面的 像和出射面的非線性的像，傳統(tǒng)的方法中利用二次測量法先后得到線性光斑 和非線性光斑，然后以線性光斑來代替4f系統(tǒng)入射面的像進行擬合，這兩個 光斑是從兩個不同的激光脈沖分別得到的，在激光空間分布穩(wěn)定的情況下， 盡管線性光斑與非線性光斑是由不同的脈沖得到的，但是它們在入射面上具 有相同的空間分布，因此可以用線性光斑來代替非線性光斑在入射面上的空 間分布進行數(shù)值模擬。但是當激光脈沖空間分布不穩(wěn)定的情況下，由于脈沖之間的空間分布的 不穩(wěn)定性，由不同脈沖得到的非線性光斑與線性光斑在入射面上的空間分布就可能會有明顯的差異，此時如果繼續(xù)用線性光斑作為輸入就會造成數(shù)值模 擬結(jié)果與實驗測量結(jié)果的不同。因此，現(xiàn)有的4f相位相干成像系統(tǒng)無法在光斑分布不穩(wěn)定情況下對材料的光學非線性折射進行有效的測量。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠在激光光斑空間分布 不穩(wěn)定的情況下測量介質(zhì)的光學非線性折射率的方法。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種基于4f相位相干成像 系統(tǒng)測量材料的光學非線性的方法，4f相位相干成像系統(tǒng)通過分束鏡將入射激光分成兩束， 一束為探測光進入測量光路，通過4f系統(tǒng)后用CCD采集； 另一路為參考光，進入?yún)⒖脊饴泛笥猛粋€CCD采集樣品位于測量光路 4f系統(tǒng)的傅里葉平面，其特征在于該4f相位相干成像系統(tǒng)的參考光路是4f 系統(tǒng)，且參考光路的出射方向與測量光路的出射方向平行其測量步驟為1) 能量定標，將校準的能量計放置在樣品的位置，然后發(fā)射一個激光 脈沖，這時能量計的示數(shù)即是測量中打到樣品上的能量，同時，CCD采集到 參考光路得到的參考光斑，能量計的示數(shù)與CCD探測到的參考光斑的強度 是成正線性關(guān)系的；利用這個比例系數(shù)，在測量中通過參考光斑的強度直接 可以推測出照射到樣品上的脈沖能量的大小及能量的分布；2) 測量擬合，取走能量計，把待測樣品放在主光路傅里葉平面處，再 入射一個脈沖光，在CCD上將同時得到兩個光斑入射光經(jīng)過主光路打過 樣品后在CCD上獲得非線性光斑和經(jīng)過參考光路后得到的參考光斑，根據(jù) 獲得的非線性光斑和參考光斑的圖像進行數(shù)值擬合，擬合中利用參考光斑上 的光強分布作為入射光光強分布，在數(shù)值擬合中僅有非線性折射率《2為變量，通過改變 的取值使模擬非線性光斑與實驗所得非線性光斑吻合從而得到 的值。上述技術(shù)方案中，分束鏡的透過率和反射率各為50%，可以提髙光斑能 量利用率。上述技術(shù)方案的具體實現(xiàn)方式可以是，首先把光參量產(chǎn)生器OPG產(chǎn)生 的脈沖激光經(jīng)過一個透鏡組進行擴束，擴束光斑中心區(qū)域為近平面光分布。 選取擴束光斑中心區(qū)域一小部分光為入射光進行測量。測量之前先進行能量 定標，將校準的能量計放置在樣品的位置，然后發(fā)射一個激光脈沖，這時能 量計的示數(shù)即是測量中打到樣品上的能量，它與CCD探測到的參考光斑的 強度是成正線性關(guān)系的。利用這個比例系數(shù)，在測量中通過參考光斑的強度 直接可以推測出照射到樣品上的脈沖能量的大小及能量的分布。完成定標后 進行測量。取走能量計把待測樣品放在主光路焦點處，再入射一個脈沖光， 在CCD上將得到兩個光斑入射光經(jīng)過主光路打過樣品后在CCD上獲得"非 線性光斑"和經(jīng)過參考光路后得到的"參考光斑"。根據(jù)拍到的圖象進行數(shù)值擬合，擬合中將利用參考光斑上的光強分布作為入射光光強分布，在數(shù)值擬合中僅有非線性折射率"2為變量。通過改變"2的取值使模擬非線性光斑與實驗非線性光斑吻合從而得到"2的值。上述技術(shù)方案中，為了在不同波段研究材料的光學非線性，需利用光學參量產(chǎn)生器(OPG)、光學參量放大器(OPA)或光學參量振蕩器(OPO) 等儀器產(chǎn)生脈沖激光并經(jīng)擴束系統(tǒng)擴束。本發(fā)明通過改進傳統(tǒng)4f系統(tǒng)的參考光路，將它變成另外一個焦距較長的 4f系統(tǒng)，并且保證參考光路的4f系統(tǒng)和主光路中的4f系統(tǒng)的入射面和出射 面各自重合，使得原來用以監(jiān)測脈沖能量浮動的參考光斑同時具有監(jiān)測入射 脈沖空間分布的功能。本發(fā)明所述的測量方法，可以廣泛的應用于非線性測量，非線性光子學 材料，非線性光學信息處理和光子學器件等研究領(lǐng)域，尤其是非線性光功能 材料的測試和改性等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于上述技術(shù)方案運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點-1. 由于對參考光路進行了改進，在獲得樣品上脈沖激光能量的同時可 以獲得代表入射面上入射脈沖空間分布情況，可以在光斑空間分布不穩(wěn)定的 情況下測量介質(zhì)的非線性折射率，測試結(jié)果準確2. 由于不需要先后利用傳統(tǒng)的4f相干成像系統(tǒng)獲得一個線性光斑和非 線性光斑，光路簡單，測試速度快捷，數(shù)據(jù)處理方便。


附圖1是基于4f相位相干成像系統(tǒng)測量材料光學非線性的裝置圖； 附圖2是本發(fā)明實施例一中帶圓形相位物體的相位光闌示意圖； 附圖3為本發(fā)明實施例一中的非線性光斑圖； 附圖4為本發(fā)明實施例一中的參考光斑圖； 附圖5是本發(fā)明實施例一中的數(shù)值擬合曲線圖；其中1、凸透鏡；2、凸透鏡；3、反射鏡；4、相位光闌；5、分束鏡； 6、凸透鏡；7、待測樣品；8、凸透鏡；9、中性衰減片；10、 CCD相機；11、反射鏡；12、凸透鏡；13、凸透鏡；14、中性衰減片；15、反射鏡；16、反 射鏡；17、光闌18、圓形相位物體。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述實施例一參見附圖l至附圖5所示， 一種基于4f相位相干成像系統(tǒng)測 量材料的光學非線性的方法。如附圖l所示，應用于光斑分布不穩(wěn)定情況下的4f相位相干成像系統(tǒng)的 實驗裝置可以分為擴束系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和參考系統(tǒng)三部分。擴束系統(tǒng)是由凸 透鏡1和凸透鏡2組成；測量系統(tǒng)由相位光闌4、凸透鏡6、待測樣品7、凸 透鏡8、中性衰減片9和CCD相機10組成；參考系統(tǒng)由分束鏡5、反射鏡 11、凸透鏡12、凸透鏡13、中性衰減片14、反射鏡15和反射鏡16和CCD 相機10組成。其中中性衰減片9和中性袞減片14是用來保證CCD相機10在其線性 響應以內(nèi)，凸透鏡6和凸透鏡8構(gòu)成4f系統(tǒng)，相位光闌4放置在4f系統(tǒng)的 物面上，待測樣品7在傅里葉平面上，CCD相機10在4f系統(tǒng)的像平面上接 收脈沖圖像；凸透鏡12和凸透鏡13構(gòu)成參考系統(tǒng)的4f系統(tǒng)。從光參量產(chǎn)生器出射的脈沖激光首先經(jīng)過擴束系統(tǒng)擴束，擴束后的激光 脈沖經(jīng)過相位光闌形成近top-hat光，被分束鏡5分為兩束， 一束經(jīng)凸透鏡6 的傅里葉變換會聚到放置在傅里葉面上的待測樣品上，由于待測樣品的非線 性折射性質(zhì)使得入射的脈沖的相位發(fā)生變化，從樣品后表面出射的脈沖經(jīng)過 凸透鏡8的傅里葉逆變換由CCD相機10進行接收，稱為非線性光斑。另一 束經(jīng)反射鏡ll、凸透鏡12、凸透鏡13、中性衰減片14、反射鏡15、反射鏡 16和CCD相機7接收，稱為參考光斑。附圖2所示的就是相位光闌4的通常形式，相位物體18為圓形，通過 相位物體18的光束比其它部分的光束位相延遲本A,實施例一中相位延遲 0.4兀。利用應用于光斑分布不穩(wěn)定情況下的4f相位相干成像系統(tǒng)進行非線性 折射率的測量分兩部分進行，即能量校準和非線性測量。能量校準是將非線性樣品7取走，將校準的能量計放置在凸透鏡6和凸 透鏡8之間的某一位置使得激光光斑能夠全部打到能量計探頭上。發(fā)射一個 激光脈沖，用能量計測量脈沖的能量，同時用CCD相機IO采集參考光路的 參考光斑。由于此時光路中所有器件都是線性器件，所以根據(jù)參考光斑的強 弱就可以知道入射脈沖能量的大小。這樣在非線性測量過程中的入射到待測 樣品7上的脈沖的能量就可以通過同一個激光脈沖產(chǎn)生的參考光斑來計算得 到。非線性測量的具體步驟為將待測樣品7放置在傅里葉平面上，再入射 一個脈沖激光，我們在CCD上可以得到兩個光斑即入射光經(jīng)過測量系統(tǒng)打 過樣品后在CCD上獲得非線性光斑(圖3)和從參考光路中得到的參考光斑 (圖4)。根據(jù)拍得的非線性光斑(圖3)和參考光斑(圖4)進行數(shù)值擬合。圖5 為數(shù)值擬合曲線，虛線為測量的非線性光斑(圖3)的中心切線，實線是以 參考光斑(圖4)為輸入數(shù)值模擬得到的中心切線。通過改變"2的取值使模擬非線性光斑與實驗非線性光斑吻合從而數(shù)值擬合得到甲苯的三階非線性 折射率 的值為1.3x10-18 m2/W ，這與已報道的甲苯的非線性折射率值l.Oxl(T18 m2/W相近。
權(quán)利要求
1.一種基于4f相位相干成像系統(tǒng)測量材料的光學非線性的方法，4f相位相干成像系統(tǒng)通過分束鏡將入射激光分成兩束，一束為探測光進入測量光路，通過4f系統(tǒng)后用CCD相機采集；另一路為參考光；樣品位于測量光路4f系統(tǒng)的傅立葉平面，其特征在于所述參考光的光路是4f系統(tǒng)，且參考光路的出射方向和測量光路的出射方向平行，并采用同一個CCD相機采集；其測量步驟為1)能量定標，取走樣品，將校準的能量計放置在樣品的位置，并使激光光斑能夠全部打到能量計探測頭上，然后發(fā)射一個激光脈沖，用能量計測量脈沖的能量，同時用CCD相機采集到參考光路得到的參考光斑；2)測量擬合，取走能量計，把待測樣品放在測量系統(tǒng)的傅里葉平面上，再入射一個脈沖光，在CCD上將得到兩個光斑入射光經(jīng)過主光路打過樣品后在CCD上獲得非線性光斑和經(jīng)過參考光路后得到的參考光斑，根據(jù)獲得的非線性光斑和參考光斑進行數(shù)值擬合得到待測樣品的非線性折射率，擬合中通過對參考光斑的計算得到測量過程中入射到待測樣品上的激光脈沖的能量，利用參考光斑上的光強分布作為入射光光強分布。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于4f相位相干成像系統(tǒng)測量材料的光學非 線性的方法，其特征在于所述分束鏡的透過率和反射率各為50%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于4f相位相干成像系統(tǒng)測量材料的光學非線性的方法，4f相位相干成像系統(tǒng)通過分束鏡將入射激光分成兩束，一束為探測光進入測量光路，通過4f系統(tǒng)后用CCD相機采集；另一路為參考光，進入?yún)⒖脊饴泛笥猛粋€CCD相機采集；樣品位于測量光路4f系統(tǒng)的傅立葉平面，其特征在于參考光路是4f系統(tǒng)，且參考光路的出射方向和測量光路的出射方向平行。對參考光路進行了改進使得該發(fā)明可以在獲得樣品上脈沖激光能量的同時可以獲得代表入射面上入射脈沖空間分布情況，可以在光斑空間分布不穩(wěn)定的情況下測量介質(zhì)的非線性折射率，光路簡單，測試速度快，結(jié)果準確，數(shù)據(jù)處理方便。
文檔編號G01N21/41GK101261224SQ200810023628
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月9日
發(fā)明者宋瑛林, 李云波, 楊俊義, 煜 王, 王玉曉 申請人:蘇州大學