基于噪聲小尺度自聚焦增長的非線性系數(shù)測量裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于噪聲小尺度自聚焦增長的非線性系數(shù)測量裝置及方法，基于噪聲小尺度自聚焦增長的非線性系數(shù)測量裝置包括超短脈沖光源、光學(xué)衰減片、細(xì)絲、非線性介質(zhì)、精密探測器。與傳統(tǒng)方法相比，本裝置光路簡單，能夠在高激光功率、較大厚度介質(zhì)、單次掃描的情況下進(jìn)行實(shí)時同步測量，且測量精度高。
【專利說明】基于噪聲小尺度自聚焦增長的非線性系數(shù)測量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及非線性光學(xué)領(lǐng)域，具體是一種基于噪聲小尺度自聚焦增長的非線性系數(shù)測量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于非線性光學(xué)材料在光通信及光信息處理等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景，人們對非線性光學(xué)材料的研究日益廣泛。光學(xué)非線性測量技術(shù)是研究非線性光學(xué)材料的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前常用的非線性系數(shù)測量方法包括Z掃描技術(shù)、四波混頻法、4f系統(tǒng)相干成像技術(shù)、橢圓偏振法等。Z掃描技術(shù)由于裝置簡單，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，成為了目前最常用的測量材料非線性的方法。但是該方法需要樣品在激光傳輸方向多次移動，容易對薄膜及易損傷材料造成破壞而且該方法不能測量較大厚度時的非線性介質(zhì)。4f系統(tǒng)相干成像技術(shù)由于局限性大，準(zhǔn)確度不高，限制了其廣泛運(yùn)用。目前的測量方法都是先測量材料在某一激光特征參數(shù)下的非線性系數(shù)，再利用測量得到的參數(shù)開展研究，不能在所需要的特定激光特性下進(jìn)行實(shí)時同步測量。本發(fā)明提出了一種基于噪聲小尺度自聚焦增長的非線性系數(shù)測量裝置，本裝置光路簡單，能夠在高激光功率、較大厚度介質(zhì)、單次掃描的情況下進(jìn)行實(shí)時同步測量，且測量精度高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種基于噪聲小尺度自聚焦增長的非線性系數(shù)測量裝置，能夠在高激光功率、較大厚度介質(zhì)、單次掃描的情況下進(jìn)行實(shí)時同步測量，且測量精度高。
[0004]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種基于噪聲小尺度自聚焦增長的非線性系數(shù)測量裝置，包括超短脈沖光源、光學(xué)衰減片、細(xì)絲、非線性介質(zhì)、精密探測器。其特征在于，超短脈沖光源產(chǎn)生的超短脈沖依次經(jīng)過第一光學(xué)衰減片、細(xì)絲、非線性介質(zhì)、第二光學(xué)衰減片到達(dá)精密探測器。
[0005]所述超短脈沖光源采用鈦寶石再生放大激光器。
[0006]所述光學(xué)衰減片為可調(diào)節(jié)金屬膜中性密度漸變?yōu)V光片。
[0007]所述細(xì)絲為直徑大小為0.1mm的光纖。
[0008]所述精密探測器為CO) Camera。
[0009]基于噪聲小尺度自聚焦增長的非線性系數(shù)測量裝置的非線性系數(shù)的測量方法的具體步驟為:
[0010]I)調(diào)整細(xì)絲的位置，使細(xì)絲位于光束的中心，記錄此時超短脈沖光源的平均功率值及精密探測器中的光斑圖；
[0011]2)逐漸增大超短脈沖光源的輸出功率直至光束出現(xiàn)明顯的小尺度自聚焦增長，記錄此時的平均功率值及精密探測器中的光斑圖，計(jì)算出此時光束小尺度自聚焦最大增長位置處調(diào)制增長的增益值，從而計(jì)算得到待測的非線性介質(zhì)的非線性系數(shù)；[0012]3)為了提高測量精度，繼續(xù)增大超短脈沖光源的輸出功率，記錄五個不同功率值下的精密探測器中的光斑圖；計(jì)算出此時不同功率值下小尺度自聚焦最大增長位置處調(diào)制增長的增益值，然后繪出增益關(guān)于平均功率變化的曲線，線性擬合后得到的直線的斜率值的0.5倍即為待測的非線性介質(zhì)的非線性系數(shù)。
[0013]本發(fā)明的工作原理是:鈦寶石再生放大激光器發(fā)出的飛秒脈沖，經(jīng)過細(xì)絲調(diào)制后在非線性介質(zhì)中傳輸時，隨著輸入功率的增大將發(fā)生小尺度自聚焦。光束的不同空間位置將出現(xiàn)不同程度的增長，在最快增長頻率處(即小尺度自聚焦最大增長位置)調(diào)制增長將出現(xiàn)最大增益，其值如(I)所示:
[0014]gmax = 2 Y P(I)
[0015]其中，Y為介質(zhì)的非線性系數(shù)，/3 = ^為此時飛秒光束的峰值功率，Pping為飛秒
光束的平均功率，K為飛秒脈沖的重復(fù)率，T為飛秒脈沖的脈寬。只要測量出某一平均功率值下的飛秒光束調(diào)制 增長的光斑圖，計(jì)算出此時飛秒光束中小尺度自聚焦最大增長位置的調(diào)制增長的增益值即可通過(I)得到該介質(zhì)的非線性系數(shù)，因此該發(fā)明能在單次掃描的情況下測量出待測介質(zhì)的非線性系數(shù)。為了提高測量的精度，需記錄不同功率下的飛秒光束調(diào)制增長的光斑圖，計(jì)算出不同功率下的飛秒光束中小尺度自聚焦最大增長位置的調(diào)制增長的增益值，然后繪出增益關(guān)于功率變化的曲線，線性擬合后得到的直線的斜率的1/2即為待測介質(zhì)的非線性系數(shù)。且記錄不同功率下的光斑圖越多，最后計(jì)算得到的非線性系數(shù)值越精確。非線性折射率和非線性系數(shù)的關(guān)系如(2)所示:
[0016]n2 =rcAeS(2)
[0017]其中，c為光速，Aeff為激光光斑的有效面積，Coci為激光頻率。得到介質(zhì)的非線性系數(shù)后，測量出光斑的有效面積及激光頻率就能通過(2)式可以得到介質(zhì)的非線性折射率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為基于噪聲小尺度自聚焦增長的非線性系數(shù)測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]其中:
[0020]1:超短脈沖光源；2a_2b:光學(xué)衰減片；3細(xì)絲；4:非線性介質(zhì)；5:精密探測器?！揪唧w實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖，對本發(fā)明做具體說明。
[0022]如圖1所示，本實(shí)施例的基于噪聲小尺度自聚焦增長的非線性系數(shù)測量裝置，包括超短脈沖光源1、光學(xué)衰減片2a-2b、細(xì)絲3、非線性介質(zhì)4、精密探測器5。
[0023]上述各部分的功能分別說明如下:
[0024]超短脈沖光源1，用來產(chǎn)生飛秒脈沖，通過測量不同功率下的調(diào)制光束非線性增長的增益來計(jì)算介質(zhì)的非線性系數(shù)；
[0025]光學(xué)衰減片2a，用于調(diào)節(jié)入射到非線性介質(zhì)中的超短脈沖的功率；
[0026]光學(xué)衰減片2b，用于調(diào)節(jié)入射到精密探測器CCD中的功率，避免因功率過大損壞CCD ;[0027]細(xì)絲3，用來給飛秒光束提供一個初始調(diào)制噪聲；
[0028]非線性介質(zhì)4，用作待測介質(zhì)；
[0029]精密探測器5，用于記錄不同功率下飛秒光束小尺度自聚焦增長時的光斑圖，本實(shí)施例選用 CCD Camera (Coherent 公司的 Laser Cam-HR? Beamview,其點(diǎn)陣為 1280 X 1024,分辨率約為6.7 μ mX 6.7 μ m)；
[0030]本發(fā)明所采用的基于噪聲小尺度自聚焦增長的非線性系數(shù)測量裝置的工作過程如下:
[0031]超短脈沖光源I為Coherent公司生產(chǎn)的商用鈦寶石再生放大激光系統(tǒng)(型號為LibraS)，輸出的最短脈沖寬度約lOOfs，帶寬約為12nm，重復(fù)頻率為1kHz，中心波長為800nm，用來產(chǎn)生飛秒脈沖。首先調(diào)節(jié)細(xì)絲的位置，使細(xì)絲位于光束的中心，記錄此時飛秒光束入射的平均功率值及精密探測器中的光斑圖；當(dāng)飛秒脈沖經(jīng)過細(xì)絲調(diào)制后，在非線性介質(zhì)中傳輸時，調(diào)節(jié)光學(xué)衰減片2a使入射到非線性介質(zhì)中的超短脈沖的功率逐漸增大，隨著功率的增大，調(diào)制后的飛秒光束將發(fā)生小尺度自聚焦，記錄此時飛秒光束的入射功率以及精密探測器中的光斑圖，計(jì)算得到該待測介質(zhì)的非線性系數(shù)，此為單次掃描情況下的測量；為了提高測量精度，繼續(xù)增大功率，記錄五個不同入射功率值下的精密探測器中的光斑圖，同時計(jì)算出不同功率下的飛秒光束中小尺度自聚焦最大增長位置處調(diào)制增長的增益值，然后繪出增益關(guān)于功率變化的曲線，線性擬合后得到的直線的斜率的1/2即為待測介質(zhì)的非線性系數(shù)。
[0032]本發(fā)明提出了一種基于噪聲小尺度自聚焦增長的非線性系數(shù)測量裝置及方法，與傳統(tǒng)方法相比，本裝置光路簡單，能夠在高激光功率、較大厚度介質(zhì)、單次掃描的情況下進(jìn)行實(shí)時同步測量，且測量精度高。
【權(quán)利要求】
1.一種基于噪聲小尺度自聚焦增長的非線性系數(shù)測量裝置，包括超短脈沖光源、光學(xué)衰減片、細(xì)絲、非線性介質(zhì)、精密探測器。其特征在于，超短脈沖光源產(chǎn)生的超短脈沖依次經(jīng)過第一光學(xué)衰減片、細(xì)絲、非線性介質(zhì)、第二光學(xué)衰減片到達(dá)精密探測器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于噪聲小尺度自聚焦增長的非線性系數(shù)測量裝置，其特征在于，所述超短脈沖光源采用鈦寶石再生放大激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于噪聲小尺度自聚焦增長的非線性系數(shù)測量裝置，其特征在于，所述光學(xué)衰減片為可調(diào)節(jié)金屬膜中性密度漸變?yōu)V光片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于噪聲小尺度自聚焦增長的非線性系數(shù)測量裝置，其特征在于，所述細(xì)絲為直徑大小為0.1mm的光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于噪聲小尺度自聚焦增長的非線性系數(shù)測量裝置，其特征在于，所述精密探測器為CXD Camera。
6.一種利用權(quán)利要求1所述的基于噪聲小尺度自聚焦增長的非線性系數(shù)測量裝置的非線性系數(shù)的測量方法的，其特征在于，該方法的具體步驟為: 1)調(diào)整細(xì)絲的位置，使細(xì)絲位于光束的中心，記錄此時超短脈沖光源的平均功率值及精密探測器中的光斑圖； 2)逐漸增大超短脈沖光源的輸出功率直至光束出現(xiàn)明顯的小尺度自聚焦增長，記錄此時的平均功率值及精密探測器中的光斑圖，計(jì)算出此時光束小尺度自聚焦最大增長位置處調(diào)制增長的增益值，從而計(jì)算得到待測的非線性介質(zhì)的非線性系數(shù)； 3)為了提高測量精度，繼續(xù)增大超短脈沖光源的輸出功率，記錄五個不同功率值下的精密探測器中的光斑圖；計(jì)算出此時不同功率值下小尺度自聚焦最大增長位置處調(diào)制增長的增益值，然后繪出增益關(guān)于平均功率變化的曲線，線性擬合后得到的直線的斜率值的0.5倍即為待測的非線性介質(zhì)的非線性系數(shù)。
【文檔編號】G01M11/02GK103969033SQ201410223737
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月26日
【發(fā)明者】傅喜泉, 譚超 申請人:湖南大學(xué)