專利名稱：高靈敏度測(cè)量材料光學(xué)非線性的4f相位成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所涉及的是ー種測(cè)量材料的光學(xué)非線性的方法，屬于非線性光子學(xué)材料和非線性光學(xué)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)域技術(shù)的飛速發(fā)展，非線性光學(xué)材料的研究日益重要。光學(xué)邏輯、光學(xué)記憶、光三極管、光開關(guān)和相位復(fù)共軛等功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴于非線性光學(xué)材料的研究進(jìn)展。光學(xué)非線性測(cè)量技術(shù)是研究非線性光學(xué)材料的關(guān)鍵技術(shù)之一。常用的測(cè)量方法有Z掃描、4f系統(tǒng)相干成像技術(shù)、馬赫-曾德干涉法、四波混頻、三次諧波非線性干涉法、橢圓偏振法、相位物體Z-scan等。其中Z掃描方法(Mansoor Sheik-Bahae,Ali A. Said,Tai-Hui Wei, David J. Hagan, E. ff. Van Stryland. “Sensitive measurementof optical nonlinearities using a single beam，，，IEEE J. Quantum Elect, 26,760-769(1990))光路簡(jiǎn)單、靈敏度高，是目前最常用的平頂光測(cè)量材料光學(xué)非線性的方法。但是這種測(cè)量方法需要樣品在激光傳播方向的移動(dòng)，需要激光多次激發(fā)，對(duì)薄膜和易損傷的材料不適用。4f 相位相干成像系統(tǒng)(G. Boudebs and S. Cherukulappurath, “Nonlinearoptical measurements using a 4f coherent imaging system with phase object”，Phys. Rev. A, 69，053813 (2004))是近年來提出的一種測(cè)量材料非線性折射的新方法。利用4f相位相干成像技術(shù)測(cè)量非線性折射具有光路簡(jiǎn)單、靈敏度高、單脈沖測(cè)量，無需樣品移 動(dòng)、對(duì)光源能量穩(wěn)定性要求不高等優(yōu)點(diǎn)。但在非線性相移較小情況下，由于CCD圖像噪聲起伏和干渉條紋調(diào)制，較小的灰度差很難準(zhǔn)確測(cè)量，在一定的條件下，不能達(dá)到測(cè)量的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高靈敏度測(cè)量材料光學(xué)非線性的4f相位成像方法，與傳統(tǒng)4f 系統(tǒng)相比，具有更高非線性折射率測(cè)量靈敏度。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是高靈敏度測(cè)量材料光學(xué)非線性的4f相位成像方法，包括如下步驟將一束激光經(jīng)擴(kuò)束透鏡、準(zhǔn)直透鏡進(jìn)行擴(kuò)束準(zhǔn)直，入射經(jīng)過PO擋板、由第一凸透鏡和第二凸透鏡組成的4f系統(tǒng)以及環(huán)形衰減片，出射光斑成像于CXD圖像傳感器；通過PO擋板的一部分光束經(jīng)第一半透半反鏡反射后，經(jīng)第一反射鏡、第三凸透鏡、第二反射鏡和第二半透半反鏡成像于所述CXD圖像傳感器，形成監(jiān)測(cè)光斑；待測(cè)樣品位于第一凸透鏡的焦平面上，經(jīng)過第一凸透鏡的光束聚焦到待測(cè)樣品上，使待測(cè)樣品產(chǎn)生光學(xué)非線性；其中，所述PO擋板與CCD圖像傳感器分別位于所述4f系統(tǒng)的物、像平面，所述環(huán)形衰減片緊靠CCD圖像傳感器放置；所述PO擋板中心產(chǎn)生/2相位差同時(shí)，將中心PO區(qū)域光強(qiáng)線性衰減，而位于4f系統(tǒng)像平面上的環(huán)形衰減片對(duì)剩余環(huán)形部分光斑進(jìn)行同比例衰減；具體測(cè)量步驟為(I)調(diào)節(jié)PO擋板與環(huán)形衰減片共軸，用CXD圖像傳感器記錄在無樣品時(shí)PO擋板數(shù)字圖像；(2)將樣品放置在遠(yuǎn)離第一凸透鏡焦平面的位置，這時(shí)樣品表面光強(qiáng)不足以激發(fā)光學(xué)非線性，記錄PO擋板數(shù)字圖像；(3)將樣品移至第一凸透鏡焦平面位置，樣品產(chǎn)生非線性相移，記錄PO擋板數(shù)字圖像；(4)對(duì)步驟(I)、(2)和(3)中獲得的數(shù)字圖像進(jìn)行處理，獲得所需檢測(cè)樣品的光學(xué)線性吸收、非線性吸收和非線性折射系數(shù)。上述技術(shù)方案中，所述步驟(4)中的處理包括計(jì)算步驟(2)、(I)獲得PO擋板圖像灰度求和，并計(jì)算步驟(2)、(I)中灰度和的比值，得到樣品線性吸收率；計(jì)算步驟(3)、(2)獲得PO擋板圖像灰度求和，并計(jì)算步驟(3)、(2)中灰度和的比值，得到樣品非線性吸收率；對(duì)步驟⑶得到圖像進(jìn)行歸ー化處理，對(duì)歸一化的非線性調(diào)制PO擋板圖像進(jìn)行理論擬合得到非線性折射系數(shù)。上述技術(shù)方案中，為方便光路調(diào)節(jié)，環(huán)形衰減片環(huán)形內(nèi)徑略小于PO擋板PO外徑，環(huán)形衰減片外徑略大于PO擋板外徑，PO擋板PO內(nèi)線性衰減系數(shù)與環(huán)形衰減片線性衰減系數(shù)相同。上述技術(shù)方案中，系統(tǒng)靈敏度提高倍數(shù)正比于PO擋板光強(qiáng)線性衰減倍數(shù)的兩次方根。本發(fā)明的技術(shù)方案中，非線性樣品受到脈沖光的作用后，材料的吸收和折射性質(zhì)發(fā)生變化，產(chǎn)生光學(xué)非線性。在薄樣品近似的條件下，能量只與非線性吸收有關(guān)，非線性折射對(duì)能量的影響可以忽略不計(jì)，因此整個(gè)PO擋板像灰度之和只與非線性吸收有關(guān)，非線性折射對(duì)能量的影響可以忽略不計(jì)，因此步驟(3)與步驟(2) PO擋板灰度和之比和非線性吸收相關(guān)。另ー方面，傳統(tǒng)4f相位相干成像技術(shù)中，中心PO區(qū)域光強(qiáng)在焦點(diǎn)形成峰值光強(qiáng)遠(yuǎn)小于PO區(qū)域外環(huán)形區(qū)域光強(qiáng)在焦平面上形成峰值，材料非線性主要由外圍環(huán)形區(qū)域光束激發(fā)，中心PO區(qū)域相當(dāng)于直透光，將其相位改變/2，物平面上該區(qū)域改變相位的直透光與受非線性調(diào)制進(jìn)入該區(qū)域光束產(chǎn)生干渉，其灰度值變化正比于調(diào)制光相位變化量；如果改變中心PO直透光相位同時(shí)，將該束光強(qiáng)線性衰減至原光強(qiáng)1/N，則根據(jù)干渉公式，干涉項(xiàng)強(qiáng)度正比于兩干渉光電場(chǎng)強(qiáng)度，像平面上該區(qū)域光束干渉光光強(qiáng)衰減為原來的1/#，這樣就實(shí)現(xiàn)了背景光與信號(hào)光的不同比例衰減，最后通過環(huán)形衰減片對(duì)PO以外背景光同比例衰減，就實(shí)現(xiàn)了背景光衰減量較大，而信號(hào)光衰減較少，大大提高了測(cè)量系統(tǒng)信噪比，從而提高了測(cè)量靈敏度。本發(fā)明方法用一種全新的思路實(shí)現(xiàn)了對(duì)光學(xué)非線性的測(cè)量，同其他非線性光學(xué)測(cè)量技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)I.本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了單脈沖測(cè)量，測(cè)量過程中樣品無需移動(dòng)，解決了待測(cè)樣品易損傷的問題；2、本發(fā)明在入射面與接收面分別對(duì)中心PO區(qū)域與外部環(huán)形區(qū)域進(jìn)行光強(qiáng)同比例衰減，實(shí)現(xiàn)了背景光與信號(hào)光不同比例衰減，大大提高了測(cè)量靈敏度。3.采用本發(fā)明的方法，可以同時(shí)測(cè)量樣品非線性吸收和非線性折射的大?。?、采用本發(fā)明測(cè)量靈敏度可以根據(jù)PO擋板線性衰減倍數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)；5.本發(fā)明所述的測(cè)量方法，可以廣泛地應(yīng)用于非線性光學(xué)測(cè)量、非線性光子學(xué)材料、非線性光學(xué)信息處理和光子學(xué)器件等研究領(lǐng)域，尤其是非線性光功能材料的測(cè)試和改性等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。


圖I是本發(fā)明高靈敏度測(cè)量材料光學(xué)非線性的4f相位成像方法的工作原理圖。圖2是本發(fā)明高靈敏度測(cè)量材料光學(xué)非線性的4f相位成像方法的實(shí)驗(yàn)裝置圖。其中1、入射激光束；2、擴(kuò)束凸透鏡；3、準(zhǔn)直凸透鏡；4、P0擋板；5、半透半反鏡；6、反射鏡；7、凸透鏡；8、凸透鏡；9、樣品；10、凸透鏡；11、半透半反鏡；12、反射鏡；13、環(huán)形衰減片；14、CCD探測(cè)器。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例中PO擋板示意圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施例中的環(huán)形衰減片示意圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施例中采用PO擋板仿真徑向光強(qiáng)分布圖。圖6為本發(fā)明實(shí)施例中采用常規(guī)4f光路仿真徑向光強(qiáng)分布圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步描述參見附圖I所示，一種高靈敏度測(cè)量材料光學(xué)非線性的4f相位成像方法，光路由分束器、凸透鏡、PO擋板、環(huán)形衰減片、CXD探測(cè)器等組成；脈沖激光聚焦于待測(cè)樣品上。圖2是高靈敏度測(cè)量材料光學(xué)非線性的4f相位成像方法的實(shí)驗(yàn)裝置圖。實(shí)驗(yàn)裝置可以分為擴(kuò)束系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和參考系統(tǒng)三部分。擴(kuò)束系統(tǒng)是由擴(kuò)束凸透鏡2與準(zhǔn)直凸透鏡3組成；測(cè)量系統(tǒng)由PO擋板4、凸透鏡7、凸透鏡10、環(huán)形衰減片13、CXD探測(cè)器14組成；參考系統(tǒng)由半透半反鏡5、反射鏡6、凸透鏡8、反射鏡12、半透半反鏡11組成。其中，待測(cè)樣品9放置在凸透鏡7焦平面上，凸透鏡7、凸透鏡10組成4f系統(tǒng)，PO擋板4與CXD探測(cè)器14分別位于4f系統(tǒng)物、像平面，環(huán)形衰減片13緊貼CCD接收表面。從激光器出射的脈沖激光首先經(jīng)過擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束，擴(kuò)束后的激光經(jīng)過PO擋板4，擴(kuò)束光斑直徑較PO擋板4外徑Ra大得多，可以將入射光視為平頂光，光束經(jīng)半透半反5鏡分束，分為兩路，直射光經(jīng)凸透鏡7聚焦于樣品9，激發(fā)樣品產(chǎn)生非線性，使得入射的脈沖激光光強(qiáng)和相位發(fā)生變化，經(jīng)過凸透鏡10和環(huán)形衰減片13，最終成像于C⑶靶面。通過半透半反鏡5分束的另一束光束，經(jīng)過反射鏡6，凸透鏡8，反射鏡12，半透半反鏡11成像于靶面，形成參考光斑，用于監(jiān)測(cè)激光脈沖時(shí)間，空間不均勻性。圖3是實(shí)施例中PO擋板示意圖；光闌半徑為Ra，其中中心PO部分半徑Ri,與周邊環(huán)形區(qū)域相比，其線性透過率為百分之一，且產(chǎn)生n/2相移。圖4是實(shí)施例中的環(huán)形衰減片13示意圖；其中心透過率為1，環(huán)形區(qū)域線性透過
率為百分之一。在本實(shí)施例中，選用波長(zhǎng)為532nm激光，脈寬2Ips，樣品厚度1mm，待測(cè)樣品選用ニ硫化碳(CS2)，其非線性折射系數(shù)n2 = 3. 2 X 10_18m2/W。對(duì)常規(guī)4f與PO擋板4f歸ー化徑向光強(qiáng)分布進(jìn)行比較。對(duì)于CS2非線性算例理論計(jì)算具體過程如下假設(shè)入射光束為基模高斯光，其場(chǎng)強(qiáng)表達(dá)式為
Y2t 2E(r，t) = E0exp T exp
La」L 2r」q)式中，E0為脈沖激光的最大場(chǎng)強(qiáng)值，r為光束的半徑，為入射光束的束腰半徑，T為脈沖光1/e半寬的時(shí)間。
PO擋板4透過率為
權(quán)利要求
1.高靈敏度測(cè)量材料光學(xué)非線性的4f 相位成像方法，包括如下步驟將一束激光經(jīng)擴(kuò)束透鏡(2)、準(zhǔn)直透鏡(3)進(jìn)行擴(kuò)束準(zhǔn)直，入射經(jīng)過PO擋板(4)、由第一凸透鏡(7)和第二凸透鏡(10)組成的4f系統(tǒng)以及環(huán)形衰減片(13)，出射光斑成像于CCD圖像傳感器(14)；通過PO擋板(4)的一部分光束經(jīng)第一半透半反鏡(5)反射后，經(jīng)第一反射鏡(6)、第三凸透鏡(8)、第二反射鏡(12)和第二半透半反鏡(11)成像于所述CCD圖像傳感器(14)，形成監(jiān)測(cè)光斑；待測(cè)樣品(9)位于第一凸透鏡(7)的焦平面上，經(jīng)過第一凸透鏡(7)的光束聚焦到待測(cè)樣品(9)上，使待測(cè)樣品(9)產(chǎn)生光學(xué)非線性，其特征在于所述PO擋板(4)與CCD圖像傳感器(14)分別位于所述4f系統(tǒng)的物、像平面，所述環(huán)形衰減片(13)緊靠CCD圖像傳感器(14)放置；所述PO擋板(4)中心產(chǎn)生/2相位差同時(shí)，將中心PO區(qū)域光強(qiáng)線性衰減，而位于4f系統(tǒng)像平面上的環(huán)形衰減片(13)對(duì)剩余環(huán)形部分光斑進(jìn)行同比例衰減；具體 測(cè)量步驟為 (1)調(diào)節(jié)PO擋板⑷與環(huán)形衰減片(13)共軸，用CCD圖像傳感器(14)記錄在無樣品(9)時(shí)PO擋板⑷數(shù)字圖像； (2)將樣品(9)放置在遠(yuǎn)離第一凸透鏡(7)焦平面的位置，這時(shí)樣品(9)表面光強(qiáng)不足以激發(fā)光學(xué)非線性，記錄PO擋板(4)數(shù)字圖像； (3)將樣品(9)移至第一凸透鏡(7)焦平面位置，樣品(9)產(chǎn)生非線性相移，記錄PO擋板⑷數(shù)字圖像； (4)對(duì)步驟(I)、⑵和(3)中獲得的數(shù)字圖像進(jìn)行處理，獲得所需檢測(cè)樣品(9)的光學(xué)線性吸收、非線性吸收和非線性折射系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高靈敏度測(cè)量材料光學(xué)非線性的4f 相位成像方法，其特征在于所述步驟(4)中的對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理包括計(jì)算步驟(2)、(I)獲得PO擋板圖像灰度求和，并計(jì)算步驟(2)、(I)中灰度和的比值，得到樣品線性吸收率；計(jì)算步驟(3)、(2)獲得PO擋板圖像灰度求和，并計(jì)算步驟(3)、(2)中灰度和的比值，得到樣品非線性吸收率；對(duì)步驟(3)得到圖像進(jìn)行歸ー化處理，對(duì)歸一化的非線性調(diào)制PO擋板圖像進(jìn)行理論擬合得到非線性折射系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的高靈敏度測(cè)量材料光學(xué)非線性的4f 相位成像方法，其特征在于為方便光路調(diào)節(jié)，所述環(huán)形衰減片(13)的環(huán)形內(nèi)徑略小于PO擋板(4)的外徑，環(huán)形衰減片(13)的外徑略大于PO擋板(4)的外徑，PO擋板(4) PO內(nèi)線性衰減系數(shù)與環(huán)形衰減片(13)線性衰減系數(shù)相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的高靈敏度測(cè)量材料光學(xué)非線性的4f 相位成像方法，其特征在于測(cè)量靈敏度的提高倍數(shù)正比于PO擋板光強(qiáng)線性衰減倍數(shù)的兩次方根。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高靈敏度測(cè)量材料光學(xué)非線性的4f相位成像方法，屬于非線性光子學(xué)材料和非線性光學(xué)信息處理領(lǐng)域。包括如下步驟將一束激光經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直入射到PO擋板、4f系統(tǒng)以及環(huán)形衰減片，出射光斑成像于CCD；通過PO擋板的一部分光束經(jīng)半透半反鏡反射后，經(jīng)反射鏡、凸透鏡、反射鏡和半透半反鏡成像于CCD；經(jīng)過凸透鏡的光束聚焦到待測(cè)樣品上，使樣品產(chǎn)生光學(xué)非線性；PO擋板與CCD圖像傳感器分別位于4f系統(tǒng)的物、像平面，環(huán)形衰減片緊靠CCD圖像傳感器放置；在PO擋板中心產(chǎn)生π/2相位差同時(shí)，將中心PO區(qū)域光強(qiáng)線性衰減，而環(huán)形衰減片對(duì)剩余環(huán)形部分光斑進(jìn)行同比例衰減。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了背景光與信號(hào)光不同比例衰減，大大提高了測(cè)量靈敏度。
文檔編號(hào)G01N21/17GK102621069SQ20121008925
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月30日
發(fā)明者劉南春, 宋瑛林, 楊俊義, 楊勇, 聶仲泉 申請(qǐng)人:常熟微納激光光子技術(shù)有限公司