[发明专利]基于4f相位相干成像的泵浦探测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光子学非线性材料的测量方法，具体涉及一种基于4f相位相干成像的泵浦探测方法，用于研究非线性吸收和折射关于时间的特性，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，非线性光子学材料研究日益重要。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子学材料的研究进展。光学非线性测量技术是研究非线性光子学材料的关键技术之一。目前常用的测量非线性光学参数的方法有Z扫描、基于4f相位相干成像测量、四波混频、三次谐波非线性干涉法、椭圆偏振法等。除了Z扫描和4f相位相干成像方法以外，其他的测量方法均需两束或两束以上激光，光路复杂，而且不能同时测量非线性折射与吸收。

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 nonlinearitiesusing a single beam”，IEEE J.Quantum Elect，26，760-769(1990))是目前较常用的单光束测量光学非线性的方法，此方法的优点是光路简单，可同时测量非线性吸收与折射。但是该方法对激光的空间分布及能量稳定性要求较高。此外还需要样品在激光传播的方向移动，需要激光多次激发。另外，Z扫描方法研究材料的光学非线性，在研究纳米自组装超薄膜及其它类的纳米材料过程中发现，由于激光脉冲的多次激发，易于造成纳米材料光学性质的改变以至于损伤，实验测量结果往往还需要进行其他实验来判断是否可靠。

基于4f相位相干成像测量材料的三阶非线性折射率的方法是由GeorgesBoudebs等人于1996年提出(G.Boudebs，M.Chis，and J.P.Bourdin，“Third-order susceptibility measurements by nonlinear image processing”，J.Opt.Soc.Am.B，13，1450-1456(1996))，后来经过几次改进演变成通过在4f系统入射面上加相位光阑来测量材料的非线性。这个方法是受到泽尔尼克空间滤波实验中可以将相位变化转化为光的振幅变化的启发而提出的。它同Z扫描方法一样，也属于光束畸变测量。其基本原理是把非线性样品放置在一个4f系统的频谱面上，然后让激光通过这个4f系统。这样由于样品非线性的作用，4f系统出射面上的光强分布就会发生变化。用CCD将变化了的光场空间分布记录下来，然后配合数值模拟就可以得到材料的非线性折射率。但是在该方法中，在对4f相位成像技术进行理论处理的时候将描述激光脉冲的时间项进行了忽略，仅从空间上进行分析。

实际上，非线性样品受到泵浦光的激发后处于基态的粒子跃向激发态，粒子布居数分布的变化导致对入射光的非线性吸收和非线性折射响应；在此过程中，粒子布居数随着时间是不断变化的，所以对于不同时刻的探测光产生的影响是不同的。在上述基于4f相位相干成像测量方法中，由于对时间项的忽略将导致结果产生比较大的偏差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于4f相位相干成像的泵浦探测方法，用于非线性光学材料的检测，在泵浦光激发条件下，采用一束探测激光，实现从空间和时间角度对被检测材料受激态的非线性参数的分析。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于4f相位相干成像的泵浦探测方法，其特征在于：把激光束分为两束，一束为泵浦光，另一束为探测光，泵浦光经过时间延迟聚焦到待测样品上，使处于基态的待测样品产生非线性吸收和非线性折射；所述待测样品位于探测光的4f系统的焦平面上，泵浦光和探测光的光斑在样品处空间重叠，泵浦光与探测光光强之比大于10：1，出射的探测光经透镜准直和衰减被CCD接收；其测量步骤为：

(1)挡住泵浦光路，取走待测样品，用CCD相机采集一个脉冲图像，称为无样品图像；挡住泵浦光，放上待测样品，用CCD相机采集一个脉冲图像，称为线性图像；

(2)放出泵浦光，改变泵浦光的时间延迟，连续采集不同延迟时间的探测光图像；

(3)对上述获得的无样品图像、线性图像和不同延迟时间的探测光图像进行处理，获得所需的检测的非线性参数。