[发明专利]一种单脉冲单光束测量材料光学非线性的方法

说明书

技术领域

本发明所涉及的是一种测量材料的光学非线性的方法，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，非线性光学材料的研究日益重要。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学材料的研究进展。光学非线性测量技术是研究非线性光学材料的关键技术之一。常用的测量方法有Z扫描、4f系统相干成像技术、马赫-曾德干涉法、四波混频、三次谐波非线性干涉法、椭圆偏振法、相位物体Z-scan等。其中Z扫描方法(Mansoor Sheik-Bahae，Ali A.Said，Tai-Hui Wei，David J.Hagan，E.W.Van Stryland.“Sensitive measurement of opticalnonlinearities using a single beam”，IEEE J.Quantum Elect，26，760-769(1990))光路简单、灵敏度高，是目前最常用的单光束测量材料光学非线性的方法。但是这种测量方法需要样品在激光传播方向的移动，需要激光多次激发，对薄膜和易损伤的材料不适用。4f相位相干成像系统(G.Boudebs and S.Cherukulappurath，“Nonlinear optical measurements using a 4f coherentimaging system with phase object”，Phys.Rev.A，69，053813(2004))是近年来提出的一种测量材料非线性折射的新方法。利用4f相位相干成像技术测量非线性折射具有光路简单、灵敏度高、单脉冲测量，无需样品移动、对光源能量稳定性要求不高等优点。但这种方法需要对采集的图像进行比较复杂的处理，而且对CCD的要求比较高，增加了测量方法的成本。相位物体Z-scan(JunyiYang and Yinglin Song，“Direct observation of the transient thermal lensingeffect using the PO Z-scan”Vol.34，No.2，Doc.ID 100701)就是在原有传统Z-scan的基础上，在透镜的前焦面的位置加一个相位物体。与传统Z-scan相比，所测量材料非线性折射的结果由传统Z-scan的峰谷特征曲线变成了单峰或单谷特征曲线。和传统Z-scan一样，这种测量方法也需要样品在激光传播方向的移动，需要激光多次激发，容易损伤材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种单脉冲单光束测量材料非线性的方法，在不需要移动样品的前提下，简单而准确地测量材料的非线性折射和非线性吸收。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种单脉冲单光束测量材料非线性的方法，将激光束分为两束，一束为监测光，由第一探测器D₁记录，另一束光为探测光，经透镜聚焦到待测样品上，使待测样品产生光学非线性；所述待测样品位于光路中透镜的焦平面上，出射的脉冲光被第二分束器分为两束，一束经透镜会聚后被第二探测器D₂接收(开孔)，另外一束通过一个中心和光轴重合的小孔光阑后进入第三探测器D₃(闭孔)；在探测光的透镜之前的光路中设置一相位物体，测量步骤为：

(1)在远离透镜焦点的位置放上待测样品，用三个探测器测量脉冲光能量，并分别计算出第二探测器D₂所测能量和第三探测器D₃所测能量与第一探测器所测能量的比值；

(2)在探测光路的透镜的焦平面位置放上待测样品，用三个探测器测量脉冲光能量，并分别计算出第二探测器D₂所测能量和第三探测器D₃所测能量与第一探测器所测能量的比值；

(3)对步骤(1)和(2)中获得的比值进行处理，获得所需的检测材料的光学非线性吸收和非线性折射系数。

上述技术方案中，所述步骤(3)中的处理包括，将步骤(2)中得到的比值与步骤(1)中得到的对应的比值相除(分为开孔能量的比值和闭孔能量的比值)，得到样品归一化的非线性透过率，对归一化的非线性透过率进行理论拟合得到非线性吸收和非线性折射系数。

为便于计算，所述相位物体位于探测光路的透镜的前焦面上为优选。但从实现本发明的技术方案角度，相位物体可以位于透镜前的任一位置。

上述技术方案中，所述相位物体的相位延迟为0.25π～0.75π，大小为入射光斑束腰半径的0.05～0.5倍。