[发明专利]测量光学非线性的两次4f相位相干成像方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用光学手段测量材料的非线性性质的方法，具体涉及一种能提高4f相位相干成像系统测量精度的方法及其装置，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4f相位相干成像系统的测量的精度并没有得到充分的提高。

发明内容

本发明目的是提供一种利用两次4f相位相干成像测量材料非线性的方法及其装置，用于光学非线性材料的检测，以提高系统的测量精度。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种测量光学非线性的两次4f相位相干成像装置，主要由入射光路、测量光路和参考光路构成，所述入射光路包括扩束系统、相位光阑和分束镜，入射激光束由分束镜分成两束，一束为探测光进入测量光路，另一束为参考光，进入参考光路，所述测量光路中，由第一凸透镜和第二凸透镜构成4f相位相干成像系统，待测样品放置在第一凸透镜的焦平面上，在第二凸透镜光路中设有全反镜，所述探测光自第一凸透镜入射，照射在待测样品上，透射光经第二凸透镜后，由全反镜反射，反射光再次反向进入4f相位相干成像系统中，最后由分束镜反射进入CCD相机；参考光路与测量光路的出射光照射在同一个CCD相机上。

上述技术方案中，所述相位光阑包括中央的圆形相位物体及其周围的环形区，圆形相位物体与环形区间的存在相位延迟，圆形相位物体的半径是光阑半径的0.2倍至0.5倍。

优选的技术方案，圆形相位物体与环形区间的相位延迟为0.5π，圆形相位物体的半径是光阑半径的0.3倍。

上述技术方案中，在所述测量光路的输出光路上位于CCD相机之前设置有中性衰减片，在参考光路的输出光路上位于CCD相机之前设置有中性衰减片。

为便于计算，所述第一凸透镜与第二凸透镜的焦距相同。所述相位光阑到第一凸透镜的距离等于第一凸透镜的焦距。

所述参考光路中设有两个反射镜，反射镜的设置角度使得参考光路的出射方向与测量光路的出射方向平行。

所述分束镜的透过率和反射率各为50％。

上述装置使用时，其测量分能量校准和光学非线性测量两部分进行；

其中，所述能量校准为，将能量计放置在两次4f系统的第一凸透镜后方，接收整个激光光斑，发射一个激光脉冲，用能量计测量脉冲的能量，同时用CCD相机采集参考光路的参考光斑，CCD探测到的参考光斑的强度成正线性关系，据此确定测量过程中入射到待测样品上的脉冲的能量；

所述非线性测量的步骤包括：

(1)不放待测样品，用CCD相机采集一个脉冲图像和一个参考光斑，称为无样品图像；

(2)放置待测样品，将中性衰减片放置在待测非线性样品之前，使得照射到样品上的光强降低到样品的光学线性区域，用CCD相机采集一个脉冲图像和一个参考光斑，称为线性图像；

(3)放置待测样品，将步骤(2)的中性衰减片放置在CCD相机之前，用CCD相机采集一个脉冲图像和一个参考光斑，称为非线性图像；