[发明专利]一种高精度测量材料线性折射率的方法

说明书

技术领域

本发明所涉及的是在原有测量材料光学非线性的4f相位相干成像系统的基础上将其改进为可高精度测量材料线性折射率的测量方法，属于光子学材料和光学信息处理领域。

背景技术

折射率是介质最重要的光学参数之一。折射率测量仪器已广泛应用于制造业和科学研究领域。常用的折射率测量仪器工作原理主要基于光的反射(包括全反射)、折射、偏振、干涉等。早期此类研究主要集中于偏振光及偏振光与材料相互作用的物理学研究以及仪器的光学研究。近30年来，计算机的发展使椭偏仪在更多的领域得到应用。硬件的自动化和软件的成熟大大提高了运算的速度，逐渐成熟的的软件处理方法和越来越贴近实际的数学建模提供了折射率测量的新方法。对于宏观尺寸的晶体、光学玻璃等介质，目前折射率测量精度可达5×10^-6。但是对于薄膜材料，其折射率测量主要使用椭偏仪测量，精度可达到5×10^-3，但仪器价格比较昂贵。较高精度的折射率测量仪的研究具有非常重要的意义。

4f相位相干成像系统(G.Boudebs and S.Cherukulappurath，“Nonlinear optical measurements using a 4f coherent imaging 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。它是受到泽尔尼克空间滤波实验中可以将相位变化转化为图象中强度的变化启发而提出的。应用4f相位相干成像系统测量材料的非线性主要有两个步骤：一是能量定标，将校准的能量计放置在样品的位置，然后发射一个激光脉冲，这时能量计的示数即是实验中打到样品上的能量，它与CCD探测到的参考光斑的强度是成正线性关系的，参考光路监视每个激光脉冲能量的变化，然后通过CCD测得的光强的空间分布可以计算得到不同位置上的光强大小；二是测量，先在样品前放置衰减片衰减入射光强，使得样品的非线性效应可以忽略不计，入射一个激光脉冲，通过测量系统打过待测样品后CCD拍到的图像称为线性光斑，再将先前放置在非线性样品之前的衰减片放置到样品之后，这样测得的图像称为非线性光斑。以线性光斑作为输入，根据测得的图象进行数值拟合得到材料的非线性折射率。

在4f相位相干成像系统中，相位物体是通过在玻璃板上镀透明介质薄膜而形成的，对波长为λ的光波产生一个相位延迟。当入射光经过非线性样品的相位调制后，就会在4f的出射面转变为光斑光强分布的变化。本发明所提出的方法是将待测的样品如薄膜代替原来4f相位相干成像技术中的相位物体，而非线性样品采用已知非线性折射率的标准样品，从而通过光斑光强的变化拟合得到薄膜的线性折射率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度测量材料线性折射率的方法，通过将传统4f系统的相位物体变成待测的样品，能非常方便地、高精度地获得材料的线性折射率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高精度测量材料线性折射率的方法，包括由待测样品、分束镜、第一凸透镜、非线性标准材料、第二凸透镜、第一中性衰减片和CCD相机依次组成的测量系统，和由所述分束镜、第一反射镜、第三凸透镜、第四凸透镜、第二中性衰减片、第二反射镜、第三反射镜和所述CCD相机依次组成的参考系统；所述第一凸透镜和第二凸透镜构成4f系统，待测样品放置在所述4f系统的物面上；所述非线性标准材料放置在测量系统的傅里叶平面上；所述CCD相机放置在所述4f系统的像平面上接收光斑图像；具体测量步骤如下：

①能量校准：将光路中的非线性标准材料取走，将校准的能量计放置在第一凸透镜和第二凸透镜之间的某一位置，使得激光光斑能够全部打到能量计的探头上；然后发射一个激光脉冲，用所述能量计测量脉冲的能量，同时利用所述CCD相机采集参考光路的参考光斑，参考光斑的强弱对应于入射脉冲能量的大小；再通过对参考光斑的计算得到测量过程中入射到所述非线性标准样品上的激光脉冲的能量及能量分布；

②非线性测量：将所述非线性标准材料放置在测量系统的傅里叶平面上，入射一个脉冲激光经过所述待测样品，在所述CCD相机上获得两个光斑，即入射光经过测量系统的非线性标准样品后在所述CCD相机上获得的非线性光斑和从参考光路中得到的参考光斑；由获得的非线性光斑和参考光斑进行数值拟合得到所述待测样品的线性折射率。