[发明专利]Z扫描光学非线性测量装置和测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及非线性光学，特别是一种用于透明样品和半透明样品非线性吸收系数和非线性折射率测量的Z扫描光学非线性测量装置和测量方法。

背景技术

材料的三阶光学非线性使得折射率和吸收系数与光强成正比，利用该非线性效应，可制备实时动态全光开关、光学晶体管、光限幅器和光学双稳态器件并应用于光学超分辨。利用材料的非线性效应，对非线性光学参数的测量非常关键。传统测量光学非线性方法有：非线性干涉、简并四波混频、近简并三波混频、椭偏技术和光束畸变测量等。前四种方法测量灵敏度高，但是不能测量非线性折射率的符号，而且测量装置非常复杂，实现起来比较困难。

1990年，由M.Sheik-Bahae等人首先提出来的单光束Z-扫描技术具有装置简单、测量灵敏度较高等优点，可以探测到λ/300的波前畸变，而且这种方法可同时测量非线性折射率和非线性吸收系数的大小与符号（参见SHEIK-BAHAE,M.;SAID,A.A.;WEI,T.H.;HAGAN,D.J.；STRYLAND,E.W.V.,Sensitive measurement of optical nonlinearities usinga single beam.IEEE J.Quantum Elecrron.1990,26(4),760-769.）。在此基础上，J.Wang等人又提出了时间分辨双色Z扫描技术，可以测量不同时间延迟下的非简并非线性吸收和非简并非线性折射率（参见Wang,J.;Sheik-Bahae,M.;Said,A.A.;Hagan,D.J.;Stryland,E.W.V.,Time-resolved z-scan measurements of optical nonlinearities.J.Opt.Soc.Am.B 1994,11(6),1009-1017.）。后来，又有很多研究者提出了许多改进的方法，Z扫描技术已经发展成为材料非线性光学特性研究中一种广泛使用的具有重要实际应用价值的实验方法。

但是，现有的Z扫描方法不适用于半透明或不透明样品的光学非线性测量，特别是针对线性吸收很强的半导体薄膜，其表面反射光空间分布会因为Kerr非线性和热膨胀发生改变，不可忽略样品反射光信息（参见Petrov，D.V.;Gomes,A.S.L.;Arabjo,C.B.d.,Reflection z-scantechnique for measurements of optical-properties of surfaces.Appl.Phys.Lett.1994,65(9),1065-1067.）。不同的样品，反射Z扫描测量结果有很大的不同，针对不同的反射测量结果，应该有不同的数据处理方式。而且，对于研究材料光学非线性效应的内部机理，需要测量不同波长、不同功率（光强）、不同脉冲宽度（连续光、脉冲光）、不同脉冲重复频率的激光作用下不同厚度样品的非线性光学特性的差异，不同偏振态激光作用下材料表现出的非线性光学性质也有所不同(参见Yan,X.-Q.;Liu,Z.-B.;Zhang,X.-L.;Zhou,W.-Y.;Tian,J.-G.,Polarization dependence of Z-scanmeasurement-theory and experiment.Opt.Express 2009,17(8),6397-6406.)。我们在实验过程中还发现，光学元件及待测样品表面反射光对激光器(特别是半导体激光器)输出功率稳定性有重要影响，样品在Z轴的不同位置时，入射光由样品表面反射进入激光器谐振腔导致激光器输出功率不稳定，需要消除反射光对非线性光学测量的影响。因此，必须对现有的Z扫描测量进行改进，提出一种参数容易调节，光路容易实现，有效消除反射光影响，数据处理简单合理，测量准确度能够保证的新型Z扫描装置和测量方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于透明样品和半透明样品非线性吸收系数和非线性折射率测量的Z扫描装置和测量方法，该装置和方法能够在两个光源（λ₁和λ₂）之间方便地切换，入射激光功率从0到100%连续可调，入射激光脉冲宽度在10ns到连续范围内可调，入射激光偏振态可以调节为线偏振、圆偏振、椭圆偏振，可同时对样品进行透射开孔、透射闭孔和反射开孔测量，不仅适用于测量透明样品的非线性吸收系数和非线性折射率，也适用于测量半透明样品（如半导体薄膜等）。可以更加准确可靠地测量非线性吸收系数和非线性折射率，研究材料非线性的内部机理。

本发明的技术解决方案如下：