[发明专利]基于4f相位相干成像系统测量材料的光学非线性的方法

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相位相干成像系统能在激光光斑分布以及能量不稳定的情况下测量光学材料非线性的方法，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的飞速发展，非线性光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。

4f相位相干成像系统(G.Boudebs and S.Cherukulappurath，“Nonlinear optical measurements using a 4f coherent imaging system withphase 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。

如附图1所示，传统的4f相位相干成像系统通过分束镜将入射激光分成两路，分别进入测量光路和参考光路，参考光路具有监视测量光路激光脉冲能量的作用，测量光路通过先后获得非线性光斑和线性光斑，然后拟合得到待测材料的非线性折射率。

4f相位相干成像系统测量材料的非线性主要有两个步骤：

1)能量定标，将校准的能量计放置在主光路中样品的位置，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。

2)测量和拟合，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。

以往非线性的研究主要在集中在532nm，1064nm，800nm等波段，这些波段的激光是激光器直接出射或倍频后得到的，一般可以达到比较理想的空间分布和稳定性。随着研究的深入，为了研究非线性材料在其它波段的非线性性质，就必须借助于光学参量产生器(OPG)、光学参量放大器(OPA)或光学参量振荡器(OPO)等仪器。通过这些仪器可以将波长调节到从可见到近红外的任意波段，但是这些仪器出射的激光通常空间分布以及能量都很不稳定。

利用4f相位相干成像系统测量材料的非线性需要拟合4f系统入射面的像和出射面的非线性的像，传统的方法中利用二次测量法先后得到线性光斑和非线性光斑，然后以线性光斑来代替4f系统入射面的像进行拟合，这两个光斑是从两个不同的激光脉冲分别得到的，在激光空间分布稳定的情况下，尽管线性光斑与非线性光斑是由不同的脉冲得到的，但是它们在入射面上具有相同的空间分布，因此可以用线性光斑来代替非线性光斑在入射面上的空间分布进行数值模拟。

但是当激光脉冲空间分布不稳定的情况下，由于脉冲之间的空间分布的不稳定性，由不同脉冲得到的非线性光斑与线性光斑在入射面上的空间分布就可能会有明显的差异，此时如果继续用线性光斑作为输入就会造成数值模拟结果与实验测量结果的不同。因此，现有的4f相位相干成像系统无法在光斑分布不稳定情况下对材料的光学非线性折射进行有效的测量。

发明内容

本发明目的是克服现有技术的不足，提供一种能够在激光光斑空间分布不稳定的情况下测量介质的光学非线性折射率的方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于4f相位相干成像系统测量材料的光学非线性的方法，4f相位相干成像系统通过分束镜将入射激光分成两束，一束为探测光进入测量光路，通过4f系统后用CCD采集；另一路为参考光，进入参考光路后用同一个CCD采集；样品位于测量光路4f系统的傅里叶平面，其特征在于该4f相位相干成像系统的参考光路是4f系统，且参考光路的出射方向与测量光路的出射方向平行；其测量步骤为：