[发明专利]基于透镜几何光学成像的非线性吸收测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量非线性光子学材料的测量方法，尤其是一种研究非线性吸收的成像方法，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，非线性光学材料研究日益重要。光信息存储、光开关、光计算机，以及激光加工、激光医疗与光子生物学、激光检测与计量、激光光谱分析技术、激光武器等等方面的应用都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。目前常用的测量非线性光学参数的方法有Z扫描、四波混频、三次谐波非线性干涉法、椭圆偏振法、基于4f相位相干成像测量等。除了Z扫描和4f相位相干成像方法以外，其他的测量方法均需两束或两束以上激光，使得测量装置的光路复杂化。下面就最常用的两种方法做简单介绍。

Z扫描方法(Mansoor Sheik-Bahae，Ali A.Said，Tai-Hui Wei，David J.Hagan，E.W.Van Stryland.“Sensitive measurement of optical nonlinearitiesusing a single beam”，IEEE J.Quantum Elect，26，760-769(1990))是目前较常用的单光束测量光学非线性的方法，测量时，将样品放在移动平台上，激光器输出的脉冲光被透镜聚焦到样品上，再被分束器分成两路，一路探测非线性吸收(开孔Z扫描)，另一路经过小孔用来探测非线性折射(闭孔Z扫描)，在测量过程中要移动样品以测量不同光强下的非线性响应。实现上述方法的装置光路简单，但是该方法对激光的空间分布及能量稳定性以及样品表面性质要求较高，测量过程中需要样品在激光传播的方向移动；另外，由于需要激光多次激发，容易造成材料性质的改变以至于损伤，实验测量结果往往还需要进行其他实验来判断是否可靠。

基于4f相位相干成像测量材料的三阶非线性折射率的方法是由GeorgesBoudebs等人于1996年提出(G.Boudebs，M.Chis，and J.P.Bourdin，“Third-order susceptibility measurements by nonlinear image processing”，J.Opt.Soc.Am.B，13，1450-1456(1996))，后来经过几次改进演变成通过在4f系统入射面上加相位光阑来测量材料的非线性。这个方法是受到泽尔尼克相衬原理启发而提出的。它同Z扫描方法一样，也属于光束畸变测量。其基本原理是把非线性样品放置在4f系统的频谱面上，然后让激光通过这个4f系统。这样由于样品非线性的作用，4f系统出射面上的光强分布就会发生变化。用CCD将变化了的光场空间分布记录下来，然后配合数值模拟就可以得到材料的非线性系数。

由于光场分布受到非线性吸收和折射共同的影响，4f系统用来测量纯非线性折射的样品具有较高的灵敏度，但是测量有非线性吸收的样品有一定的局限性。虽然通过数值计算可以提取出非线性吸收的值(LI YunBo，SONGYingLin，WANG YuXiao，ZHANG XueRu，SUN JiangQin，YANG JunYi，SHIGuang & WANG Yu，“Simultaneous measurements of nonlinear refractionand nonlinear absorption using a 4f imaging system”(2008))，但是并不能得到很直观的结果，而且数据处理比较复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于透镜几何光学成像的非线性吸收的测量方法，从空间角度对被检测材料的非线性吸收参数进行分析。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于透镜几何光学成像的非线性吸收测量方法，将激光脉冲分束为监测光和探测光，探测光经聚焦透镜聚焦后照射到待测样品上，再经过成像透镜成像到CCD相机上，其中，待测样品位于聚焦透镜(焦距f₁)的焦点或附近，成像透镜的焦距为f₂，待测样品与成像透镜的距离为u，CCD相机到成像透镜的距离为v，则f₂＜u＜2f₂，且1/u+1/v＝1/f₂，即待测样品和CCD相机到成像透镜的距离满足几何光学成像关系；监测光照射在能量计探头上，其测量步骤为：