[发明专利]一种比较法测量三阶非线性折射的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量材料的光学非线性的方法，具体涉及一种采用比较法测量材料的三阶光学非线性折射的方法。

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，非线性光子学材料研究日益重要。光逻辑、光存储、光三极管、光开关等功能的实现主要依赖于非线性光子学材料的研究进展。介质光学非线性参数的测量技术是研究非线性光学材料的关键技术。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(1996)）就是近年来提出的一种测量材料非线性折射和吸收的新方法。

4f相位相干成像法是一种光束畸变的测量方法，这种方法是在4f系统物平面上放置一个相位光阑，将待测的非线性物体放置在傅里叶平面上，而在出射面上用CCD相机接收出射激光脉冲图像的方法。这种方法可以利用单脉冲同时测量非线性折射系数的大小和符号。相位光阑是在一个圆形光阑的中心制作一个面积更小圆形的相位物体，通过相位物体的光比其它地方的光有一个π/2的相位延迟。当被测材料的非线性折射率为正的时候，CCD接收到的非线性图像由于正相衬的原因，在相位物体的位置强度比周围增强。相反的，当被测材料的非线性这折射率为负的时候，非线性图像的相位物体的位置的强度比周围要弱。

4f相位相干成像法巧妙地利用相位光阑来实现了非线性折射率的大小和符号的测量。但是，在测量过程中，需要进行复杂的拟合计算。因此，有必要对4f相位相干成像法测量光学非线性折射率的方法进行改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种不需要复杂繁琐的拟合计算而采用比较法测量材料的三阶非线性折射的装置和方法。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种比较法测量三阶非线性折射的装置，包括相位光阑、主要由第一凸透镜、第二凸透镜和第一中性衰减片构成的第一光路、CCD相机，所述第一凸透镜和第二凸透镜构成光学4f系统；设有分束镜、第三凸透镜、第四凸透镜、第二中性衰减片和多个反射镜，所述第三凸透镜、第四凸透镜和第二中性衰减片构成第二光路，所述第三凸透镜和第四凸透镜构成光学4f系统；所述分束镜位于所述相位光阑后方，将光束分离至所述第一光路和第二光路，所述第一光路和第二光路的输出光分别进由所述CCD相机接收。

上述技术方案中，多个反射镜的设置用于配合分束镜将光束导入第一光路和第二光路，以及将第一光路和第二光路的出射光导入CCD相机。反射镜的设置位置和方式是本领域的公知常识。

上述技术方案中，所述第一凸透镜的焦距和第三凸透镜的焦距相等，所述第二凸透镜的焦距和第四凸透镜的焦距相等。

一种比较法测量三阶非线性折射的方法，采用上述装置实现，测量步骤包括：

(1)先将两个标准样品分别放在第一光路和第二光路的频谱面处，在CCD相机上同时记录下两个标准样品的非线性图像，获得两个标准样品的透射率变化值ΔT₁和ΔT₂；所述透射率变化值为非线性图像中，相位光阑的相位物体部分平均光强与相位物体外的平均光强之差；

(2)取下第一光路的频谱面处的标准样品，换上待测样品，在CCD相机上同时记录下待测样品和标准样品的非线性图像，获得待测样品的透射率变化值ΔT_s和标准样品的透射率变化值ΔT₂'；

(3)待测样品的非线性折射系数为，式中，n_s为待测样品的非线性折射系数，n_r为标准样品的非线性折射系数。

本发明通过与原有的4f主光路并联一个相同的4f参考光路，在主光路中放置待测样品，参考光路放置标准样品，利用轴上非线性相移与透射率变化成线性关系的区域，直接通过待测样品与标准样品的非线性透射率变化相比来测得三阶非线性折射系数，从而避免拟合计算。

其理论模型分析如下：

在4f系统的入射面上二维物体被由脉冲激光发射的归一化的线偏振单色平面波(E(x,y,t)=E₀(t)exp[-j(ωt-kz)]+c.c.)照射。如果相位物体透过率为t(x,y)，则在相位物体后表面的场为：O(x,y,t)=E(x,y,t)t(x,y)，所以样品前表面场振幅为O(x,y,t)的空间傅里叶变换：