[发明专利]一种改进的Z扫描非线性测量的实验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及超强超快激光脉冲在非线性光学方面的应用技术领域，尤其涉及一种改进的Z扫描非线性测量的实验装置及方法。

背景技术

激光器的发明是20世纪物理学最重大的成就之一，激光器问世以后提供了超强的电场，特别是当光波的电场强度可与原子内部的库仑场强度相比拟时，许多新奇的光学现象产生了，例如介质的吸收系数不再是一个常数，而与光强有依赖关系，这时一个新的学科出现了——非线性光学，非线性光学主要研究的是强光与物质的相互作用。同时，如此大的光强很容易损坏精密仪器，特别是人的眼睛，为了保护精密仪器，光进入精密仪器之前需要加一个光学限幅器。一个理想的光学限幅器：当光较弱时，几乎没有吸收，让大部分光进入仪器便于观察和探测，而当光较强时，限幅器便几乎吸收掉所有的光，只有一小部分进入仪器，这样就可以保护人眼和精密仪器探头，不致被强光损坏。因此，寻找具有大的非线性吸收系数的材料便成了一个前沿研究热点。

Z扫描技术是研究非线性光学系数的一种重要方法，它建立于光束空间畸变的原理基础之上，采用单光束测量，由远场透射率(T/T₀)的变化可直观判断非线性吸收系数和折射率的符号，利用公式拟合，可以直接得到它们的大小。单光束Z扫描方法光路简单，且灵敏度高。更引人注目的是这种测量技术功能强大，它可以测量非线性折射率和非线性吸收系数，即χ⁽³⁾的实部和虚部。所以自1989年由M.Sheik-Bahae等人提出以来，迅速得到完善和发展，并被相继应用到了光折变非线性效应的研究、激光束质量的检测等方面，是一种非常实用的实验手段。

Z扫描方法的基本实验装置又分为开孔和闭孔两种情况，分别测量非线性吸收系数和非线性折射率。飞秒激光器输出的高斯型光束经会聚透镜后进入样品，样品放置在一个可以沿Z轴前后移动的单轴电动平移台上，样品随电动平移台一起移动，透过样品的光由透镜收集全部进入探测器，然后由锁相放大器放大后电脑直接读出。改变Z轴的坐标，即样品的位置，由于介质的非线性吸收导致进入探测器的光强不同，可以得到一条透射率T与样品位置Z的曲线，这就是开孔Z扫描。开孔Z扫描中探测器接收到的光强变化完全由非线性吸收引起，因此这种方法可以得到非线性吸收系数。另外，如果在探测器前放置一个同心圆孔，只允许部分透射光进入到探测器，这就是闭孔Z扫描。闭孔Z扫描中光强的变化主要由折射率不均匀引起的，可以测量非线性折射率。

但是，之前报道的开孔和闭孔Z扫描均分两次测量，不仅浪费时间，增加激光器等昂贵仪器的使用时间。更重要的是无法保证吸收系数和折射率是在完全相同的实验条件下获得，在去除非线性吸收对闭孔Z扫描影响时，会引入更大的误差。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述技术问题，提供了一种改进的Z扫描非线性测量的实验装置及方法，该装置完成了开孔和闭孔Z扫描测量工作，同时获得待测样品的非线性吸收系数和折射率这两个参数的符号和大小。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种改进的Z扫描非线性测量的实验装置，包括：

放置待测样品的控制台，所述控制台在电机控制下沿平行于激光的主光轴的Z轴前后移动；

激光器，沿着所述激光器发出激光的主光轴方向依次设有斩波器、第一透镜、分束镜和第一探测器；所述分束镜和第一探测器之间设有光阑，激光的主光轴穿过光阑的孔径中心；所述分束镜所在的平面与激光主光轴方向的夹角为锐角，所述分束镜的反射光路中依次设有第二透镜和第二探测器；所述第一探测器与第一锁相放大器相连，所述第二探测器与第二锁相放大器相连，第一锁相放大器和第二锁相放大器均与PC机相连。

所述分束镜所在的平面与激光主光轴方向的夹角设为45度。

所述第一探测器和第二探测器为全同探测器。

所述待测样品为透明样品或半透明样品。

一种基于改进的Z扫描非线性测量的实验装置的实验方法，包括：

步骤(1)：启动改进的Z扫描非线性测量的实验装置；

步骤(2)：调整待测样品，将待测样品放置于第一透镜与分束镜之间，且使待测样品的表面与激光器发射的激光的主光轴方向垂直；部分激光透过分束镜，调节光阑，使光阑平面垂直于激光的传播方向，而且光轴穿过光阑的中心后进入第一探测器，由分束镜反射的激光通过第二透镜全部收集进入第二探测器；