(12)发明专利申请
(10)申请公布号(10)申请公布号 CN 104931424 A (43)申请公布日(43)申请公布日 2015.09.23
(21)申请号 201510227299.9(22)申请日 2015.05.06
(71)申请人山东师范大学
地址250014 山东省济南市历下区文化东路
88号(72)发明人马红 焦扬 赵丽娜 刘玫
高垣梅(74)专利代理机构济南圣达知识产权代理有限
公司 37221
代理人赵妍(51)Int.Cl.
G01N 21/17(2006.01)G01N 21/41(2006.01)
权利要求书2页 说明书5页 附图2页
(54)发明名称
一种改进的Z扫描非线性测量的实验装置及方法(57)摘要
本发明公开了改进的Z扫描非线性测量的实验装置及方法，该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度，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环相连，所述第二探测器与第二锁相环相连，第一锁相放大器和第二锁相放大器均与PC机相连。 C N 1 0 4 9 3 1 4 2 4 A CN 104931424 A
权 利 要 求 书
1/2页
1.一种改进的Z扫描非线性测量的实验装置，其特征在于，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。
2.如权利要求1所述的一种改进的Z扫描非线性测量的实验装置，其特征在于，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。
3.如权利要求1所述的一种改进的Z扫描非线性测量的实验装置，其特征在于，所述第一探测器和第二探测器为全同探测器。
4.如权利要求1所述的一种改进的Z扫描非线性测量的实验装置，其特征在于，所述待测样品为透明样品或半透明样品。
5.一种基于如权利要求1所述的改进的Z扫描非线性测量的实验装置的实验方法，其特征在于，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；
步骤(3)：当待测样品在电机驱动控制下沿平行于激光的主光轴的Z轴前后移动时，进入第一探测器的激光转换为电信号后，再经过第一锁相放大器放大后传输至PC机中绘制出闭孔Z扫描曲线，获得待测样品的非线性折射率的大小和符号；进入第二探测器的激光转换为电信号后，再经过第二锁相放大器放大后传输至PC机中绘制出开孔Z扫描曲线，获得待测样品的非线性吸收系数的大小和符号。
6.如权利要求5所述的改进的Z扫描非线性测量的实验装置的实验方法，其特征在于，所述激光入射到分束镜上的入射角选择45度。
7.如权利要求5所述的改进的Z扫描非线性测量的实验装置的实验方法，其特征在于，所述激光器发射的激光为高斯型激光脉冲。
8.如权利要求5所述的改进的Z扫描非线性测量的实验装置的实验方法，其特征在于，当激光器发射出高斯型激光脉冲且样品沿Z轴从-Z向+Z移动时，若闭孔Z扫描曲线的形状为先谷后峰，则待测样品的非线性折射率大于0；若闭孔Z扫描曲线的形状为先峰后谷，则待测样品的非线性折射率小于0。
9.如权利要求5所述的改进的Z扫描非线性测量的实验装置的实验方法，其特征在于，当激光器发射出高斯型激光脉冲且样品沿Z轴从-Z向+Z移动时，若开孔Z扫描曲线为关于Z＝0轴对称的谷型曲线，则待测样品的非线性吸收系数大于0；若开孔Z扫描曲线为关于Z＝0轴对称的峰型曲线，则待测样品的非线性吸收系数小于0。
10.如权利要求5所述的改进的Z扫描非线性测量的实验装置的实验方法，其特征在
2
CN 104931424 A
权 利 要 求 书
2/2页
于，所述第一探测器和第二探测器为全同探测器。
3
CN 104931424 A
说 明 书
一种改进的Z扫描非线性测量的实验装置及方法
1/5页
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。
[0001]
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。
[0003] 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。
[0004] 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。[0005] 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。
[0002]
发明内容
[0006]
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
4
CN 104931424 A
说 明 书
2/5页
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。[0007] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：[0008] 一种改进的Z扫描非线性测量的实验装置，包括：[0009] 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；
[0010] 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。[0011] 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。[0012] 所述第一探测器和第二探测器为全同探测器。[0013] 所述待测样品为透明样品或半透明样品。
[0014] 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：[0015] 步骤(1)：启动改进的Z扫描非线性测量的实验装置；[0016] 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；[0017] 步骤(3)：当待测样品在电机驱动控制下沿平行于激光的主光轴的Z轴前后移动时，进入第一探测器的激光转换为电信号后，再经过第一锁相放大器放大后传输至PC机中绘制出闭孔Z扫描曲线，获得待测样品的非线性折射率的大小和符号；进入第二探测器的激光转换为电信号后，再经过第二锁相放大器放大后传输至PC机中绘制出开孔Z扫描曲线，获得待测样品的非线性吸收系数的大小和符号。
[0018] 所述激光入射到分束镜上的入射角选择45度。[0019] 所述激光器发射的激光为高斯型激光脉冲。
[0020] 当激光器发射出高斯型激光脉冲且样品沿Z轴从-Z向+Z移动时，若闭孔Z扫描曲线的形状为先谷后峰，则待测样品的非线性折射率大于0；若闭孔Z扫描曲线的形状为先峰后谷，则待测样品的非线性折射率小于0。
[0021] 当激光器发射出高斯型激光脉冲且样品沿Z轴从-Z向+Z移动时，若开孔Z扫描曲线为关于Z＝0轴对称的谷型曲线，则待测样品的非线性吸收系数大于0；若开孔Z扫描曲线为关于Z＝0轴对称的峰型曲线，则待测样品的非线性吸收系数小于0。[0022] 本发明有益效果：
[0023] (1)本实验装置光路简单，没有复杂的光学仪器，操作容易；锁相放大器和斩波器的使用大大提高了信噪比，可以探测到极其微弱的光信号；(2)本实验装置实现了一次性完成非线性吸收系数和非线性折射率两个参数的测量工作，节约了实验时间，减少了激光器等精密仪器的使用时间，节约了实验成本，而且降低了激光器不稳定等带来的噪声；
[0024]
5
CN 104931424 A[0025]
说 明 书
3/5页
(3)本发明透过样品的激光经过分束镜分为光强相等的两个分量，两个分量分别进入两个全同的光电探测器，信号经锁相放大器放大后由电脑直接读出，同时获得非线性吸收系数和非线性折射率两个参数的大小和符号。附图说明
图1是本发明的实验结构示意图；
[0027] 图2是开孔Z扫描原理图；[0028] 图3是闭孔Z扫描原理图。[0029] 其中，1、斩波器，2、第一透镜，3、待测样品，4、分束镜，5、光阑，6、第一探测器，7、第二透镜，8、第二探测器，9、第一锁相放大器，10、第二锁相放大器，11、PC机，12、电机，13、斩波器控制器。
[0026]
具体实施方式
[0030] 下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：[0031] 如1图所示，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3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；[0032] 激光器，沿着所述激光器发出激光的主光轴方向依次设有与斩波器控制器13相连的斩波器1、第一透镜2、分束镜4和第一探测器6；所述分束镜4和第一探测器6之间设有光阑5，激光的主光轴穿过光阑5的孔径中心；所述分束镜4所在的平面与激光主光轴方向的角为锐度，所述分束镜4的反射光路中依次设有第二透镜7和第二探测器8；所述第一探测器6与第一锁相放大器9相连，所述第二探测器8与第二锁相放大器10相连，第一锁相放大器9和第二锁相放大器10均与PC机11相连。
[0033] 所述分束镜4所在的平面与激光主光轴方向的角度设为45度，这样使得透过样品的激光经过分束镜分为光强相等的两个分量。
[0034] 所述第一探测器6和第二探测器8为全同探测器。[0035] 所述待测样品3为透明样品或半透明样品。
[0036] 一种基于Z扫描非线性测量实验装置的实验方法，包括：[0037] 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：[0038] 步骤(1)：启动改进的Z扫描非线性测量的实验装置；[0039] 步骤(2)：调整待测样品，将待测样品放置于第一透镜和分束镜之间，且待测样品的表面与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，而且透射激光的主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；其中，激光入射到分束镜的入射角度最佳为45度，这样使得经过分束镜的反射光和透射光的光强比例为1:1，用于保证测量待测样品的非线性吸收系数的大小的准确性；[0040] 步骤(3)：当待测样品在电机驱动控制下沿平行于激光的主光轴的Z轴前后移动时，进入第一探测器的激光转换为电信号后，再经过第一锁相放大器放大后传输至PC机中绘制出闭孔Z扫描曲线，获得待测样品的非线性折射率的大小和符号；[0041] 进入第二探测器的激光转换为电信号后，再经过第二锁相放大器放大后传输至PC
6
CN 104931424 A
说 明 书
4/5页
机中绘制出开孔Z扫描曲线，获得待测样品的非线性吸收系数的大小和符号。[0042] 当激光器发射出高斯型激光脉冲且样品沿Z轴从-Z向+Z移动时，若闭孔Z扫描曲线的形状为先谷后峰，则待测样品的非线性折射率大于0；若闭孔Z扫描曲线的形状为先峰后谷，则待测样品的非线性折射率小于0。
[0043] 当激光器发射出高斯型激光脉冲且样品沿Z轴从-Z向+Z移动时，若开孔Z扫描曲线为关于Z＝0轴对称的谷型曲线，则待测样品的非线性吸收系数大于0；若开孔Z扫描曲线为关于Z＝0轴对称的峰型曲线，则待测样品的非线性吸收系数小于0。[0044] 以激光器发射出高斯型激光脉冲为例：
[0045] 当待测样品3沿Z轴由-Z经过焦平面向+Z方向移动时，由于待测样品3的非线性作用，远场的光强透过率将发生变化，以T/T0为归一化透过率，其中T0为低激光光强时的透射率，则T/T0为样品位置Z的函数。
[0046] (1)开孔Z扫描——对于非线性介质，由于吸收系数与光强I的关系为α＝α0+βI，其中，α为非线性介质的吸收系数；α0为线性吸收系数；β为非线性吸收系数，可为负值，也可为正值。
[0047] 当待测样品3沿Z轴从-Z向焦点移动时，由于第一透镜2的汇聚作用，激光光斑逐渐变小，光强逐渐变强。对于β＞0的介质,根据吸收系数与光强的关系可知，吸收系数随着样品的移动逐渐增大，透射率逐渐变小，则归一化透过率T/T0逐渐下降，如图2中A点位置。
[0048] 当待测样品3到达第一透镜2的焦点时，激光光斑最小，光强最大，此时透过率达到最小值，如图2中B点位置。样品继续向+Z方向前进，则激光光斑又逐渐变大，光强逐渐变小，归一化透过率T/T0逐渐上升，如图2中C点位置。随着样品的移动，归一化透过率T/T0最后到达最大值1，最终得到一条关于Z＝0轴对称的谷型曲线。对于β＜0的介质，将会得到一条关于Z＝0轴对称的峰型曲线。因此从扫描曲线的形状(谷或者峰)就可以直接得出样品非线性吸收系数的符号，软件拟合可以得到β的大小。[0049] (2)闭孔Z扫描——实验中所用激光光强分布为高斯型，其特点是中间光强大，边缘光强小。非线性介质的折射率的大小与光强I的关系为n＝n0+γI，其中，n为非线性介质的折射率；n0为线性折射率；γ为非线性折射率，可为负值，也可为正值。[0050] 对于γ＞0的样品，光斑中心处样品的折射率最大，逐渐减小到边缘处，此时样品相当于一个聚焦透镜,如图3中A点位置。
[0051] 当待测样品3沿Z轴从-Z向焦点移动时，入射到样品上的光强逐渐增强，样品类似一焦距可变的汇聚透镜，由于样品的自聚焦效应，使得激光的光斑变大，最终进入第一探测器的光强减少，归一化透过率T/T0逐渐下降。[0052] 越过焦点后样品继续向+Z方向移动，自聚焦效应使得激光光斑汇聚，最终进入第一探测器6的光增加，归一化透过率T/T0又重新逐渐上升，如图3中C点位置，在第一透镜的焦点处光强几乎没有变化，因此扫描曲线的形状为先谷后峰，完整的变化曲线如图3所示。
对于γ＜0的样品，导致样品出现自散焦现象，类似一焦距可变的发散透镜，这样
传至远场小孔屏的光束将变窄，透射率变大，T/T0增大，当越过焦点并向+Z方向移动时，样品对经焦点的光束进一步发散，这样传至远场小孔屏的光束将变宽，T/T0变小，扫描曲线为
[0053]
7
CN 104931424 A
说 明 书
5/5页
先峰后谷。
[0054] 对于负的非线性折射，在焦点前透射率出现最大值(峰)，在焦点后出现最小值(谷)，而对于正的非线性折射，则是先谷后峰，因此从扫描曲线上就可以直接得出样品非线性折射率的符号，经公式拟合也可以估算出γ的大小。[0055] 当激光器发射出其他形式的激光脉冲时，其原理与上述类似，将不再累述。[0056] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
8
CN 104931424 A
说 明 书 附 图
1/2页
图1
9
CN 104931424 A
说 明 书 附 图
2/2页
图2
图3
10
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容