[发明专利]测量光学非线性的4f相位相干成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用光学手段测量材料的非线性性质的方法，具体涉及一种基于反射4f相位相干成像技术测量介质界面反射光学非线性以及应用反射光测量薄膜光学非线性性质的方法，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技术的飞速发展，非线性光学材料的研究日益重要。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学材料的关键技术之一。

对于透过率较高的介质，常用的测量方法有Z扫描、4f系统相干成像技术、马赫-曾德干涉法、四波混频、三次谐波非线性干涉法、椭圆偏振法等。其中Z扫描方法光路简单、灵敏度高，是目前最常用的单光束测量材料光学非线性的方法。但是这种测量方法需要样品在激光传播方向的移动，需要激光多次激发，对薄膜和易损伤的材料不适用。4f相位相干成像系统(G.Boudebsand S.Cherukulappurath，“Nonlinear optical measurements using a 4fcoherent imaging system with phase 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。利用4f相位相干成像技术测量非线性折射具有光路简单、灵敏度高、单脉冲测量，无需样品移动、对光源能量稳定性要求不高等优点。然而，上述几种测量方法都是通过测量透射光的变化来测量介质的光学非线性，对于透过率很低的介质以及研究介质表面光学非线性是不适用的。

1994年，D.V.Petrov等人提出了可测量介质表面光学非线性的反射Z扫描法(D.V.Petrov，A.S.L.Gomes，and Cid B.de Arabjo，“Reflection Z-scantechnique for measurements of optical properties of surfaces”，Appl.Phy.Lett.，65，1067(1994))，这种方法和传统的透射Z扫描法一样，需要样品在激光传播方向的移动，需要激光多次激发，容易损伤介质的表面，由于是对反射光的测量，而反射面在测量的过程中要移动，这就增大了测量的难度并影响了测量的准确性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种单脉冲测量、光路简单、可准确测量介质表面光学非线性的方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种测量界面反射光学非线性以及应用反射光测量薄膜光学非线性的4f相位相干成像方法，入射激光通过分束镜分成两路，一路为探测光进入测量光路，通过4f相位相干成像系统后由CCD相机采集；另一路为参考光；所述样品以反射方式放置于测量光路的第一凸透镜的焦平面处，沿反射光传播方向在一倍焦距处放置与第一凸透镜相同焦距的第二凸透镜，由此构成反射4f相位相干成像系统；其测量分能量校准和光学非线性测量两部分进行；

其中，所述能量校准为，将能量计放置在反射4f系统的第一凸透镜后方，接收整个激光光斑，发射一个激光脉冲，用能量计测量脉冲的能量，同时用CCD相机采集参考光路的参考光斑，CCD探测到的参考光斑的强度成正线性关系，据此确定测量过程中入射到待测样品上的脉冲的能量；

所述非线性测量的步骤包括：

(1)在样品位置放置一全反镜，以与待测样品相同的反射角将入射光反射到CCD中，用CCD相机采集一个脉冲图像和一个参考光斑，称为无样品图像；

(2)放置待测样品，将中性衰减片放置在待测非线性样品之前，使得照射到样品上的光强降低到样品的光学线性区域，用CCD相机采集一个脉冲图像和一个参考光斑，称为线性图像；

(3)放置待测样品，将步骤(2)的中性衰减片放置在样品之后，用CCD相机采集一个脉冲图像和一个参考光斑，称为非线性图像；

(4)对上述获得的无样品图像、线性图像和非线性图像进行处理，通过拟合获得所需检测的非线性参数。