[发明专利]实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置和测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及非线性光学，是一种测量材料非线性折射率和非线性吸收的实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置和测量方法，该装置具有多种模式，参数设置方便，数据处理简单，可进行实时观察。

背景技术

信息光学的发展和样品制备工艺的进步使得纳米技术和光学更好地结合起来，其中很多效应更多的是呈现材料的非线性性质。非线性效应在光开关、自相位调制和自聚(散)焦等方面有着重要的作用，它是材料的一个重要性质，所以弄清材料的非线性是很有必要的。一般说来，测量材料的非线性有三次谐波产生、光学克尔开关、非简谐的四波混频以及Z扫描技术。前三者测量设备复杂，成本高，精度及效率都较低。20世纪发展起来的Z扫描技术(参见M.Sheik-Bahae，A.A.Said，T.Wei，D.J.Hagan，and E.W.Van Stryland，IEEE J.Quantum Electron.26，760(1990))以其简便的装置设计和较高的精度，成为目前最常用的测量材料非线性的手段。该技术一般是基于单束光在样品表面上引起的相位畸变，结合菲涅尔—惠更斯原理，利用标量衍射理论，最后探测器得到光强的变化。

此方法光路简单，处理方便，精度较高；但此方法一般不能同时测量材料的非线性折射率和非线性吸收系数，不能确定材料的非线性是来源于激光导致的本征效应还是激光导致的材料本身的结构变化，很难得出导致非线性效应的内部机理。苏州大学杨俊义等人(ZL 200820041810.1)利用泵浦光和探测光进行Z扫描的测量，实现的难度是很难控制泵浦光和探测光之间的角度差异，很难达到较好的效果，光路调节较难，并没有单光束的光路来得简单和有效。

发明内容

本发明的目的是为了寻找和改进上述现有技术的不足，提供一种测量材料的非线性折射率和非线性吸收系数的实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置和测量方法，能更为准确地测量、判定非线性折射率和非线性吸收系数，以研究材料非线性的内部机理。该装置具有参数设置方便，数据处理简单和实时观察的特点。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种实时观察的单束双模参数可调型Z扫描装置，由参数调制、数据采集、观察系统三个主要部分组成。其中，参数调制部分采用0～1可调的衰减片使得入射激光的功率可调；采用声光调制器使得出射激光的脉冲宽度可调；激光入射到样品表面后，由于样品的非线性效应使得出射光发生变化，用分光棱镜将出射的光分成两束，其中沿着光轴方向放置一中心在光轴上的小孔光阑，其后用探测器探测光强，求得材料的非线性折射率；另一束光用透镜直接汇聚到探测器中，求得材料的非线性吸收系数。

一种实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置，特点在于其构成包括激光器，沿该激光器输出激光前进的主光路方向依次是第一可调衰减片、声光调制器、第一孔径光阑、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一聚焦透镜、待测样品、第二聚焦透镜、第三分光棱镜、第二小孔光阑和第三探测器，该第三探测器的输出端与计算机的输入端相连；所述的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜共焦，所述的待测样品位于样品控制台上且该待测样品表面垂直于所述的主光路，置于所述的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜共焦点附近；

所述的声光调制器与信号发生器相连，由第一可调衰减片、声光调制器和信号发生器组成参数调制部分；

在所述的第一分光棱镜的一侧垂直于所述的主光路方向设置冷光源，该冷光源发出的光经第一分光棱镜反射后沿所述的主光路经第二分光棱镜进入所述的第一聚焦透镜，在所述的第一分光棱镜的另一侧垂直于所述的主光路方向设置第一探测器，该第一探测器的输出端与所述的计算机的输入端相连；

在所述的第二分光棱镜的一侧垂直于所述的主光路方向设置滤光片和CCD；

在所述的第三分光棱镜的一侧垂直于所述的主光路方向依次设置第二可调衰减片、凸透镜和第二探测器，该第二探测器的输出端与所述的计算机(20)的输入端相连；

所述的计算机的输出端与所述的样品控制台的控制端相连。

所述的第一可调衰减片的输出激光功率对入射激光功率的比值0～1任意可调。

所述的声光调制器对激光脉冲宽度从5ns到连续光连续可调。

利用上述实时观察的单束双模参数可调Z扫描装置进行测量的方法，其特征在于包括下列步骤：