專利名稱：基于透鏡幾何光學成像的非線性吸收測量方法
技術領域：
本發明涉及一種用于測量非線性光子學材料的測量方法，尤其是一種研 究非線性吸收的成像方法，屬于非線性光子學材料和非線性光學信息處理領 域。
背景技術：
隨著光通信和光信息處理等領域技術的飛速發展，非線性光學材料研究日 益重要。光信息存儲、光開關、光計算機，以及激光加工、激光醫療與光子 生物學、激光檢測與計量、激光光譜分析技術、激光武器等等方面的應用都 要依賴于非線性光學材料的研究進展。光學非線性測量技術是研究非線性光 學材料的關鍵技術之一。目前常用的測量非線性光學參數的方法有Z掃描、 四波混頻、三次諧波非線性干涉法、橢圓偏振法、基于4f相位相干成像測量 等。除了 Z掃描和4f相位相干成像方法以外，其他的測量方法均需兩束或兩 束以上激光，使得測量裝置的光路復雜化。下面就最常用的兩種方法做簡單 介紹。
Z掃描方法(Mansoor Sheik-Bahae， AU A. Said, Tai-Hui Wei， David J. Hagan, E. W. Van Stryland. "Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam", IEEE J. Quantum Elect, 26， 760-769 (1990))是目前較 常用的單光束測量光學非線性的方法，測量時，將樣品放在移動平臺上，激 光器輸出的脈沖光被透鏡聚焦到樣品上，再被分束器分成兩路， 一路探測非 線性吸收(開孔Z掃描)，另一路經過小孔用來探測非線性折射(閉孔Z掃描)， 在測量過程中要移動樣品以測量不同光強下的非線性響應。實現上述方法的 裝置光路簡單，但是該方法對激光的空間分布及能量穩定性以及樣品表面性 質要求較高，測量過程中需要樣品在激光傳播的方向移動；另外，由于需要 激光多次激發，容易造成材料性質的改變以至于損傷，實驗測量結果往往還 需要進行其他實驗來判斷是否可靠。
基于4f相位相干成像測量材料的三階非線性折射率的方法是由GeorgesBoudebs等人于1996年提出(G. Boudebs， M. Chis， and J. P. Bourdin， "Third-order susceptibility measurements by nonlinear image processing", J. Opt. Soc. Am. B， 13， 1450-1456 (1996))，后來經過幾次改進演變成通過在4f 系統入射面上加相位光闌來測量材料的非線性。這個方法是受到澤爾尼克相 襯原理啟發而提出的。它同Z掃描方法一樣，也屬于光束畸變測量。其基本 原理是把非線性樣品放置在4f系統的頻譜面上，然后讓激光通過這個4f系統。 這樣由于樣品非線性的作用，4f系統出射面上的光強分布就會發生變化。用 CCD將變化了的光場空間分布記錄下來，然后配合數值模擬就可以得到材料 的非線性系數。
由于光場分布受到非線性吸收和折射共同的影響，4f系統用來測量純非 線性折射的樣品具有較髙的靈敏度，但是測量有非線性吸收的樣品有一定的 局限性。雖然通過數值計算可以提取出非線性吸收的值(LI YiuiBo， SONG YingLin， WANG YuXiao， ZHANG XueRu， SUN JiangQin， YANG JunYi， SHI Guang & WANG Yu， "Simultaneous measurements of nonlinear refraction and nonlinear absorption using a 4f imaging system" (2008))， 但是并不會巨得 到很直觀的結果，而且數據處理比較復雜。
發明內容
本發明的目的是提供一種基于透鏡幾何光學成像的非線性吸收的測量 方法，從空間角度對被檢測材料的非線性吸收參數進行分析。
為達到上述目的，本發明采用的技術方案是 一種基于透鏡幾何光學成 像的非線性吸收測量方法，將激光脈沖分束為監測光和探測光，探測光經聚 焦透鏡聚焦后照射到待測樣品上，再經過成像透鏡成像到CCD相機上，其 中，待測樣品位于聚焦透鏡(焦距/;)的焦點或附近，成像透鏡的焦距為/" 待測樣品與成像透鏡的距離為"，CCD相機到成像透鏡的距離為v,則/2< "<2/2，且l/ +l/v=l//2，即待測樣品和CCD相機到成像透鏡的距離滿足幾 何光學成像關系；監測光照射在能量計探頭上，其測量步驟為
(l)先把待測樣品放在監測光路能量計探頭前面，在入射光路中設置前 衰減器，把入射光能量調節至產生非線性的閾值以下，記錄能量計讀數，拿 掉樣品，再次記錄能量計讀數，由前后兩次能量計讀數之比得到待測樣品的線性透過率；
(2) 把待測樣品放到探測光路中，拿掉前衰減器，在CCD相機前設置后 衰減器，發一個脈沖，用CCD相機采集一個"非線性圖像"，同時記錄能量 計讀數，根據監測光和探測光的分光比確定入射到待測樣品上的能量；拿掉 后衰減器，設置前衰減器，發一個脈沖，用CCD相機采集一個"線性圖像"；
(3) 對上述獲得的線性圖像和非線性圖像進行處理，獲得待測樣品的非 線性吸收系數。
上述技術方案中，所述步驟(3)中的處理包括，將線性圖像和非線性圖 像去掉背景噪聲后，以線性圖像作為空間輸入，根據薄樣品的吸收理論，計 算得到樣品后表面的空間分布，改變非線性吸收系數值進行擬合，其中，使 樣品后表面的空間分布和采集到的非線性圖像重合最好時的系數就是待測 樣品的非線性吸收系數。
上述技術方案中，入射激光脈沖采用分束器進行分束，其中，監測光經 過分束器后被能量計探頭接收，根據分束器的分光比，通過能量計探頭接收 的能量可以知道入射到樣品上的能量。
上述技術方案中，所述探測光在被CCD接收前的衰減倍數大于或等于 100, CCD的動態范圍大于或等于12。
本發明的技術方案中，探測光照射到待測樣品上使其產生非線性響應， 即物理特性發生變化，樣品后表面的光場空間分布將被成像透鏡直接成像到 CCD上，利用CCD接收到的探測光的空間分布，可以分析在不同入射能量 下的待測樣品的非線性響應情況，另外，如果把待測樣品放在聚焦透鏡的焦 點位置，還可以通過測量成像光斑的大小直接確定束腰半徑的大小。
本發明方法用一種全新的思路實現了對材料非線性吸收參數的測量，同其 他非線性光學測量技術(如Z掃描方法，4f系統)相比，具有以下優點
1.本方法采用單脈沖測量、沒有樣品的移動、對激光束的隨機波動敏 感度低、測量精確、速度快。與現有技術中改變輸入能量，通過測量透射能 量的變化來計算非線性吸收系數，需多個不同能量的脈沖才能完成測量的方 法相比，本發明主要利用脈沖的空間分布來測量，是單脈沖成像法測量，可 以用來測量材料的非線性折射率隨曝光時間變化的動態過程。2. 本方法的光路簡單、對光路的要求不髙，只要待測樣品距離成像透 鏡的距離大于其一倍焦距小于二倍焦距，而且樣品和CCD相機到成像透鏡 的距離滿足幾何光學成像關系即可，監測光路只有一個能量計探頭，非常簡 單。
3. 本方法測量每次只需要采集一個光斑，數據處理較普通4f相位相干 成像系統簡單了很多，樣品也不必準確放在焦平面位置，不需要用傅利葉光 學進行數值模擬。
4. 對非線性吸收的測量不受非線性折射的影響，測量結果直觀明了， 而普通4f相位相干成像系統中非線性吸收和折射是互相影響的。
附圖1是本發明實施例一中的基于透鏡幾何光學成像的非線性吸收的測
量方法的工作原理附圖2是本發明實施例一中CCD相機采集到的線性圖像空間分布； 附圖3是本發明實施例一中CCD相機采集到的非線性圖像空間分布； 附圖4是本發明實施例一中非線性圖像x(y-O)方向空間分布的擬合結果 附圖5是本發明實施例一中非線性圖像y(FO)方向空間分布的擬合結果。 其中1、入射激光束；2、聚焦透鏡；3、分束器；4、監測光路；5、待
測樣品；6、成像透鏡；7、后衰減器；8、 CCD相機；9、探測光路；10、能
量計探頭；11、前衰減器。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述
實施例一參見附圖1所示， 一種基于透鏡幾何光學成像的非線性吸收 的測量方法，以監測光路4和探測光路9為基礎，監測光路4包括一能量計 探頭IO,用來實時監測入射到待測樣品上的能量，待測樣品位于聚焦透鏡2 的焦平面附近，探測光路9包括成像透鏡6和后衰減器7及CCD相機8。 待測樣品5距離成像透鏡6的距離大于其一倍焦距小于二倍焦距，而且待測 樣品5和CCD相機8到成像透鏡6的距離滿足幾何成像關系。
利用分束器3把入射激光束1的激光脈沖分束至監測光路4和探測光路
69，入射光經過聚焦透鏡2聚焦照射到待測樣品5上，再經過成像透鏡6和 后衰減器7被CCD 8接收。探測光照射到待測樣品5上使其產生非線性響 應，即物理特性發生變化，樣品后表面的光場空間分布被成像透鏡6直接成 像到CCD相機8上，利用CCD相機8接收到的探測光的空間分布，可以分 析在不同入射能量下的待測樣品的非線性響應情況，另外，如果把待測樣品 放在聚焦透鏡2的焦點位置，還可以通過測量CCD相機接收到的光斑大小 直接確定束腰半徑的大小。
在本實施例中，激光光束為Nd:YAG激光器(Ekspla, PL2143B)倍頻以
后的532nm激光，脈寬21ps(FWHM)。 CCD相機像素大小6.4X6.4 ,2,每
個像素具有4095級灰度。待測樣品為ZnSe。檢測步驟如下
第一步利用分束器3把激光脈沖l分成監測光路4和成像光路9，先把 待測樣品5放在監測光路能量計探頭IO前面，把入射光能量調到非常低以致 不產生非線性，記錄能量計讀數，拿掉待測樣品5，再次記錄能量計讀數，由 前后兩次能量計讀數之比得到待測樣品的線性透過率；
第二步把待測樣品5放在附圖1中所示位置(即探測光路中)，拿掉前 衰減器ll，保留后衰減器7，發一個脈沖，用CCD相機采集一個"非線性圖 像"，同時記錄下能量計探頭10的讀數；拿掉后衰減器7，保留前衰減器ll, 發一個脈沖，用CCD相機采集一個"線性圖像"。
第三步將線性圖像和非線性圖像去掉背景噪聲后，用線性圖像空間分布 作為輸入信號，根據激光在薄樣品中的非線性傳播理論，計算得到樣品后表 面的空間分布，與實驗采集到的非線性圖像空間分布做比較得到非線性吸收 系數。對于ZiiSe非線性吸收系數測量的實驗和理論計算具體過程如下
探測光在樣品中傳播滿足
手=-a/-- (1) 定義a為線性吸收系數，《=1。8(1/77)/￡, 77為待測樣品的線性透過率，/3為非線
性吸收系數(這里為雙光子吸收系數)，當待測樣品被看作薄樣品時，在樣品后 表面的出射電場/,(x,少力可表示為
/￡ 0, 0 = /(x, _y, ,Kai [1 +《0, _y, 0]—1 O、其中= Ze# =(1 —e—"')/a ,丄是樣品的厚度，/(x,少,0是樣
品內的光強分布。CCD相機收集到的圖像是探測光的能流分布FOc,力，
F(w)Ow)d, (3)
對于不同的入射激光能量，由于有非線性吸收的存在，CCD相機收集到 的圖像的能流分布不同，以線性圖像的空間能流分布作為空間輸入，根據方 程(2)(3)，可以數值計算得到CCD上的能流分布，改變不同的非線性吸收系數 值，把數值計算得到CCD上的能流分布和實驗采集到的非線性圖像的能流分 布做比較，當兩者差別最小的時候，此時的值就是樣品的非線性吸收系數值。
附圖2是ZnSe實驗中CCD相機采集到的線性圖像空間分布；附圖3是 實驗中CCD相機采集到的非線性圖像空間分布；按上述方法擬合得到非線性
吸收系數為P-6cm/GW:附圖4是非線性圖像X(y-O)方向空間分布的擬合結果； 附圖5是y(^0)方向空間分布的擬合結果。
權利要求
1. 一種基于透鏡幾何光學成像的非線性吸收測量方法，其特征在于將激光脈沖分束為監測光和探測光，探測光經聚焦透鏡聚焦后照射到待測樣品上，再經過成像透鏡成像到CCD相機上，其中，待測樣品位于聚焦透鏡的焦點，成像透鏡的焦距為f2，待測樣品與成像透鏡的距離為u，CCD相機到成像透鏡的距離為v，則f2<u<2f2，且1/u+1/v＝1/f2；監測光照射在能量計探頭上，其測量步驟為(1)先把待測樣品放在監測光路能量計探頭前面，在入射光路中設置前衰減器，把入射光能量調節至產生非線性的閾值以下，記錄能量計讀數，拿掉樣品，再次記錄能量計讀數，由前后兩次能量計讀數之比得到待測樣品的線性透過率；(2)把待測樣品放到探測光路中，拿掉前衰減器，在CCD相機前設置后衰減器，發一個脈沖，用CCD相機采集一個“非線性圖像”，同時記錄能量計讀數，根據監測光和探測光的分光比確定入射到待測樣品上的能量；拿掉后衰減器，設置前衰減器，發一個脈沖，用CCD相機采集一個“線性圖像”；(3)對上述獲得的線性圖像和非線性圖像進行處理，獲得待測樣品的非線性吸收系數。
2. 根據權利要求1所述的基于透鏡幾何光學成像的非線性吸收測量方 法，其特征在于所述步驟(3)中的處理包括，將線性圖像和非線性圖像去 掉背景噪聲后，以線性圖像作為空間輸入，根據薄樣品的吸收理論，計算得 到樣品后表面的空間分布，改變非線性吸收系數值進行擬合，其中，使樣品 后表面的空間分布和采集到的非線性圖像重合最好時的系數就是待測樣品 的非線性吸收系數。
3. 根據權利要求1所述的基于透鏡幾何光學成像的非線性吸收測量方 法，其特征在于監測光經過分束器后被能量計探頭接收，根據分束器的分 光比，通過能量計探頭接收的能量確定入射到樣品上的能量。
4. 根據權利要求1所述的基于透鏡幾何光學成像的非線性吸收測量方 法，其特征在于所述探測光在被CCD接收前的衰減倍數大于或等于100， CCD的動態范圍大于或等于12。
全文摘要
本發明公開了一種基于透鏡幾何光學成像的非線性吸收的測量方法，把激光器輸出來的光分為監測光和探測光，監測光被一能量計探頭接收，用來實時監測入射到待測樣品上的能量，探測光經聚焦透鏡聚焦以后照射到位于其焦點或附近位置的待測樣品上，非線性導致經過樣品的探測光空間分布發生變化，這種變化經過放在后面的成像透鏡被CCD相機記錄。按本發明方法工作的測量系統理論模型非常簡單，數據處理容易，測量速度快，單脈沖測量降低了光學累積效應，非線性吸收的測量不受非線性折射的影響，對激光束的隨機波動敏感度低，測量結果精確，實驗結果直觀明了等優點。
文檔編號G01N21/59GK101477047SQ20091002916
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月7日 優先權日2009年1月7日
發明者宋瑛林, 李常偉, 楊俊義, 敏 稅, 肖 金 申請人:蘇州大學