專利名稱：基于相位物體單脈沖反射測量材料非線性的方法
技術領域：
本發明涉及一種利用光學手段測量材料的非線性性質的方法，具體涉及 一種基于相位物體的單脈沖反射測量介質界面反射光學非線性以及應用反 射光測量薄膜光學非線性性質的方法，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，非線性光學材料的研 究日益重要。光學邏輯、光學記憶、光三極管、光開關和相位復共軛等功能 的實現主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。
對于透過率較高的介質，目前常用的測量方法有Z掃描、4f系統相干成 像技術、馬赫-曾德干涉法、四波混頻、三次諧波非線性干涉法、橢圓偏振法 等。其中，Z掃描方法光路簡單、靈敏度髙，是目前最常用的單光束測量材 料光學非線性的方法，但是這種測量方法需要樣品在激光傳播方向的移動， 需要激光多次激發，對薄膜和易損傷的材料不適用，而且對激光能量的穩定 性和樣品表面的平整度要求比較髙。4f相位相干成像系統(G. Boudebs and S. Cherukulappurath， "Nonlinear optical measurements using a 4f coherent imaging system with phase object", Phys. Rev. A, 69， 053813(2004))是近 年來提出的一種測量材料非線性折射的新方法，利用4f相位相干成像技術 測量非線性折射具有光路簡單、靈敏度高、單脈沖測量，無需樣品移動、對 光源能量穩定性要求不高等優點。然而，上述幾種測量方法都是通過測量透 射光的變化來測量介質的光學非線性，對于透過率很低的介質以及研究介質 表面光學非線性是不適用的。
針對上述問題，D. V. Petrov等于1994年人提出了可測量介質表面光學 非線性的反射Z掃描法(D. V. Petrov， A. S. L. Gomes, and Cid B. de Arabjo，
3"Reflection Z-scan technique for measurements of optical properties of surfaces", Appl. Phy. Lett, 65,1067 (1994))，然而，這種方法和傳統的透射Z 掃描法一樣，需要樣品在激光傳播方向的移動，需要激光多次激發，容易損 傷介質的表面；此外，由于是對反射光的測量，反射面在測量的過程中要移 動，這就增大了測量的難度并影響了測量的準確性。
發明內容
本發明的目的是提供一種基于相位物體單脈沖反射測量材料非線性的 方法，以準確測量介質表面的光學非線性。
為達到上述發明目的，本發明采用的技術方案是 一種基于相位物體單 脈沖反射測量材料非線性的方法，入射激光通過第一分束鏡分成兩束， 一束 為監測光，由第一探測器記錄，另一束光經過相位物體后被透鏡聚焦到待測 樣品上，被待測樣品表面反射的脈沖光被第二分束鏡分成兩路， 一路直接由 第二探測器記錄，另一路通過一個中心和光軸重合的小孔光闌后進入第三探 測器；其測量步驟為
(1) 在遠離焦點光強弱的位置放上待測樣品，用第一探測器、第二探測 器、第三探測器收集經過光闌后的脈沖光能量，由此計算出開孔反射能量、 透過小孔能量分別與監測光能量的比值;
(2) 在焦平面位置放上待測樣品，用第一探測器、第二探測器、第三探 測器收集經過光闌后的脈沖光能量，并計算出開孔反射能量、透過小孔能量 分別與監測光能量的比值；
(3) 將步驟(2)中得出的兩個比值與步驟(1)中得出的兩個比值相除，得到 待測樣品歸一化的非線性開孔和閉孔反射率；對這兩個歸一化的非線性透過 率進行理論擬合得到非線性折射和吸收系數。
當相位物體的相位延遲大約為0.5;r,大小大約為入射光斑束腰半徑的0.1 倍時，系統的測量精度達到最高，因此可以根據實際情況進行調節。 上述技術方案中，所述相位物體放在所述透鏡前的任一位置。 優選的技術方案是，所述相位物體放在所述透鏡的前焦面上。以便于計算。上述技術方案中，所述小孔光闌的半徑等于所述相位物體的遠場衍射光 斑的半徑。
本發明的工作原理是非線性樣品受到脈沖光的作用后，材料的吸收系 數和折射率發生變化，導致被樣品反射的光場的振幅和相位發生變化，激光
的光強越強，反射光的振幅和相位變化越大，由第二探測器直接收集的反射 光的能量就會和線性情況不同。同時，根據相襯原理，非線性相移的變化在 遠場就表現為衍射光斑內光場振幅的變化，從而就會引起小孔的透過率的變 化，另外，振幅和相位的變化與材料的非線性折射和吸收的符號有關，所以， 在焦平面位置，無需移動樣品，在一個單脈沖的作用下，通過測量歸一化的 開孔和閉孔非線性反射率，就可以同時得到樣品的非線性折射和吸收的系數 和符號。
由于上述技術方案的采用，與現有技術相比，本發明具有如下優點
1. 本發明開發了一種新的測量介質表面的光學非線性的方法，實現了 對非線性折射和吸收系數的測量，可廣泛應用于介質界面非線性光學以及薄 膜非線性光學測量的研究領域，不僅能夠保證測試結果準確，極大地減小測 量的誤差，測試速度快捷，而且能夠極大的降低成本。
2. 本發明的光路簡單，沒有樣品的移動，靈敏度髙，且測量非常方便， 理論模型簡單。
3. 本發明采用單脈沖測量，不易損傷介質的表面，可保證測量的準確性。
附圖1是本發明實施例一的工作原理附圖2是本發明實施例一中相位物體的示意附圖3是本發明實施例一中入射光在待測樣品內反射的示意圖。
其中1、入射激光；2、第一分束鏡；3、第一探測器;4、相位物體；
5、透鏡；6、待測樣品；7、第二分束鏡；8、第二探測器；9、小孔光闌；
10、第三探測器。
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1~3所示， 一種基于相位物體單脈沖反射測量材料非線性的方 法，入射激光1通過第一分束鏡2分成兩束， 一束為監測光，由第一探測器 3記錄，另一束光經過相位物體4后被透鏡5聚焦到待測樣品6上，被待測 樣品6表面反射的脈沖光被第二分束鏡7分成兩路， 一路直接由第二探測器 8記錄，另一路通過一個中心和光軸重合的小孔光闌9后進入第三探測器10;
具體的檢測步驟為
(1) 將待測樣品6放在靠近透鏡5的位置，利用第二探測器8和第三 探測器10分別測量開孔和透過小孔光闌9的能量，同時利用第一探測器3 測量監測光的能量，將第二探測器8和第三探測器10所測得的能量除以第 一探測器3的能量，得到兩個能量比值；
(2) 將待測樣品6放在透鏡5的焦平面的位置，利用第二探測器8和 第三探測器10分別測量開孔和透過小孔光闌9的能量，同時利用第一探測 器3測量監測光的能量，將第二探測器8和第三探測器10所測得的能量除 以第一探測器3的能量，得到另外兩個能量比值；
(3) 將步驟(2)中的兩個比值分別除以步驟(1)中的兩個比值，得到樣品 開孔和透過小孔歸一化的非線性反射率；在通過數值模擬，得出待測樣品的 非線性折射和吸收系數。
在本實施例中，入射激光為Nd: YAG激光器(Ekspla， PL2143B)倍 頻以后的532nm激光，脈寬21ps，型號為(Rjp-765 energy probe)的探測器 連接在能量計(Rj-7620 ENERGY RATIOMETER， Laserprobe)上；所述待測 樣品為在單晶硅片基片表面以靜電自組裝技術制備的30-雙層 CuPc(COONa)4/PDDA薄膜。
對于CuPc(COONa)4/PDDA薄膜非線性測量的實驗和理論計算具體過 程如下
假設入射光束為基模髙斯光，其場強表達式為exp
2t'
式中，^為脈沖激光的最大場強值，f為光束的半徑，
半徑，r為脈沖光1/e半寬的時間。 相位物體的透過率為
(1)
為入射光束的束腰
1 (M)
(2)
式中，(p,為相位物體的相位延遲。
相位物體后表面的場強分布為
￡01(^) = ￡(W>(". (3)
由于相位物體放在透鏡前焦面，則傳播到樣品前表面的光場可直接通過 傅立葉-貝塞爾變換得到，
2兀
義/ "10
(4)
式中，/為透鏡的焦距，A為零階貝塞爾函數。
通常來說，反射光束的改變是由于表面效應(反射系數的改變)或者體效 應(傳播到薄膜里面的光波多次反射后振幅和相位的改變)引起的，如果反射 光束的改變只是由表面效應引起的，菲涅爾反射系數包括了由非線性引起的 折射率和吸收系數的改變，有效地反射系數可以表示為
/"、 浮cos 0 - a/茅-sin2 0
茅
COS0 +
(5)
sin 0
其中^= 。+"2|￡。2( ^)|2+,悟+ ^|￡。2(/1力|2)為復折射率，"。和ct。為材料的線
性折射率和線性吸收系數， 2和/ 為材料的非線性折射率和非線性吸收系數， e為入射角。
如果非線性主要是由體效應引起的，比如硅片上鍍一層透明薄膜，因為 我們關心的是非線性情況與線性情況的比值，為了簡化分析，可以忽略薄膜 表面反射并假設入射光在樣品內部只經歷一次反射，而且基底后表面的反射可以忽略，參考附圖3，這樣，有效的反射系數可以表示為
尺e(。") = rexexp(—(20￡/7。/^"0 —sin
(盧2/^—1/2)
(./A-〃2/p—1/2)
(6)
其中
￡,(《，0 = ￡02", 0 x re x exp[—a(
(./*"2//)—1/2)
"02 -sin2曙l+
4ff =[1-exp(-WV"02-sin2S)]/a0 ， ￡,(r1;0為在基底表面反射的光場，丄為樣品的
厚度，A為基底的線性折射率。則反射光的光場可以表示為
￡,.(^ ) = ￡。2(^)^0^) (7) 對于線性情況，只考慮線性衰減，則反射光的光場可以表示為
A。 Oi,0 = ￡。2 (/i,,) exp(-a。丄"。/ V"。2 _sin20) ( 8 )
線性情況下被樣品反射的光傳播到小孔光闌處的光場可通過菲涅爾衍 射公式得到
<formula>formula see original document page 8</formula>
(9)
同樣，非線性情況下小孔光闌處的光場為
<formula>formula see original document page 8</formula>
(10)
式中，d為遠場小孔光闌到透鏡焦點的距離。
對小孔處的光強在空間和時間上進行積分，可得到透過小孔的能量。將 考慮樣品非線性的和不考慮非線性情況下得到的透過小孔的能量相比，就得 到歸一化的閉孔反射率
<formula>formula see original document page 8</formula>(ii)
Ra為小孔光闌的半徑大小。
開孔情況下，直接對樣品表面反射光在空間和時間上進行積分，得到開 孔能量，將考慮樣品非線性的和不考慮非線性情況下得到的開孔能量相比， 就得到歸一化的開孔反射率<formula>formula see original document page 9</formula>L丄2訂H—一
R,為樣品上光斑的半徑大小。
對歸一化的開孔和閉孔反射率同時進行擬合，就可以得到樣品的非線性 折射和吸收系數。
在本實施例一中，入射激光能量為0.8A/J，相位物體的半徑為0. 5mm,相 位延遲為^=0.5兀，相位物體前入射光束的束腰半徑為2.8 mm，遠場小孔到
焦點的距離為0.8 m，小孔的半徑為1 mm。實驗測得開孔和閉孔歸一化的非 線性反射率分別為0.5981和1.2553。改變樣品非線性折射系數 ，使得理論
計算的非線性透過率和實驗測得的相吻合，可得的非線性吸收系數為
戶=1.4xl0-7 m/W，非線性折射系數為 =4.2x10-15 m2/W ，和文獻報道上的值一
致。參見文獻Y. Li， Y. Song, T. Wei， C. He, X. Zhang, Y. Wang, K. Yang, M. Shen and J. Yang, "Measurements of the third-order nonlinearity of inhomogeneous samples using the nonlinear-imaging technique with phase object," Appl. Phys. B 91(2008) 119-122.
9
權利要求
1.一種基于相位物體單脈沖反射測量材料非線性的方法，其特征在于入射激光通過第一分束鏡分成兩束，一束為監測光，由第一探測器記錄，另一束光經過相位物體后被透鏡聚焦到待測樣品上，被待測樣品表面反射的脈沖光被第二分束鏡分成兩路，一路直接由第二探測器記錄，另一路通過一個中心和光軸重合的小孔光闌后進入第三探測器；其測量步驟為(1)在遠離焦點光強弱的位置放上待測樣品，用第一探測器、第二探測器、第三探測器收集經過光闌后的脈沖光能量，由此計算出開孔反射能量、透過小孔能量分別與監測光能量的比值；(2)在焦平面位置放上待測樣品，用第一探測器、第二探測器、第三探測器收集經過光闌后的脈沖光能量，并計算出開孔反射能量、透過小孔能量分別與監測光能量的比值；(3)將步驟(2)中得出的兩個比值與步驟(1)中得出的兩個比值相除，得到待測樣品歸一化的非線性開孔和閉孔反射率；對這兩個歸一化的非線性透過率進行理論擬合得到非線性折射和吸收系數。
2. 根據權利要求1所述的基于相位物體單脈沖反射測量材料非線性的 方法，其特征在于所述相位物體放在所述透鏡前的任一位置。
3. 根據權利要求1所述的基于相位物體單脈沖反射測量材料非線性的 方法，其特征在于所述相位物體放在所述透鏡的前焦面上。
4. 根據權利要求1所述的基于相位物體單脈沖反射測量材料非線性的 方法，其特征在于所述小孔光闌的半徑等于所述相位物體的遠場衍射光斑 的半徑。
全文摘要
本發明公開了一種基于相位物體單脈沖反射測量材料非線性的方法，入射激光通過第一分束鏡分成兩束，一束為監測光，由第一探測器記錄，另一束光經過相位物體后被透鏡聚焦到待測樣品上，被待測樣品表面反射的脈沖光被第二分束鏡分成兩路，一路直接由第二探測器記錄，另一路通過一個中心和光軸重合的小孔光闌后進入第三探測器。本發明開發了一種新的測量介質表面的光學非線性的方法，實現了對非線性折射和吸收系數的測量，可廣泛應用于介質界面非線性光學以及薄膜非線性光學測量的研究領域。
文檔編號G01N21/41GK101609001SQ200910182228
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月1日 優先權日2009年7月1日
發明者宋瑛林, 李常偉, 楊俊義, 敏 稅, 肖 金 申請人:蘇州大學