專利名稱：用于光學材料微區的非線性效應所引起的折射率和雙折射變化的測量系統的制作方法
技術領域：
本發明的主題是一種用于光學材料微區的非線性效應所引起的折射率和雙折射變化的測量系統，其被用在光學材料參數計量，光譜，相移色散計量和材料工程中，在光學材料，特別是納米材料的非線性效應研究中。
背景技術：
干涉儀系統例如馬赫-曾德耳(Mach-Zehnder)干涉儀,邁克爾遜(Michelson)干涉儀以及他們的變型都被用于折射率和雙折射的測量。在應用光學研究所開發、基于可變波長技術的VAWI (可變波長干涉測量技術)偏光干涉顯微鏡也被使用。US 7663765專利說明書提出了一種用于雙光束測量技術的包括圖像獲取攝像機的測量系統。特定波長的一個光束通過包括位于系統入口、偏光器以及反射鏡系統的分光元件的光學系統。測量對象被放置于一個光束的傳播路徑上。在光學系統入口的兩個光束都被引導至圖像采集裝置，其記錄了兩個偏光光束的干擾得到的圖像且將圖像傳送至處理和分析記錄數據的電腦。應用于由具有大功率激光脈沖的物質相互作用所導致的非線性效應所引起的折射率變化的測量的已知的測量技術使用“Z-掃描”系統用于測量。在這些系統中，匯聚的大功率激光光束穿過被測量的材料樣品。由于材料折射率的非線性變化，穿過材料的光束的匯聚改變了，從而影響了由位于光軸Z上的固定探測器所測量的光強度。用于沿著光束傳播方向移動的樣品的不同位置的光強度測量使你能夠確定由非線性效應所引起的樣品折射率的變化。Z-掃描系統允許你測量僅在微區中的光學參數的改變，使得它不能用于顯微樣品的測量。另外，系統測量物質上的平均光效應，由此測出平均非線性折射率的數值。用于非線性折射率且包括干涉系統的其他單光束或雙光束測量系統也是已知的，然而，它們僅允許用戶測量在時間和空間中的平均參數，不允許用戶測量在微區中的非線性光學參數。已知系統的缺點在于它們不允許你測量光學材料微區中的非線性折射率和非線性雙折射以及環境條件對測量結果的影響，從而不允許你測量具有足夠精度的非線性參數。高分辨率成像的方法也是已知的。其中，基于在一個包括飛秒激光器，光子光纖和具有波前像差儀的攝像機的系統中的超連續光譜產生，它們被用在非線性光學，光譜和光學層析成像之中。飛秒激光脈沖在光子光纖中短暫的傳播允許用戶獲得連貫和廣泛的連續高分辨率光譜。這些系統不適合用于在光學材料微區中的非線性效應所引起的折射率和雙折射率變化的測量。
發明內容
本發明的目的是開發一種改進的干涉測量系統，其能夠使用激光脈沖精確的測量在小于幾個微米的區域中的光學材料的非線性折射率和非線性雙折射。
用于測試由非線性效應引起的折射率和雙折射的變化的測試系統，包括一個飛秒激光，一個光子光纖以及一個光學系統，該光學系統包括一個分光元件、兩個光通道和一個干涉儀測量系統，特別是以位于從光學系統中產生的測量光束的光軸上的VAWI干涉儀，根據本發明，其特征在于第一光通道包括具有測量光束聚集器的單色儀，并且該單色儀在入口處連接至光子光纖。第二光通道包括具有能夠改變在第二光通道內的第二光束的光程的可移動反射鏡的反射鏡系統。測試材料被置于位于來自光通道的測量光束和第二光束的交叉處的測量區域內。優選地，將濾光器置于測試材料和VAWI干涉儀之間以切斷第二光束激光。優選地，包括在第一光通道上包括聚焦元件，特別地，以位于光子光纖輸入端面的第一透鏡的形式。 優選地，包括在入口處配備有光學聚焦元件的第二光通道內的第二光纖，特別地，以第二透鏡的形式。優選的，包括位于分光元件和包括可移動反射鏡的反射鏡系統的可移動反射鏡之間的第二反射鏡，而可移動反射鏡是兩個平面反射表面的直角系。根據本發明，該系統能夠測量在小于幾個微米的區域中的光學材料的非線性折射率和非線性雙折射，在該區域內激光脈沖穿過垂直于朝向VAWI干涉儀的單色儀傳輸的測量光束的光軸的測試材料。另外，該系統能夠測量由物質與大功率激光脈沖的相互作用造成的非線性效應和熱效應引起的光學參數的變化，而非線性效應和熱效應可以被區分。單色儀的應用允許用戶可以獲得由單色儀所提供的整個光譜內的非線性折射率和非線性雙折射的精確的光譜特性。引起非線性光學效應的激光脈沖可以以不同的方式配置，例如，根據功率或波長，考慮到所觀察現象的增加和減少以及它們與波長的相關性，其允許用戶進行更加詳細的測試。
具體實施例方式本發明的主題在附圖
中示出了，該附圖展示了折射率和雙折射變化測量系統的示意圖。如圖所示，通過飛秒激光FS傳輸的單色激光光脈沖光束被分光元件DW分為穿過獨立的光通道KOl和K02的兩個光束。第一光通道KOl由光學系統中從分光元件DW至VAWI干涉儀的第一激光光束路徑所確定。第二光通道K02由光學系統中從分光元件DW至放置測試材料M的測量區域的第二激光光束路徑所確定。第一反射鏡Zl，第一透鏡Obl和光子光纖SF與固定有聚光器K的單色儀MCR串聯連接被置于第一光束路徑上。由光子光纖SF產生的超連續光譜通過輸入狹縫SI被引導進入單色儀MCR，同時從單色儀MCR產生的單色光束穿過輸出狹縫S2由聚光器K形成。放置測試材料M的測量區域位于聚光器K之后。單色光束，通過測量區域之后，穿過切斷源自VAffI干涉儀的第二光束的激光的濾光器F。在第二光束路徑上有第二反射鏡Z2，可移動反射鏡ZP，第二透鏡0b2以及將大功率激光射入測試材料M的第二光纖SM。可移動反射鏡ZP用于同步脈沖。測試材料M被放置于位于第二光束和單色光束的交叉點的測量區域，其中單色光束由單色儀MCR發出且沿著VAWI干涉儀的光軸移動。
單色光束是在VAWI干涉儀中被分析的測量光束。穿過第一光通道KOl的光束通過第一透鏡Obl被引導進入光子光纖SF，其將單色光脈沖轉變為多色光脈沖，特別地，白色光被稱為超連續譜。由光子光纖SF產生的多色光穿過可調諧單色儀MCR的輸入狹縫SI，被分成不同的波長并且被導入輸出狹縫S2。從輸出狹縫S2產生的、在單色儀MCR的測量范圍內的選定波長的單色光通過聚光器K被轉變為照亮測試材料M的單色光的平行光束。來自第二光通道K02的單色激光的大功率脈沖被傳輸穿過透鏡0b2進入將它們傳送至測試材料M的第二光纖SM。光也可能不通過第二光纖SM被導入測試材料M。來自光通道K02的大功率脈沖影響測試材料M，局部改變它的光學參數——折射率和雙折射——在它們穿過材料的時候及地方。材料的折射率和雙折射的瞬間變化引起在被大功率脈沖穿過的測試材料M的微區中的測量光束的相位推遲的瞬間變化。測量包括光脈沖在兩個光通道KOl，K02在空間和時間上的同步，使得兩個脈沖在同時到達被干涉儀所分析的測試材料M。在這種情況下，大功率脈沖在給定時間穿過的材料區域被由單色儀MCR產生的測量光束脈沖同步地照亮。可移動反射鏡ZP用于同步。反射鏡在箭頭所指示的方向內移動引起在第二光通道K02內通過的光脈沖的光程的變化。通過測試材料M之后，測量光束穿過濾光器F到達自動化VAWI干涉儀。由于來自兩個通道K01，K02的同步，干涉儀記錄了由大功率激光脈沖與物質的相互作用所產生的非線性效應引起的光學參數的瞬間變化。可調諧單色儀MCR能夠用預設波長的單色光束照亮測試材料M，使得它可以在遍及整個可見光光譜，即400-700nm的范圍內，測試折射率和雙折射的光譜分布的瞬間變化。用VAWI取代Z-掃描系統以及光子光纖SF產生的超連續光譜的應用大大提高了測量的精確度且能夠在材料的微區中測量。
權利要求
1.用于非線性效應引起的折射率和雙折射的變化的測試系統，它包括飛秒激光，光子光纖以及光學系統，該光學系統包括分光元件、兩個光通道和干涉儀測量系統，特別是以位于從光學系統中產生的測量光束的光軸上的VAWI干涉儀的形式，其特征在于第一光通道(KOl)包括具有形成測量光束的聚光器(K)的單色儀(MCR)，并且該單色儀(MCR)在入口處連接至光子光纖(SF)，以及第二光通道(K02)包括具有改變在第二光通道(K02)內的第二光束的光程的帶可移動反射鏡(ZP)的反射鏡系統，其中，測試材料(M)被置于位于測量光束和通過光通道(K02)傳輸的第二光束的交叉處的測量區域內。
2.根據權利要求1的系統，其特征在于切斷第二光束激光的濾光器(F)置于測試材料(M)和VAWI干涉儀之間。
3.根據權利要求1的系統，其特征在于第一光通道(KOl)包括聚焦元件，特別地，以位于光子光纖(SF)輸入端面的第一透鏡(ObI)的形式。
4.根據權利要求1的系統，其特征在于第二光通道(K02)包括在入口處配備有光學聚焦元件的第二光纖(SM)，特別地，以第二透鏡(0b2)的形式。
5.根據權利要求1的系統，其特征在于帶可移動反射鏡(ZP)的反射鏡系統包括位于分光元件(DW)和可移動反射鏡(ZP)之間的第二反射鏡(Z2)，而可移動反射鏡(ZP)是兩個平面反射表面的直角系。
全文摘要
本系統包括飛秒激光(FS)，光子光纖(SF)以及光學系統，該光學系統包括分光元件(DW)、兩個光通道(KO1,KO2)和干涉儀測量系統，特別是以位于從光學系統中產生的測量光束的光軸上的VAWI干涉儀。第一光通道(KO1)包括具有形成測量光束的聚光器(K)的單色儀(MCR)，并且該單色儀(MCR)在入口處連接至光子光纖(SF)。第二光通道(KO2)的反射鏡系統包括能夠改變在所述第二光通道(KO2)內的第二光束的光程的可移動反射鏡(ZP)。測試材料(M)被置于位于測量光束和通過光通道(KO2)傳輸的第二光束的交叉處的測量區域內。
文檔編號G01N21/23GK102998283SQ20121029582
公開日2013年3月27日 申請日期2012年8月17日 優先權日2011年9月11日
發明者加塞克·加拉斯, 達賴厄斯·利特溫, 托馬斯·科茲洛夫斯基, 塔德斯·克里斯汀斯基 申請人:應用光學研究所