一種表征飽和吸收材料的高靈敏度測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種表征飽和吸收材料的高靈敏度測量方法，是一種基于偏振態調控的高靈敏度測量非線性飽和吸收技術，用于表征具有非線性光學飽和吸收材料的非線性飽和光強，屬于非線性光子學應用技術、新型非線性光學材料和現代光子學領域。
【背景技術】
[0002]近年來出現的二維材料諸如石墨烯、氧化石墨烯和二硫化鎢等在可見光波長激光激發下具有巨大的非線性飽和吸收效應。這類具有飽和吸收效應的材料在超快光子學領域中如鎖模激光器和調Q激光器都有非常重要的應用。判別一種材料是否能夠作為實用的飽和吸收介質，飽和光強是非常重要的參數。因此，我們非常希望能夠有一種高靈敏度測量技術可以表征二維材料的飽和光強。線偏振高斯光束z-scan技術被廣泛用于表征二維材料的光學非線性效應，這是因為該技術實驗裝置簡單，測量靈敏度高，可以同時獲得材料的光學非線性系數的大小和符號。理論上二維材料存在巨大的非線性飽和吸收效應，但是實際測量中由于二維材料是單原子層結構，厚度通常只有幾個納米，造成了線偏振高斯光束Z-scan信號相對來說比較弱，導致線偏振高斯光束Z-scan的測量靈敏度和可靠性還不夠高。因此，需要改進表征二維材料飽和吸收效應的Z-scan測量技術，提高測量靈敏度和實驗可靠性。
[0003]為了提高Z-scan技術的測量靈敏度和增強信噪比，人們提出了各種各樣的改進方法，這些方法主要有兩類:1、采用雙通道采集信號，抑制激光能量抖動等外界環境的影響；2、改變入射光的光強分布。上述兩種方法有一個共同點就是入射光是偏振態均勾分布的線偏振光。近年來，一類光束截面上偏振態非均勻分布的新型光場，也就是矢量光場引起了人們的廣泛關注。其中最簡單的矢量光場是徑向偏振光，可以采用空間光調制器、4F系統以及Ronchi光柵獲得。弱聚焦偏振態徑向分布的徑向偏振光，可得到環狀分布的焦場，而線偏振高斯光束的焦場為焦點。由于其特殊的環狀場分布，這種光束已經被證實可應用于光限幅器中(J L Wu,B Gu,et al.Enhanced optical limiting effects in a double-deckerbis(phthalocyaninato)rare earth complex using radially polarized beams[J].Applied Physics Letters ,Volume 105 ,Page 171113，2014.)。現有技術資料還未見基于徑向偏振光開發的Z-scan表征飽和吸收的測量技術。
【發明內容】
[0004]發明目的:為了克服現有技術表征飽和吸收效應靈敏度不夠高的問題，本發明提供一種表征飽和吸收材料的高靈敏度測量方法，將徑向偏振光束與傳統Z-scan裝置相結合，在結構簡單、成本低廉、操作方便的前提下，更加靈敏且有效地表征材料的非線性飽和效應;與傳統的線偏振高斯光束Z-scan相比，本發明的測量靈敏度提高了30%以上。
[0005]技術方案:為實現上述目的，本發明采用的技術方案為:
[0006]一種表征飽和吸收材料的高靈敏度測量方法，利用空間光調制器以及4F系統將線偏振光束轉換為徑向偏振光束，偏振光束經一個凸透鏡聚焦，將非線性飽和吸收材料置于電位移平臺，利用生成的徑向偏振矢量光場經過透鏡聚焦后特殊的環狀焦場與非線性飽和吸收樣品相互作用，測量透射光強與樣品位置之間的變化關系，進而獲得材料的非線性飽和光強。由于聚焦徑向偏振光產生環狀焦場而不是通常聚焦高斯光束產生的光點，焦場與飽和吸收材料相互作用，使得用徑向偏振光測量飽和吸收材料時其測量靈敏度和可靠性得到很大提尚。
[0007]本發明方法具體為:采用擴束準直系統、徑向偏振光生成系統和徑向偏振矢量光場Z-scan測量系統進行測量，所述擴束準直系統包括凹透鏡和第一凸透鏡，所述徑向偏振光生成系統包括空間光調制器、第二凸透鏡、1/4波片、第三凸透鏡和Ronchi光柵，所述徑向偏振矢量光場Z-scan測量系統包括第四凸透鏡、電位移平臺、第五凸透鏡和能量探測器;第二凸透鏡和第三凸透鏡構成4F系統，非線性飽和吸收樣品加載在電位移平臺上；
[0008]激光器輸出的激光束依次經過凹透鏡和第一凸透鏡后擴束成高斯光束，高斯光束入射至空間光調制器，通過加載在空間光調制器上的全息圖調控高斯光束的空變相位信息，攜帶空變相位信息的高斯光束通過4F系統選取出正負一級衍射光，正負一級衍射光通過1/4波片由線偏振光轉化為正交的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，正交的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光通過Ronchi光柵進行合成生成徑向偏振矢量光場，然后通過第四凸透鏡聚焦至非線性飽和吸收樣品，通過電位移平臺控制非線性飽和吸收樣品沿光傳播方向進行移動，最后通過第五凸透鏡后由能量探測器收集透過非線性飽和吸收樣品后的激光能力。
[0009]在具體使用時，激光器可以選用滿足要求的商用激光器即可;優選的，所述激光器輸出的激光束為線偏振高斯光束或準高斯光束。為了生成高質量的徑向偏振矢量光場，
[0010]空間光調制器工作響應波長需要與激光器相匹配，加載在空間光調制器上的全息圖需要與Ronchi光柵的周期相匹配。
[0011]根據需要，可以靈活地選擇用于z-scan裝置的光源類型，可以是傳統的標量光場(即線偏振高斯光束)，也可以是準高斯光束;通過對測試結果比較，可以發現，相比于線偏振高斯光束Z-掃描，徑向偏振光Z-scan表征技術的靈敏度提高了30%以上。
[0012]所述非線性樣品可以是任意的非線性飽和吸收樣品，激發非線性飽和吸收效應的光源是徑向偏振光，而不是傳統的線偏振光；用徑向偏振光場代替線偏振光來激發樣品的非線性飽和吸收效應，其Z-scan測量靈敏度可以提升30%以上；也就是說在相同的光強峰值功率密度激發下，用本發明方法表征非線性飽和吸收效應的效果更佳，本發明方法能更加準確而可靠地獲取材料的非線性飽和光強。
[0013]有益效果:本發明提供的表征飽和吸收材料的高靈敏度測量方法，具有如下優勢:
1、本發明用徑向偏振光Z-scan技術表征材料的非線性飽和吸收效應，相比于線偏振光Z-scan技術，其測量靈敏度提升了30%以上，可更加準確而可靠地獲取材料的非線性飽和光強；2、本發明采用空間光調制器、4F系統以及Ronchi光柵生成徑向偏振光，光路簡單，操作方便，且器件制作成本低，大多數激光