專利名稱：基于z掃描的泵浦探測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種利用光學(xué)手段在來測試或分析材料的裝置，具體涉及一種研究材料的非線性光學(xué)物理機(jī)制以及測量其光學(xué)物理參數(shù)的裝置，屬于非線性光子學(xué)材料和非線性光學(xué)信息處理領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
隨著光通信和光信息處理等技術(shù)的飛速發(fā)展，非線性光學(xué)材料的研究顯得日益重要。光學(xué)邏輯、光學(xué)記憶、光三極管、光開關(guān)和相位復(fù)共軛等功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴于非線性光學(xué)材料的研究進(jìn)展。光學(xué)非線性測量技術(shù)是研究非線性光學(xué)材料的關(guān)鍵技術(shù)之一，其中弄清材料的光學(xué)非線性機(jī)制，如何準(zhǔn)確的確定材料重要的物理參量對于如何應(yīng)用材料是非常重要的。Z掃描方法(Mansoor Sheik-Bahae，Ali A.Said，Tai-Hui Wei，David J.Hagan，E.W.Van Stryland.“Sensitive measurement of optical nonlinearitiesusing a single beam”，IEEE J.Quantum Elect，26，760-769(1990))是目前最常用的單光束測量材料光學(xué)非線性的方法，此方法是在光束畸變測量方法的基礎(chǔ)上提出的，其優(yōu)點(diǎn)是光路簡單，處理方法簡單，測量精度高，并且可同時(shí)測量非線性吸收與折射。但這種方法很難準(zhǔn)確地確定材料的光學(xué)非線性機(jī)制以及材料對應(yīng)的重要的光學(xué)物理參數(shù)。
在Z掃描(Z-scan)的基礎(chǔ)上，1994年J.Wang等人提出了時(shí)間分辨Z-scan技術(shù)(J.Wang，M.Sheik-Bahae，A.A.Said，D.J.Hagan，and E.W.VanStryland，“Time-resolved Z-scan measurements of opticalnonlinearities”，J.Opt.Soc.Am.B，11，1009-1017，1994)。這種方法通過對樣品出射的不同時(shí)刻探測光的位相和強(qiáng)度的變化情況的分析來確定材料光學(xué)非線性的機(jī)制以及各個(gè)能級重要的光學(xué)物理參數(shù)。但這種方法在測量樣品非線性折射隨時(shí)間變化的特征時(shí)比較麻煩，而且誤差比較大，具體表現(xiàn)為(1)測量時(shí)需先測量樣品的非線性吸收的時(shí)間特征，然后再把樣品分別放在兩個(gè)位置進(jìn)行非線性折射時(shí)間特征的測量，最后還要除去非線性吸收的影響。(2)不能同時(shí)進(jìn)行非線性吸收和非線性折射時(shí)間特征的測量。由于不同時(shí)刻激光的空間分布和能量是不同的，從而會引起較大的測量誤差。
因而，需要尋求新的探測方法，以準(zhǔn)確地確定材料的光學(xué)非線性機(jī)制以及材料對應(yīng)的重要的光學(xué)物理參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種基于Z掃描的泵浦探測裝置，用于光學(xué)非線性材料的檢測，利用本裝置，可以確定材料的光學(xué)非線性機(jī)制并可同時(shí)準(zhǔn)確的測量材料重要的非線性光學(xué)參數(shù)。
為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是一種基于Z掃描的泵浦探測裝置，包括激光光源、分束器，所述分束器把入射激光束分為兩束，分別進(jìn)入泵浦光路和探測光路，所述泵浦光路包括時(shí)間延遲部件和凸透鏡；所述探測光路包括凸透鏡、出射分束器和兩個(gè)探測器，待測樣品位于凸透鏡的后焦面上，在所述探測光路的凸透鏡之前，設(shè)置有相位物體。
上述技術(shù)方案中，所述相位物體位于所述探測光光路中凸透鏡的前焦面上。
所述兩個(gè)探測器分別為第一探測器和第二探測器，在出射分束器和第一探測器之間設(shè)置有凸透鏡，在出射分束器和第二探測器之間設(shè)置有中心和光軸重合的小孔徑光闌。
上述技術(shù)方案中，所述時(shí)間延遲部件由兩個(gè)反射鏡和一個(gè)直角棱鏡構(gòu)成，直角棱鏡相對反射鏡具有直線平移運(yùn)動的自由度。所述直角棱鏡的移動范圍為0到22.5cm。
優(yōu)選的技術(shù)方案，所述探測光和泵浦光聚焦到待測樣品上的夾角在3°到8°范圍內(nèi)。
采用上述探測裝置，可以實(shí)現(xiàn)基于Z掃描的泵浦探測，其方法是，把激光束分為兩束，光強(qiáng)較強(qiáng)的一束為泵浦光，較弱的一束為探測光，泵浦光經(jīng)過時(shí)間延遲聚焦到待測樣品上，使處于基態(tài)的非線性樣品產(chǎn)生非線性吸收和非線性折射；所述待測樣品位于探測光光路中凸透鏡的焦平面上，出射的探測光經(jīng)一分光鏡分為兩束，一束直接進(jìn)入第一探測器，另一束通過一個(gè)中心和光軸重合的小孔徑光闌后進(jìn)入第二探測器；在所述探測光光路中，凸透鏡之前設(shè)置有相位物體，其測量步驟為 ①放上待測樣品，用兩個(gè)探測器分別收集不同時(shí)刻探測光的能量； ②對上述獲得的不同延遲時(shí)間的探測光能量曲線進(jìn)行處理，獲得所需的檢測材料的光學(xué)非線性參數(shù)。
上文中，所述步驟②中的處理包括，分別作出開孔歸一化的透射能量以及閉孔除以開孔的歸一化隨延遲時(shí)間的變化曲線，其中開孔歸一化透射能量隨延遲時(shí)間的變化曲線只與非線性吸收有關(guān)，閉孔除以開孔的歸一化隨延遲時(shí)間的變化曲線與非線性吸收和非線性折射都有關(guān)系，對開孔歸一化透射能量隨延遲時(shí)間的變化曲線進(jìn)行擬合得到有關(guān)非線性吸收的光學(xué)參量的大小和壽命；在非線性吸收參數(shù)已知的情況下，通過對閉孔除以開孔的歸一化隨延遲時(shí)間的變化曲線進(jìn)行擬合得到非線性折射相關(guān)參量的數(shù)值。
所述泵浦光的時(shí)間延遲通過兩個(gè)反射鏡和一個(gè)直角棱鏡實(shí)現(xiàn)，由反射鏡改變泵浦光的方向，調(diào)節(jié)直角棱鏡和反射鏡之間的間距，改變泵浦光的行進(jìn)距離，實(shí)現(xiàn)對延遲時(shí)間的調(diào)節(jié)。其中，所述直角棱鏡的移動范圍為0到22.5cm，對應(yīng)的時(shí)間延遲范圍為-200ps到1.3ns。
非線性樣品受到泵浦光的激發(fā)后處于基態(tài)的粒子躍向激發(fā)態(tài)，粒子布居數(shù)分布的變化導(dǎo)致對入射光的非線性吸收和非線性折射響應(yīng)；又由于粒子布居數(shù)隨著時(shí)間是不斷變化的，所以對于不同時(shí)刻的探測光產(chǎn)生的影響是不同的，從樣品探測光束的位相和強(qiáng)度的變化就可以得知這個(gè)時(shí)刻樣品中的粒子布居情況，通過分析不同時(shí)刻的探測光的情況就能夠同時(shí)測量出樣品的非線性吸收和非線性折射時(shí)間特性曲線，從而可以確定各個(gè)能級的吸收截面和壽命以及折射率體積。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn) 1.本實(shí)用新型的裝置結(jié)構(gòu)簡單，測量非常方便，沒有樣品的移動，理論模型簡單。
2.采用本實(shí)用新型的裝置，可以同時(shí)完成對非線性吸收和非線性的折射的測量，而基于傳統(tǒng)Z掃描方法的泵浦探測裝置對非線性吸收和非線性的折射的測量是分別進(jìn)行的，至少得進(jìn)行三次測量(焦點(diǎn)，峰位置和谷位置各一次)。
3.由于探測光和泵浦光以一個(gè)小的夾角相交，本實(shí)用新型對光路的要求低，用探測器接收信號時(shí)十分方便。
4.本實(shí)用新型的測量裝置，可以廣泛地應(yīng)用于非線性光學(xué)測量、非線性光子學(xué)材料、非線性光學(xué)信息處理和光子學(xué)器件等研究領(lǐng)域，尤其是非線性光功能材料的測試和改性等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

附圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例一中的相位物體示意圖； 附圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例一中的泵浦探測方法的工作原理圖； 附圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例一中開孔歸一化透過率隨延遲時(shí)間的變化圖； 附圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例一中閉孔除以開孔歸一化透過濾隨延遲時(shí)間的變化圖。
其中1、入射激光束；2、分束器；3、探測光路；4、泵浦光路；5、反射鏡；6、直角棱鏡；7、反射鏡；8、凸透鏡；9、反射鏡；10、相位物體；11、凸透鏡；12、待測樣品；13、出射分束器；14、小孔徑光闌；15、第二探測器；16、凸透鏡；17、第一探測器。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述 實(shí)施例一參見附圖2所示，一種基于Z掃描的泵浦探測裝置，包括激光光源、分束器2，所述分束器2把入射激光束1分為兩束，分別進(jìn)入泵浦光路4和探測光路3，所述泵浦光路4包括兩個(gè)反射鏡5、7和一個(gè)直角棱鏡6構(gòu)成的時(shí)間延遲部件和凸透鏡8，直角棱鏡相對反射鏡具有直線平移運(yùn)動的自由度，移動范圍為0到22.5cm；所述探測光路包括凸透鏡11、出射分束器13和兩個(gè)探測器，所述兩個(gè)探測器分別為第一探測器17和第二探測器15，在出射分束器13和第一探測器17之間設(shè)置有凸透鏡16，在出射分束器13和第二探測器15之間設(shè)置有中心和光軸重合的小孔徑光闌14；待測樣品12位于凸透鏡11的后焦面上，在所述探測光路的凸透鏡11的前焦面上，設(shè)置有相位物體10；所述探測光和泵浦光聚焦到待測樣品上的夾角在3°到8°范圍內(nèi)。
利用分束器2把激光脈沖1分成探測光路3和泵浦光路4，探測光路3經(jīng)過反射鏡9改變方向，透過相位物體10后由凸透鏡11聚焦到待測樣品12上，經(jīng)過分束器13后，分成兩束光，透射的一束經(jīng)小孔14后由第二探測器15接收，反射的一束經(jīng)凸透鏡16會聚后由第一探測器17接收；泵浦光路4經(jīng)過反射鏡5，直角棱鏡6，反射鏡7構(gòu)成的延遲平臺，由凸透鏡8聚焦到待測樣品12上，使待測樣品12處于基態(tài)的粒子受到激發(fā)躍遷到激發(fā)態(tài)，粒子布居數(shù)分布的變化對探測光路3的吸收和折射產(chǎn)生影響，又由于粒子布居數(shù)隨時(shí)間是不斷變化的，前后平移直角棱鏡6可以對不同時(shí)刻的探測光路3產(chǎn)生不同的影響，并被第二探測器15和第一探測器17接收。
在本實(shí)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。型號為(Rjp-765energy probe)的兩探測器連接在能量計(jì)(Rj-7620ENERGY RATIOMETER，Laserprobe)。待測樣品為磺化肽睛銅(CuPcTs)，其在532nm處線性吸收很弱，為激發(fā)態(tài)光學(xué)非線性。
具體的檢測步驟為(1)將第一探測器17放在樣品12的位置，測量泵浦光的能量。(2)放上樣品12，前后平移直角棱鏡6，連續(xù)記錄不同延遲時(shí)間的探測光的能量。(3)分別作出開孔歸一化的透射能量以及閉孔除以開孔的歸一化隨延遲時(shí)間的變化曲線。
對于CuPcTs非線性測量的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算具體過程如下 在考慮慢變振幅近似和薄樣品近似的情況下探測光在樣品中傳播滿足 Δn為折射率變化，Δα為吸收系數(shù)變化，z′激光在樣品中傳播的光程。在CuPcTs溶液樣品中， Δα＝σ0N0+σ1N1(3) Δn＝Δη1N1(4) 式中，N0，N1分別為基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)的粒子布居數(shù)；σ0，σ1分別為基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)的吸收截面；Δη1為第一激發(fā)態(tài)的折射體積與基態(tài)折射體積的差。
因?yàn)樵诒锰綄?shí)驗(yàn)中探測光比泵浦光弱了很多倍，所以可以認(rèn)為激發(fā)態(tài)上的粒子布據(jù)數(shù)是由泵光產(chǎn)生的 N00為基態(tài)初始的粒子布居數(shù)。
泵浦光通過樣品每一層后的光強(qiáng)變化為 圖3是CuPcTs溶液的泵浦探測的吸收結(jié)果曲線。最初，溶液的吸收隨著時(shí)間的變化而迅速增加，這是主要是由于第一激發(fā)態(tài)吸收的緣故，說明第一激發(fā)態(tài)的吸收截面σ1要比基態(tài)的吸收截面σ0大。當(dāng)泵浦脈沖光通過樣品后，探測光的透過率沒有出現(xiàn)恢復(fù)，并保持不變出現(xiàn)一段低的不變的透過率。這主要是因?yàn)榈谝患ぐl(fā)態(tài)的能級壽命很長，粒子布居數(shù)不變，并且第一激發(fā)態(tài)的吸收截面σ1要比基態(tài)的吸收截面σ0大的緣故。圖4為CuPcTs溶液的泵浦探測折射曲線，零延時(shí)后出現(xiàn)一段高的不變的透過率是因?yàn)榈谝患ぐl(fā)態(tài)的折射體積比基態(tài)折射體積大并且第一激發(fā)態(tài)壽命很長的緣故。通過擬合圖3中的吸收泵探曲線可以得到第一激發(fā)態(tài)的吸收截面為σ1＝89.5×10-22m2。擬合圖4可以得到第一激發(fā)態(tài)的折射體積為Δη1＝4.3×10-21m2。
權(quán)利要求1.一種基于Z掃描的泵浦探測裝置，包括激光光源、分束器，所述分束器把入射激光束分為兩束，分別進(jìn)入泵浦光路和探測光路，所述泵浦光路包括時(shí)間延遲部件和凸透鏡；所述探測光路包括凸透鏡、出射分束器和兩個(gè)探測器，待測樣品位于凸透鏡的后焦面上，其特征在于在所述探測光路的凸透鏡之前，設(shè)置有相位物體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Z掃描的泵浦探測裝置，其特征在于所述相位物體位于所述探測光光路中凸透鏡的前焦面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的其于Z掃描的泵浦探測裝置，其特征在于所述兩個(gè)探測器分別為第一探測器和第二探測器，在出射分束器和第一探測器之間設(shè)置有凸透鏡，在出射分束器和第二探測器之間設(shè)置有中心和光軸重合的小孔徑光闌。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Z掃描的泵浦探測裝置，其特征在于所述時(shí)間延遲部件由兩個(gè)反射鏡和一個(gè)直角棱鏡構(gòu)成，直角棱鏡相對反射鏡具有直線平移運(yùn)動的自由度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于Z掃描的泵浦探測裝置，其特征在于所述直角棱鏡的移動范圍為0到22.5cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Z掃描的泵浦探測裝置，其特征在于所述探測光和泵浦光聚焦到待測樣品上的夾角在3°到8°范圍內(nèi)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于Z掃描的泵浦探測裝置，包括激光光源、分束器，所述分束器把入射激光束分為兩束，分別進(jìn)入泵浦光路和探測光路，所述泵浦光路包括時(shí)間延遲部件和凸透鏡；所述探測光路包括凸透鏡、出射分束器和兩個(gè)探測器，待測樣品位于凸透鏡的后焦面上，其特征在于在所述探測光路的凸透鏡之前，設(shè)置有相位物體。本實(shí)用新型的裝置結(jié)構(gòu)簡單，測量非常方便可以廣泛地應(yīng)用于非線性光學(xué)測量、非線性光子學(xué)材料、非線性光學(xué)信息處理和光子學(xué)器件等研究領(lǐng)域，尤其是非線性光功能材料的測試和改性等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
文檔編號G01N21/01GK201222032SQ200820041810
公開日2009年4月15日 申請日期2008年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月17日
發(fā)明者楊俊義, 李云波, 宋瑛林, 顧濟(jì)華, 王玉曉 申請人:蘇州大學(xué)