专利名称：测量光学非线性的4f相位相干成像装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种利用光学手段测量材料的非线性性质的测量装置，具 体涉及一种基于反射4f相位相干成像技术测量介质界面反射光学非线性性质 以及薄膜光学非线性性质的装置，属于非线性光子学材料和非线性光学信息 处理领域。
背景技术：
随着光通信和光信息处理等领域技术的飞速发展，非线性光学材料的研究 日益重要。光学逻辑、光学记忆、光三极管、光开关和相位复共轭等功能的 实现主要依赖于非线性光学材料的研究进展。光学非线性测量技术是研究非 线性光学材料的关键技术之一。
对于透过率较髙的介质，常用的测量方法有Z扫描、4f系统相干成像技 术、马赫-曾德干涉法、四波混频、三次谐波非线性干涉法、椭圆偏振法等。 其中Z扫描方法光路简单、灵敏度高，是目前最常用的单光束测量材料光学 非线性的方法。但是这种测量方法需要样品在激光传播方向的移动，需要激 光多次激发，对薄膜和易损伤的材料不适用。4f相位相干成像系统(G. Boudebs and S. Cherukulappurath， "Nonlinear optical measurements using a 4f coherent imaging system with phase object，，, Phys. Rev. A， 69， 053813(2004)) 是近年来提出的一种测量材料非线性折射的新方法。利用4f相位相干成像技
术测量非线性折射具有光路简单、灵敏度髙、单脉冲测量，无需样品移动、 对光源能量稳定性要求不髙等优点。然而，上述几种测量方法都是通过测量 透射光的变化来测量介质的光学非线性，对于透过率很低的介质以及研究介 质表面光学非线性是不适用的。
1994年，D. V. Petrov等人提出了可测量介质表面光学非线性的反射Z扫 描法(D. V. Petrov， A. S. L. Gomes, and Cid B. de Arabjo， "Reflection Z-scan technique for measurements of optical properties of surfaces", Appl. Phy.
3Lett., 65,1067 (1994))，这种方法和传统的透射Z扫描法一样，需要样品在激 光传播方向的移动，需要激光多次激发，容易损伤介质的表面，由于是对反 射光的测量，而反射面在测量的过程中要移动，这就增大了测量的难度并影 响了测量的准确性。
发明内容
本实用新型目的是克服现有技术的不足，提供一种单脉冲测量、光路简单、 可准确测量介质反射光学非线性的装置。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是 一种测量光学非线性 的4f相位相干成像装置，主要由入射光路、测量光路和参考光路构成，所述 入射光路包括扩束系统、相位光阑和分束镜，入射激光束由分束镜分成两束， 一束为探测光进入测量光路，通过4f系统后由CCD相机采集；另一束为参考 光，进入参考光路，所述测量光路的4f系统为反射4f相位相干成像系统，待 测样品以反射位放置在第一凸透镜的焦平面上，反射光经第二凸透镜照射在 CCD相机上；参考光路与测量光路的出射光照射在同一个CCD相机上。
上述技术方案中，在所述测量光路的输出路径上位于CCD相机之前设置 有中性衰减片，在参考光路的输出路径上位于CCD相机之前设置有中性衰减 片。
上述技术方案中，所述第一凸透镜与第二凸透镜的焦距相同。
所述相位光阑到第一凸透镜的距离等于第一凸透镜的焦距；第二凸透镜到 CCD相机的距离等于第二凸透镜的焦距。
上述技术方案中，所述参考光路由凸透镜、两个反射镜和中性衰减片构成， 反射镜的设置角度使得参考光路的出射方向与测量光路的出射方向平行。
所述分束镜的透过率和反射率各为50%。
上述装置使用时，其测量分能量校准和光学非线性测量两部分进行； 其中，所述能量校准为，将能量计放置在反射4f系统的第一凸透镜后方， 接收整个激光光斑，发射一个激光脉冲，用能量计测量脉冲的能量，同时用 CCD相机采集参考光路的参考光斑，CCD探测到的参考光斑的强度成正线性 关系，据此确定测量过程中入射到待测样品上的脉冲的能量；所述非线性测量的步骤包括
(1) 在样品位置放置一全反镜，以与待测样品相同的反射角将入射光反 射到CCD中，用CCD相机采集一个脉冲图像和一个参考光斑，称为无样品 图像；
(2) 放置待测样品，将中性衰减片放置在待测非线性样品之前，使得照 射到样品上的光强降低到样品的光学线性区域，用CCD相机采集一个脉冲图 像和一个参考光斑，称为线性图像；
(3) 放置待测样品，将步骤(2)的中性衰减片放置在样品之后，用CCD 相机采集一个脉冲图像和一个参考光斑，称为非线性图像；
(4) 对上述获得的无样品图像、线性图像和非线性图像进行处理，通过 拟合获得所需检测的非线性参数。
上述技术方案中，以线性光斑作为输入通过数值拟合非线性光斑来得到介 质表面的光学非线性吸收和非线性折射的值。所述步骤(4)中的处理包括， 对线性图像和无样品图像分别进行积分，得到经样品反射后的线性脉冲激光 的能量和入射脉冲的总能量，两者的比值就是待测样品的线性反射率；对在 步骤(3)中采集的每个的图像作两个处理 一，对图像进行积分得到反射脉 冲激光的能量，将其线性反射的脉冲的能量相除，两者的比值为非线性反射 率；二，求出每个图像中心相位物体内的平均强度和其外的平均强度之差， 将这个差值与线性图像平均强度的比值定义为W;通过对非线性反射率的拟 合，得到界面薄膜光学非线性吸收系数；通过对A^的拟合，结合得到的界面 或薄膜非线性吸收系数，得到界面或薄膜非线性折射系数。
本实用新型在传统4f的焦平面处放置待测样品，利用样品的表面将入射 光以某一角度反射，沿反射光传播方向，在离焦平面一倍焦距处放置一相同 焦距的凸透镜，再将CCD放在此透镜后的一倍焦距处，反射光经透镜准直和 衰减后被CCD接收；通过对反射光斑的分析，仅由一个脉冲激光就可得到介 质界面的反射光学非线性。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点
1. 测量非常方便，光路简单，没有样品的移动，灵敏度高。
2. 单脉冲测量，不易损伤介质的表面，保证测量的准确性。3. 对光源能量稳定性以及空间的稳定性要求不髙。
4. 本实用新型的装置可以广泛地应用于介质界面非线性光学以及薄膜非 线性光学测量的研究领域，能够保证测试结果准确，极大地减小测量的误差； 測试速度快捷；对光源的要求也很低。
附图1是本实用新型实施例一中的反射4f相干成像技术的工作原理图； 附图2是本实用新型实施例一中带圆形相位物体的相位光阑示意图 附图3是本实用新型实施例一中的数值拟合曲线图。
其中1、凸透镜；2、凸透镜；3相位光阑；4、分束器；5、第一凸透镜； 6、待测样品；7、第二凸透镜；8、中性衰减片9、凸透镜；10、反射镜；11、 反射镜；12、中性衮减片；13、 CCD相机。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述
实施例一附图1是測量介质光学非线性的反射4f相位相干成像系统的 实验装置图。实验装置可以分为扩束系统、测量系统和参考系统三部分。扩 束系统是由凸透镜1和凸透镜2组成；測童系统由相位光阑3、第一凸透镜5、 待测样品6、第二凸透镜7、中性衰减片8和CCD相机13组成。其中中性衰 减片8是用来保证CCD相机13在其线性响应以内，第一凸透镜5和第二凸 透镜7构成反射4f系统，相位光阑3放置在反射4f系统的物面上，待测样品 6在傅里叶平面上，CCD相机13在4f系统的像平面上接收光斑图像。从激光 器出射的脉冲激光首先经过扩束系统扩束，扩束后的激光经过相位光阑后形 成近top-hat光，光束经第一凸透镜5会聚到放置在傅里叶面上的待测样品上， 由于待测样品的表面非线性使得入射的脉冲激光的光强和相位发生变化。从 样品表面反射的脉冲激光经过第二凸透镜7的傅里叶逆变换由CCD相机13 进行接收，获得非线性光斑。
参考系统由分束镜4、凸透镜9、反射镜IO、反射镜ll、中性衮减片12、 和CCD相机13组成。从相位光阑3出来的激光被分束镜4分为两束，其中一束经凸透镜9、反射镜IO、反射镜ll、中性衰减片12,被CCD相机13接 收，即为参考光斑。
附图2为相位光阑3的示意图，相位物体14为圆形，通过相位物体14
的光束比其它部分的光束位相延迟A,本实施例中相位延迟0.4"。
利用反射4f相位相干成像系统进行反射光学非线性的测量分两部分进 行，即能量校准和非线性測Jt。
能量校准是将非线性样品6取走，将校准的能量计放置在第一凸透镜5 之后的某一位置使得激光光斑能够全部打到能量计探头上。发射一个激光脉 冲，用能量计测量脉冲的能量，同时用CCD相机13采集参考光路的参考光 斑。由于光路中所有器件都是线性器件，所以根据参考光斑的强度就可以得 到入射脉冲激光的能量。这样在非线性测量过程中的入射到待测样品6上的脉 冲激光的能量就可以通过同一个脉冲撖光产生的参考光斑来计算得到。
非线性测i的具体步驟为将待測样品6放置在傅里叶平面上，先将中 性衰减片8放在分束器4与第一凸透镜5之间，入射一个脉冲激光，在CCD 上可以得到两个光斑即入射光经过測童系统打在样品表面后在CCD上获得的 线性光斑和从参考光路中得到的参考光斑，然后将中性衰减片8放回图1所示 的原位置，再入射一个脉冲激光，在CCD上可以得到两个光斑即入射光经过 测量系统打在样品表面后在CCD上获得的非线性光斑和从参考光路中得到的 参考光斑。
根据得到的线性光斑和非线性光斑以及参考光斑进行数值拟合。图3为 数值拟合曲线，其中虚线为测量的非线性光斑的中心切线，实线是以线性光 斑为输入光斑数值模拟得到的中心切线。通过改变^和"2的取值使模拟非线性
光斑与实验非线性光斑吻合从而得到样品的三阶非线性吸收系数/ 的值为
8.56x10-7m/『，三阶非线性折射率"2的值为6.25x10-15w2/『。
在本实施例中，激光光束为Nd:YAG激光器(Ekspla， PL2143B)倍频以 后的532iim激光，脉宽21ps。待測样品为以单晶硅片为基片在其表面以静电 自组装技术制备的30-双层CuPc(COONa)4/PDDA薄膜。
权利要求1. 一种测量光学非线性的4f相位相干成像装置，主要由入射光路、测量光路和参考光路构成，所述入射光路包括扩束系统、相位光阑和分束镜，入射激光束由分束镜(4)分成两束，一束为探测光进入测量光路，通过4f系统后由CCD相机(13)采集；另一束为参考光，进入参考光路，其特征在于所述测量光路的4f系统为反射4f相位相干成像系统，待测样品(6)以反射位放置在第一凸透镜(5)的焦平面上，反射光经第二凸透镜(7)照射在CCD相机(13)上；参考光路与测量光路的出射光照射在同一个CCD相机(13)上。
2. 根据权利要求1所述的测量光学非线性的4f相位相干成像装置，其特 征在于在所述测量光路的输出路径上位于CCD相机(13)之前设置有中性衰 减片(S),在参考光路的输出路径上位于CCD相机(13)之前设置有中性衰减片 (12)。
3. 根据权利要求1所述的测量光学非线性的4f相位相干成像装置，其特 征在于所述第一凸透镜与第二凸透镜的焦距相同。
4. 根据权利要求3所述的测量光学非线性的4f相位相干成像装置，其特 征在于所述相位光阑(3)到第一凸透镜(5)的距离等于第一凸透镜(5)的焦距； 第二凸透镜(7)到CCD相机(13)的距离等于第二凸透镜(7)的焦距。
5. 根据权利要求1所述的测量光学非线性的4f相位相干成像装置，其特 征在于所述参考光路由凸透镜(9)、两个反射镜(IO、 11)和中性衰减片(12)构 成，反射镜的设置角度使得参考光路的出射方向与测量光路的出射方向平行。
6. 根据权利要求1所述的测量光学非线性的4f相位相干成像装置，其特 征在于所述分束镜(4)的透过率和反射率各为50%。
专利摘要本实用新型公开了一种测量光学非线性的4f相位相干成像装置，主要由入射光路、测量光路和参考光路构成，所述入射光路包括扩束系统、相位光阑和分束镜，入射激光束由分束镜分成两束，一束为探测光进入测量光路，通过4f系统后由CCD相机采集；另一束为参考光，进入参考光路，其特征在于所述测量光路的4f系统为反射4f相位相干成像系统，待测样品以反射位放置在第一凸透镜的焦平面上，反射光经第二凸透镜照射在CCD相机上；参考光路与测量光路的出射光照射在同一个CCD相机上。本实用新型光路简单、测量方便、没有样品的移动，采用单脉冲测量、不易损伤介质的表面、对光源能量稳定性以及空间的稳定性要求不高。
文档编号G01N21/17GK201247199SQ200820038280
公开日2009年5月27日 申请日期2008年6月17日 优先权日2008年6月17日
发明者宋瑛林, 李云波, 杨俊义, 王玉晓, 顾济华 申请人:苏州大学