专利名称：用于确定二阶非线性光学系数的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于确定二阶非线性光学系数的方法和系统。
背景技术：
众所周知，当电场E在光学线性材料的内部穿过时，所述电场在材料内部引起偏振P，所述偏振取决于电场E并且能够表达为P=X (1)E (1)其中χ ω是二秩张量(tensor of rank two)，被称为线性灵敏度(1 inear susceptivity)。在材料为光学非线性的情况下，偏振P根据下列等式而与电场E的能量(power) 相关P=X (1)Ε+ χ ⑵EE+ χ ⑶EEE+. · · (2)其中系数X⑵、X (3)等被定义为二阶、三阶等的非线性灵敏度，并且分别是三秩、 四秩等的张量；换句话说，η阶灵敏度χ ω是(η+l)秩张量。众所周知，特殊重要性通过二阶灵敏度X⑵来假设，所述二阶灵敏度是具有非中心对称晶体结构的材料的特征，这种特征是所谓的第二谐波发生(SHG)现象中固有的。详细地，在电场E以脉动(pulsation，角频率)ω振荡并且因此能够表达为E = E0cos( t-kz)的情况下，如果忽略高阶项，则可以示出，偏振P由下列等式给出
权利要求
1.一种用于确定材料的二阶非线性光学系数的方法，包括提供至少部分由所述材料制成的样品(1 ；35)的步骤，使第一光信号(Sil)和第二光信号(Si2)撞击到所述样品上的步骤，所述第一光信号和第二光信号分别具有第一脉动和第二脉动以及第一偏振态和第二偏振态，以这种方式使得所述样品产生具有第三脉动和第三偏振态的第二谐波光信号(Su3)， 所述第三脉动等于所述第一和第二脉动的和，所述第三偏振态与所述第一和第二偏振态相关；所述方法进一步包括确定与所述第二谐波光信号相关联的能量的多个测量的步骤， 以及基于能量的所述多个测量确定所述二阶非线性光学系数的步骤；所述方法的特征在于，所述确定能量的所述多个测量的步骤包括随所述第一和第二偏振态的变化来执行所述第二谐波光信号的能量测量的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述使第一光信号(Sil)和第二光信号(Si2)撞击到所述样本(1 ；35)上的步骤包括使所述第一和第二光信号以具有线性偏振的方式撞击的步骤，以使得所述第二谐波光信号(Su3)为线性偏振，所述第一和第二偏振态分别由第一偏振角(Φ》和第二偏振角(Φ2)限定，所述随所述第一和第二偏振态的变化来执行所述第二谐波光信号的能量的测量步骤包括变化所述第一和第二偏振角的步骤，以使得所述第一和第二偏振角具有多对相应值。
3.根据权利要求3所述的方法，其中，所述使第一光信号(Sil)和第二光信号(Si2)撞击到所述样本(1 ；35)上的步骤包括产生所述第一和第二光信号以使得所述第一和第二光信号的传播方向处于一个相同的平面(xz)中并且在所述第一和第二光信号之间形成相互入射角(β)的步骤，所述相互入射角的角平分线相对于所述样本的法线(η)形成倾斜角 (α )，所述第一和第二光信号分别与所述法线形成第一入射角(Ci1)和第二入射角(α2)， 所述第二谐波光信号(Su3)的传播方向处于所述平面内并且所述第二谐波光信号包含第一正交分量和第二正交分量，所述第一正交分量和第二正交分量的偏振方向分别垂直于和平行于所述平面(xz)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述随所述第一和第二偏振态的变化来执行所述第二谐波光信号的能量的测量的步骤包括获得多个测量组的步骤，通过以下步骤来获得每个测量组-对于所述相互入射角(β)和所述倾斜角(α)设定与所述每个测量组相关联的配置的值；-选定相应的正交分量，该正交分量在所述第一正交分量与所述第二正交分量之间选择；-变化所述第一和第二偏振角(Φρ Φ2)，以使得所述第一和第二偏振角具有相应多个对的相应值；以及-针对所述相应多个对的每个对来确定与所述相应的正交分量相关联的能量的测量。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述基于能量的所述多个测量来确定所述二阶非线性光学系数的步骤包括以下步骤-建立所述多个测量组以及与所述材料的二阶非线性光学张量(d )中的非零二阶非线性光学系数的布置相关的配置的对应值；以及-基于相应参数函数，将数值拟合方法应用于所述多个测量组中的每个测量组，所述参数函数包含作为相应参数的所述二阶非线性光学系数中的一个或多个，所述数值拟合方法的应用产生了所述相应参数的值，所述值将所述每个测量组的测量与由所述相应参数函数给定的对应值之间的偏差最小化。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述执行能量的测量的步骤进一步包括确定多个额外测量组，所述额外测量组与二阶非线性光学系数的值已知的参考样本相关，所述参考样本所属的晶体类别与所述材料所属的晶体类别相同，每个额外测量组与所述多个测量组的对应测量组相关联，每个额外测量组和每个对应组测量涉及一个相同的正交分量并且具有相同的配置值；所述方法进一步包括基于将所述数值拟合方法应用于所述对应测量组所使用的相同相应参数函数来将所述数值拟合方法应用于每个额外测量组。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述将所述数值拟合方法应用于每个额外测量组的步骤产生指示所述参考样本的非线性光学系数的至少一个量，所述方法包括基于指示非线性光学系数的所述至少一个量以及基于所述参考样本的二阶非线性光学系数的所述已知值的至少一个对应值来确定转换因子的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述将所述数值拟合方法应用于所述多个测量组中的每个测量组的步骤产生指示所述材料的非线性光学系数的至少一个量，所述方法进一步包括基于指示所述材料的非线性光学系数的所述至少一个量以及基于所述转换因子来确定所述材料的所述二阶非线性光学系数的步骤。
9.根据权利要求5所述的方法，其中，所述相应参数函数进一步包括能量参数，所述方法进一步包括基于对应于参考样本的一组参考测量来确定所述能量参数的步骤，所述参考样本的二阶非线性光学系数的值已知。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述提供样本(1；35)的步骤包括提供至少部分由具有属于6mm晶体类别的晶体结构的材料制成的样本，其中所述多个测量组包括含第一组，所述第一组与所述第一正交分量相关联，并且其中所述应用所述数值拟合方法的步骤包括将所述数值拟合方法应用于所述第一组并且基于第一参数函数，所述第一参数函数具有下列表达式其中，Ks是第一比例函数，并且其中其中，Φ^Ρ Φ 2是所述第一和第二偏振角，d15是二阶非线性光学系数，并且α ^和是分别对应于所述第一和第二光信号(Sn、Si2)的折射角。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述多个测量组进一步包括 -第二组，其与所述第二正交分量相关联，并且其中所述相应多个对的相应值包括使得所述第一偏振角(Φ)等于90°的多对值；以及 -第三组，其与所述第二正交分量相关联；并且其中，所述应用所述数值拟合方法的步骤包括分别基于第二参数函数和第三参数函数将所述数值拟合方法应用于所述第二和第三组，所述第二参数函数和第三参数函数分别具有下列表达式其中，Kp是第二比例函数，并且其中其中，d31和d33是二阶非线性光学系数，并且α 是对应于所述第二谐波光信号(Su3) 的折射角。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述提供样本(1 ；35)的步骤包括提供至少部分由具有属于6mm晶体类别的晶体结构的材料制成的样本，其中所述多个测量组包括 -第一组，其与所述第一正交分量相关联；-第二组，其与所述第二正交分量相关联，并且其中所述相应多个对的相应值包括使得所述第二偏振角(Φ2)为零的多对值；-第三组，其与所述第二正交分量关联，并且所述第三组的配置的值使得所述倾斜角 (α)为零；以及-第四组，其与所述第二正交分量相关联；并且其中，所述应用数值拟合方法的步骤包括分别基于第一参数函数、第二参数函数、 第三参数函数和第四参数函数将所述数值拟合方法应用于所述第一组、第二组、第三组、和第四组，所述第一参数函数、第二参数函数、第三参数函数、和第四参数函数分别具有下列表达式其中，Ks和Kp是第一比例函数和第二比例函数，并且其中—sin(f/r； icosCtfi, ")Η "η(αΗ }cosff : sin((J,,)其中，小工和Φ2是所述第一和第二偏振角，ari、ar2 ^P a 是分别对应于所述第一和第二光信号(Sn、Si2)以及对应于所述第二谐波光信号(Su3)的折射角，并且d15、d24、d31、d32和d33是二阶非线性光学系数。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述提供样本(1 ；35)的步骤包括提供至少部分由具有属于43m晶体类别的晶体结构的材料制成的样本，其中所述多个测量组包括第一组，所述第一组与所述第一正交分量相关联，并且其中所述应用所述数值拟合方法的步骤包括基于第一参数函数将所述数值拟合方法应用于所述第一组，所述第一参数函数具有下列表达式
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述多个测量组进一步包括 -第二组，其与所述第二正交分量相关联，并且所述第二组的配置值使得所述倾斜角 (α)为零；以及-第三组，其与所述第二正交分量相关联，并且所述第三组的配置值使得所述倾斜角 (α)非零；并且其中所述应用所述数值拟合方法的步骤包括分别基于第二参数函数和第三参数函数将所述数值拟合方法应用于所述第二和第三组，所述第二参数函数和第三参数函数分别具有下列表达式
15.根据权利要求9所述的方法，其中，所述提供样本(1 ；35)的步骤包括提供至少部分由具有属于Im晶体类别的晶体结构的材料制成的样本，其中所述多个测量组包括-第一组，其与所述第一正交分量相关联，并且其中所述相应多个对的相应值包括使得所述第一偏振角(Φ)等于90°的多对值；-第二组，其与所述第一正交分量相关联，并且其中所述相应多个对的相应值包括使得所述第一偏振角(Φ)等于0°的多对值；-第三组，其与所述第二正交分量相关联，并且其中所述相应多个对的相应值包括使得所述第一偏振角(Φ)等于90°的多对值；-第四组，其与所述第二正交分量相关联；并且其中所述应用所述数值拟合方法的步骤包括分别基于第一参数函数、第二参数函数、第三参数函数和第四参数函数将所述数值拟合方法应用于所述第一组、第二组、第三组和第四组，所述第一参数函数、第二参数函数、第三参数函数和第四参数函数分别具有下列表达式
16.根据权利要求9所述的方法，其中，所述提供样本(1 ；35)的步骤包括提供至少部分由具有属于32晶体类别的晶体结构的材料制成的样本，并且其中，所述多个测量组包括-第一组，其与所述第一正交分量相关联，并且其中所述相应多个对的相应值包括使得所述第一偏振角(Φ)等于90°的多对值；以及 -第二组，其与所述第二正交分量相关联；并且其中所述应用所述数值拟合方法的步骤包括分别基于第一参数函数和第二参数函数将所述数值拟合方法应用于所述第一和第二组，所述第一参数函数和第二参数函数分别具有下列表达式
17.根据权利要求10至16中的任何一项所述的方法，其中，所述第一和第二比例函数 Ks和Kp具有下列表达式其中
18.根据权利要求5至17中的任何一项所述的方法，其中，所述数值拟合方法是从下列中选择的方法最小二乘法、奇异值分解法、蒙特卡罗法、TiW10n0v正则化方法。
19.一种用于确定形成至少部分样本(1 ；35)的材料的二阶非线性光学系数的系统，包括支撑装置(洸)、光学发生装置01、22、23￡1、2313、2乜、2413、2^1、2513)，所述支撑装置配置成用于承载所述样本，所述光学发生装置配置成用于产生分别具有第一脉动和第二脉动以及具有第一偏振态和第二偏振态的第一光信号和第二光信号(Sn、Si2)，所述光学发生装置和所述支撑装置还布置成使得所述第一和第二光信号以使得所述样本产生具有第三脉动和第三偏振态的第二谐波光信号( )的方式撞击到所述样本上，所述第三脉动等于所述第一和第二脉动的和，所述第三偏振态与所述第一和第二偏振态相关；所述系统进一步包括用于测量能量的装置(27、28、四、30)和处理装置(31)，所述用于测量能量的装置配置成用于确定对应于所述第二谐波光信号的能量的多个测量，所述处理装置配置成用于基于所述多个测量来确定所述二阶非线性光学系数；所述系统的特征在于，所述光学发生装置Ol、22、23a、2;3b、2^、24b、2^i、2^)能够被控制为使得能够在每个能量测量时变化所述第一和第二偏振态。
20.根据权利要求19所述的确定系统，其中，所述光学发生装置(21、22、23a、23b、Ma、 24b.25a.25b)进一步配置为使得，所述第一和第二光信号(Sn、Si2)以具有线偏振的方式撞击到所述样本(1 ；35)上，使得所述第二谐波光信号(Su3)是线性偏振的，所述第一和第二偏振态分别由第一偏振角和第二偏振角(ΦρΦ2)限定，所述光学发生装置(21、22、23a、23b、 24a,24b,25a,25b)是能够受控制的以便变化所述第一和第二偏振角(Φρ Φ2)。
21.根据权利要求20所述的确定系统，其中，所述处理装置(31)进一步配置成用于基于至少一个参数函数在能量的所述多个测量组中的至少一个测量组上执行数值拟合方法， 所述参数函数将所述二阶非线性光学系数中的至少一个作为参数。
全文摘要
这里描述了用于确定材料的二阶非线性光学系数的方法。该方法设想的步骤有提供至少部分由该材料制成的样品(1；35)，使得第一光信号(Si1)和第二光信号(Si2)撞击在样品上，其中第一光信号和第二光信号分别具有第一脉动和第二脉动，以及具有第一偏振态和第二偏振态，以这种方式使得样本产生第二谐波光信号(Su3)，其具有等于第一和第二脉动的和的第三脉动，并且具有与第一和第二偏振态相关的第三偏振态。该方法进一步设想的步骤有确定对应于第二谐波光信号的能量的多个测量，以及基于能量的多个测量来确定二阶非线性光学系数。此外，该方法设想随第一偏振态和第二偏振态的变化来执行第二谐波光信号的能量的多个测量。
文档编号G01N21/63GK102449547SQ200980159617
公开日2012年5月9日 申请日期2009年3月31日 优先权日2009年3月31日
发明者康西塔·西比利亚, 毛里齐奥·贾尔迪纳, 法比奥·安东尼奥·博维诺, 玛丽亚·克里斯帝娜·拉尔西普莱特 申请人:塞莱斯系统集成公司