z-掃描測量非線性光學特性

1、單光束z-掃描測量非線性光學特性 Z-掃描技術是研究非線性光學特性的一種重要方法,它建立于光束空間畸變的原理基礎之上,采用單光束測量,由遠場小孔透射率的變化和誘導相交的簡單線性關系可直接推出非線性折射率的大小和符號,對于具有非線性吸收的介質,也可直接測量出其非線性吸收系數(shù).與以往的非線性干涉法、簡并四波混頻、橢圓偏振法以及光束畸變測量等測量非線性折射率的方法相比,單光束Z-掃描方法操作方便,且靈敏度高. 用Z-掃描技術描述了利用單光束靈敏的測量非線性介質的非線性折射率和非線性吸收系數(shù)的方法,并給出實驗測量結果. 激光器輸出的高斯光束經分束器BS后分成兩束,一光用探測器D1接收,來標定光源功率,

2、另一束經會聚透鏡后進入樣品,D2接收經小孔后的光信號,當樣品沿z軸相對于焦平面移動時,由于樣品的非線性作用,經遠場小孔后的光強透過率將發(fā)生變化,以D2/D1為歸一化透過率,則D2/D1為樣品位置z的函數(shù).1.基本原理對于非線性介質,其折射率的大小與光強有關系n=n0+ I,n0為線性折射率,為非線性折射率,可為負值,也可為正值,當樣品從-z方面向焦點O移動時,入射到樣品上的光強I增強,對于0時,樣品類似一會聚透鏡,從-z方向經焦點向+z方向移動時,情況正好相反,D2/D1先減小。對于負的非線性折射,在焦點前透射率出現(xiàn)最大值(峰),在焦點后出現(xiàn)最小值(谷),而對于正的非線性折射,則是先谷后峰,因

3、此從掃描曲線上就可以直接得出樣品非線性折射率的符號,經簡單的計算也可以估算出的大小. 為了簡便,先僅考慮三階非線性光學效應.此時介質在光場作用下總的折射率可用非線性折射率n2(單位esu)或(單位m2/W)表示為n0是線性折射率,E是入射光場振幅(單位esu),I是輻射強度(單位MKS),n2和的變換關系為n2=(cn0/40),其中c是真空中的光束. 假定一單模高斯光束(光束腰半徑0)沿+z方向傳播,則其光場可寫作2.非線性折射率的計算式中,2(z)= 02(1+z2/z02)是光束半徑,R(z)=z(1+z02/z2是z處的光束曲率半徑,z0=k02/2為共焦參數(shù),k=2/是波矢,是激光波

4、長,E0(t)為焦點處含時間的光場,(z,t)為波面位相因子. 為了使樣品內由于衍射或折射率改變對光束直徑改變無影響,要求樣品足夠薄,必須滿足L z0,L為樣品厚度,所以測度時樣品厚度要有所限制,這在一般情況下都能滿足,這樣的要求使問題得到簡化,這時光束通過樣品時由于折射率的改變而使波面位相變化為0(t)是波面在軸上焦點處的位相變化,定義為其中,Leff=(1-e-L)/,是線性吸收系數(shù);n0= I0(t),I0(t)為軸上焦點處的光強.則在樣品出射平面處的光場為采用高斯分解法,導出在遠場小孔處的復合場的分布,再將復合場對半徑r進行積分便可得到透射功率歸一化透過率為其中,Pi(t)=02I0(

5、t)/2是瞬時輸入功率(在樣品內),s=1-exp(-2ra2/a2)是小孔的線性透射率,a為屏上光斑半徑.對測得的Z-掃描數(shù)據(jù)用式(9)進行數(shù)值擬合就可以得出的大小.但研究證明,不需要數(shù)值擬合,僅用簡單的計算就可以得出. 這里定義Tp-v=Tp-Tv,它表示歸一化Z-掃描曲線中峰點和谷點的歸一化透過率之差,當|0|時,Tp-v和|0|基本上呈線性關系這就表明,從Z-掃描測量曲線中找出峰谷之差Tp-v,利用式(5)和式(9)就可以估算出的大小.精確的數(shù)值計算表明,這樣估算出的誤差將不超過2%. 對于許多非線性材料都帶有明顯的非線性吸收,它們對利用Z-掃描測量非線性折射率會產生較大影響,但研究表

6、明,利用開孔(s=1)的Z-掃描曲線可以直接得到非線性吸收系數(shù)的大小,并且可以將非線性吸收系數(shù)和非線性折射率分離開,從而確定非線性折射率的大小.對于非線性吸收材料,其吸收系數(shù)的簡單關系式為是線性吸收率,是非線性吸收系數(shù),在非線性吸收情況下,吸收系數(shù)的大小與光強大小有關.3.非線性吸收系數(shù)的計算這時入射高斯光束在樣品出射表面的光強分布及位相變化為:q(z,r,t)= I(z,r,t)Leff,合并式(11)、式(12),得出在樣品出射表面的復合場為對式(13)進行零階漢克爾(Hankel)變換可求出復合場在孔屏處的分布,然后利用式(7)和式(8)可求出歸一化透射率其中,q0(z,t)= I0(t)Leff/(1+z2/z02).當|q0|1時,歸一化透過率可以表示成為利用式(15)對開空(s=1)時測的Z-掃描數(shù)據(jù)進行數(shù)值擬合,就可得到的大小.Z-掃描，1毫米CS2薄片，300ns脈沖，波長10.6微米。實驗表明材料的非線性折射率符號為負，是自散焦介質。圖中實線是=-0.6，s=0.6計算結果。4.實驗結果Z-掃描，1毫米CS2薄片，27ps脈沖，波長523納米。實驗表明自聚焦效應，非線性折射率符號為正。 Z-掃描，2.4毫米BaF2薄片，27ps脈沖，波長523納米。實驗表明自聚焦效應，非線性折射率符號為