z-掃描測量非線性光學(xué)特性

1、單光束z-掃描測量非線性光學(xué)特性 Z-掃描技術(shù)是研究非線性光學(xué)特性的一種重要方法,它建立于光束空間畸變的原理基礎(chǔ)之上,采用單光束測量,由遠(yuǎn)場小孔透射率的變化和誘導(dǎo)相交的簡單線性關(guān)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(zhì),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(shù)描述了利用單光束靈敏的測量非線性介質(zhì)的非線性折射率和非線性吸收系數(shù)的方法,并給出實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果. 激光器輸出的高斯光束經(jīng)分束器BS后分成兩束,一光用探測器D1接收,來標(biāo)定光源功率,

2、另一束經(jīng)會(huì)聚透鏡后進(jìn)入樣品,D2接收經(jīng)小孔后的光信號,當(dāng)樣品沿z軸相對于焦平面移動(dòng)時(shí),由于樣品的非線性作用,經(jīng)遠(yuǎn)場小孔后的光強(qiáng)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(zhì),其折射率的大小與光強(qiáng)有關(guān)系n=n0+ I,n0為線性折射率,為非線性折射率,可為負(fù)值,也可為正值,當(dāng)樣品從-z方面向焦點(diǎn)O移動(dòng)時(shí),入射到樣品上的光強(qiáng)I增強(qiáng),對于0時(shí),樣品類似一會(huì)聚透鏡,從-z方向經(jīng)焦點(diǎn)向+z方向移動(dòng)時(shí),情況正好相反,D2/D1先減小。對于負(fù)的非線性折射,在焦點(diǎn)前透射率出現(xiàn)最大值(峰),在焦點(diǎn)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(jīng)簡單的計(jì)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(xué)效應(yīng).此時(shí)介質(zhì)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(qiáng)度(單位MKS),n2和的變換關(guān)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(jì)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(diǎn)處含時(shí)間的光場,(z,t)為波面位相因子. 為了使樣品內(nèi)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(shí)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(shí)光束通過樣品時(shí)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(diǎn)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(diǎn)處的光強(qiáng).則在樣品出射平面處的光場為采用高斯分解法,導(dǎo)出在遠(yuǎn)場小孔處的復(fù)合場的分布,再將復(fù)合場對半徑r進(jìn)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(shí)輸入功率(在樣品內(nèi)),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(jìn)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(jì)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(diǎn)和谷點(diǎn)的歸一化透過率之差,當(dāng)|0|時(shí),Tp-v和|0|基本上呈線性關(guān)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(jì)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(huì)產(chǎn)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(guān)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(qiáng)大小有關(guān).3.非線性吸收系數(shù)的計(jì)算這時(shí)入射高斯光束在樣品出射表面的光強(qiáng)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(fù)合場為對式(13)進(jìn)行零階漢克爾(Hankel)變換可求出復(fù)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(dāng)|q0|1時(shí),歸一化透過率可以表示成為利用式(15)對開空(s=1)時(shí)測的Z-掃描數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)表明材料的非線性折射率符號為負(fù)，是自散焦介質(zhì)。圖中實(shí)線是=-0.6，s=0.6計(jì)算結(jié)果。4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果Z-掃描，1毫米CS2薄片，27ps脈沖，波長523納米。實(shí)驗(yàn)表明自聚焦效應(yīng)，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(shí)驗(yàn)表明自聚焦效應(yīng)，非線性折射率符號為