光學非線性測量試驗講義

1、光學非線性實驗講義1實驗目的1、了解光學非線性測量儀的基本原理2、學習使用非線性測量儀測定物質的非線性光譜，知道簡單的譜線分析方法。實驗儀器XGX-1型光學非線性測量儀儀器的用途在信息技術高速發(fā)展的時代，用光子作為載體的研究日益受到重視，以非線性效應為特征的光電材料的研究和開發(fā)就應運而生。我們熟悉，光和物質相互作用會產(chǎn)生光的吸收、反射、散射和發(fā)光等現(xiàn)象，其 效應一般和光的強度無關，只和入射光的波長有關。但當高強度的激光問世以后，光與物質的相互作用出 現(xiàn)了過去無法看到的許多光學現(xiàn)象，如吸收系數(shù)、折射率及傳輸光頻率都與作用光的強度有關，這種與作 用光強度相關的現(xiàn)象就是光學非線性效應。光學非線性效應

2、又會引起一系列新的光學現(xiàn)象產(chǎn)生，如飽和吸 收、反飽和吸收、雙光子吸收、光學自聚焦、光學限制、光學共軛等現(xiàn)象。具有上述性質的物質就是非線 性光學材料，它在光學通信、光子計算機和動態(tài)成像等高新技術中都有廣泛應用。XGX-1型光學非線性測量，主要采用激光Z掃描技術，同時考慮飽和光譜測量方法，光限制測量方法及其光模式傳輸測量等技術，綜合考慮設計而成，光路簡單（采用單光束），測量靈敏度高，可同時測量樣品的非線性折射率和非線性吸收系數(shù)激光斑信息和光學限制效應等。該儀器采用多種光信號測量探測器（光電倍增管、硅光電池、CCD等），可用脈沖激光、連續(xù)激光等作為光源，光電信號即可用儀器本身電箱測量，還可以外接積分

3、器和鎖 相放大器等，實現(xiàn)計算機自動控制和測試，并配有多種附件，適用于液體、固體樣品的測量。四系統(tǒng)工作原理和結構3.1工作原理光與物質作用產(chǎn)生非線性的物理機制有：（1）引起介質內(nèi)部電子云分布產(chǎn)生畸變而引起極化強度的改變，（2）光克爾效應引起分子的重新取向使折射率產(chǎn)生變化，（3）帶電質點發(fā)生位移引起介質內(nèi)密度的起伏，（4）光吸收產(chǎn)生升溫引起折射率變化。以上過程產(chǎn)生的非線性折射率是具有不同的響應時間的，在不 同的情況下它們的貢獻不同， 這取決于入射激光作用的時間。 對ns量級脈沖，電子分部畸變、光克爾效應、 電致伸縮都能起作用；熱光效應只對長時間激光才有明顯作用。當入射的激光持續(xù)時間遠小于某一物理機

4、 制的響應時間，這種物理機制對引起折射率變化率的貢獻可以忽略不計。光賂探測器放大器A/D轉換計算機圖3J系統(tǒng)工作原,理框圖3.2儀器基本結構圖3-3位XGX-1型光學非線性測量儀的整機系統(tǒng)圖3.2.1光學系統(tǒng)#接收器47前端光路: 則反射光通過由激光器發(fā)出的光柱在分束鏡上分成兩光路：反射光路置空（若選用的光源是脈沖光源， f5=100mm聚焦在接收器 4,此處接BOXCAR）上；透射光經(jīng)過f1=15mm的透鏡聚焦，再通 過f2=50mm的透鏡成放大的平行光束通過f3=100mm的聚光鏡將光聚焦進入樣品室。樣品室：依據(jù)Sheik-BahaeM的理論：樣品只有處于焦點附近光強較大的位置才會有非線性

5、光學性質。樣品通過儀器底部傳動機構帶動樣品架做往返運動來實現(xiàn)Z掃描，掃描范圍-50mm- +50mm在運動過程中,非線性光學性質將引起光束的匯聚或發(fā)散，從而引起透過閉孔接收器前小孔輻射量的變化。從前端光路進 入的光束，透過樣品后穿過樣品室進入后端光路。后端光路：從樣品室出來的光經(jīng)過一分束鏡將光分為兩束，透射光經(jīng)過光闌小孔被接收器1 （光電倍增管）接收，功率為T1;出射光再經(jīng)過一分束鏡分束，透射光被接收器 3（ CCD接收，反射光通過f=150mm的透鏡聚焦到接收器 2 （硅光電池）的接收面上，功率為 T2;根據(jù)實驗需要可在接收器前放置衰減片。322機械傳動系統(tǒng)帶動樣品臺沿著滑桿方向Z掃描機構：

6、該機構由電機、滑桿和樣品組成，由數(shù)據(jù)處理單元控制電機, 勻速運動。可調光欄：采用精度很高的轉盤式可調光欄，孔徑大小對照下表1序號n1231456 _ 1 . :. .LI-.-. _ I - _*V'Vg孔徑（mm）i 00. 30,51, 0L52. 0. = _ Ai- - I I3.2.3電子電路及數(shù)據(jù)處理單元探測器將調制后的光信號轉換為電信號。閉孔試驗采用側窗式 CR114九級倍增管接收，開孔試驗采用硅光電池接收，快照采用日本東芝公司的TCD1209芯片。由于探測器輸出信號特別微弱，必須進行電壓放大，其前置放大器?？勺冊鲆娣糯笃?，除了對來自探測器的信號進行放大以外，主要是執(zhí)行著

7、自動變換 整機系統(tǒng)信號增益的任務，以保證儀器能夠正常進行工作。數(shù)據(jù)處理單元是由計算機、打印機組合而成。電源：3DSP控制系統(tǒng)增益放大器1蕊大器2控制3.2.4數(shù)據(jù)處理單元將前面接收到的閉/開孔弱信號經(jīng)過電路處理后得到的功率 P1/P2,若在透過率模式下，將各處的實際 透過率除以焦點處的透過率就得到歸一化透過率 T1/T2和位置Z的關系曲線。單位長度的樣品的非線性折 射率系數(shù)和非線性吸收系數(shù)可以由以下兩式計算得到：7 =2兀1 0 Leff(1)屮P =亠1 0 Leff式中Leff1 ex)( FL)«0為樣品的有效厚度， 0為線性吸收系數(shù)，10為焦點處的光強， A為入射波長,也*為

8、光軸上的相移,屮為設想的非線性吸收的相位。對于其光束衍射長度Z= Lef > L , L為樣品的厚度， 叫 為焦點處激光的束腰半徑，樣品則可以作為薄透鏡近似，光軸上的相移有下式算出:式中A* 兀，ATP V為歸一化透過率峰-谷值差，iTp_v =Tp-Tv , f=o.4o6X （1-S） o'25, S為光孔的P-2r2線性透過率，s=）=1 exp（- ）,Pa為通過孔的功率，Po為入射功率，ra為小孔的半徑，Co為小嘰PaPo孔處的光束半徑。由（1）式可以看出,甲有類似的形式，因而甲可以由（2）式計算得到。開孔情形下n = no + Y ”1n =f k 丄eff式中k=。

9、A對于具有非線性吸收的材料，樣品的吸收系數(shù)可以表示成通過上層軟件可以將得到的數(shù)據(jù)進行后期分析和處理?；纠碚撃M閉孔掃描:T(Z)4 也 WZ/Zo)1+(Z/Zo)29 + (Z/Zo)2開孔掃描:T(Z)272i +(z/Zo)2qo五實驗步驟及注意事項（一）、調試、實驗譜圖 1、光路調節(jié)（詳見光路系統(tǒng)）在正式測量之前必須對光路進行調節(jié)，使各接收器能準確接收到光信號。2、作譜圖將細菌視紫紅膜樣品固定在樣品架上，調節(jié)激光器使激光入射到樣品上。在測試過程中保持激光器處 于穩(wěn)定狀態(tài)。.使用要點:(1)激光經(jīng)過前端光路入射到樣品上是非常重要的。為此一般通過肉眼觀察即可知道，若沒有觀察 到激光入射到

10、樣品上，可以調整激光器的位置以及光欄的位置，直到激光入射到樣品上。(2)恰當?shù)剡x擇可調光欄孔徑的大小單色儀的狹縫寬度。(3)光電倍增管的電源高壓，應選一最佳值，使其增益最大，而噪聲最小。.實驗：測量細菌視紫紅膜的開孔/閉孔-能量譜及開孔/閉孔歸一化透過率譜(1)要求完整記錄開孔/閉孔-能量譜及開孔/閉孔歸一化透過率譜， 掌握光學非線性測量的基本實驗技術 和認識非線性光譜的主要特點。(2)分別記錄閉孔測量時孔徑為0.3mm和3.0mm單色儀狹縫為 125卩m和50卩m時的譜圖。(3)實驗報告要求記錄所有實驗參數(shù)，特別要標明閉孔測量時孔徑的大小。(6)觀察并報告孔徑大小改變時，譜線狀況有何不同，并解釋其原因。(二).注意事項 確保