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(shù)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(chǔ)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(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,并給出實驗測量結(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,來標定光源功率,

2、另一束經(jīng)會聚透鏡后進入樣品,D2接收經(jīng)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(jīng)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(zhì),其折射率的大小與光強有關(guān)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(jīng)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(jīng)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(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(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(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(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(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)的大小與光強大小有關(guān).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(zhì)。圖中實線是=-0.6，s=0.6計算結(jié)果。4.實驗結(jié)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