[發明專利]可實時觀察監測z掃描光學非線性測量裝置和方法

有效

• 申請號: 201210540625.8
• 申請日: 2012-12-13
• 公開（公告）號: CN103033488A
• 公開（公告）日: 2013-04-10
• 發明（設計）人: 王睿;魏勁松
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41;G01N21/17
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 張澤純

1.一種可實時觀察監測z掃描光學非線性測量裝置，特征在于其構成包括輸出激光波長λ₁的第一激光器（1）和輸出激光波長λ₂的第二激光器（13），沿所述的第一激光器（1）的激光輸出的主光路構成的主光軸依次是第一分光鏡（2）、第一激光分光鏡（3）、擴束鏡（4）、第二分光鏡（5）、第一物鏡（6）、第一分光棱鏡（7）、第二激光分光鏡（8）、待測樣品（9）、第二分光棱鏡（10）、孔徑光闌（11）、第一光電探測器（12），所述的第一激光分光鏡（3）與主光軸成45°，所述的第二激光器（13）經過第三分光鏡（14）入射到所述的第一激光分光鏡（3）；所述的第一信號發生器（25）與第一激光器（1）相連；所述的第二信號發生器（26）與第二激光器（13）相連；所述的第一分光鏡（2）與主光軸成45°；在所述的第一分光鏡（2）的反射光輸出方向設置第五分光鏡（20）、第一聚焦透鏡（21）、第五光電探測器（22）；所述的第五分光鏡（20）與光軸成45°；在所述的第五分光鏡（20）的反射光輸出方向設置第二聚焦透鏡（23）、第六光電探測器（24）；所述的第三分光鏡（14）與光軸成45°；在所述的第三分光鏡（14）的反射光輸出方向設置第四分光鏡（15）、第三聚焦透鏡（16）、第七光電探測器（17）；所述的第四分光鏡（15）與光軸成45°；在所述的第四分光鏡（15）的反射光輸出方向設置第四聚焦透鏡（18）、第八光電探測器（19）；所述的第二分光鏡（5）與主光軸成45°；在所述的第二分光鏡（5）的反射光輸出方向設置第五聚焦透鏡（37）、第四光電探測器（38）；在所述的第一分光棱鏡（7）的反射光輸出方向設置第六聚焦透鏡（27）、第三光電探測器（28）；所述的第二激光分光鏡（8）與主光軸成45°；在所述的第二激光分光鏡（8）的反射光輸出方向設置第二物鏡（33）、第六分光鏡（32）、濾光片（34）、CCD相機（35）；所述的第六分光鏡（32）與光軸成45°；在所述的第六分光鏡（32）的反射光輸出方向設置照明光源（31）；所述的第一分光棱鏡（7）、第六聚焦透鏡（27）、第三光電探測器（28）、第二激光分光鏡（8）、待測樣品（9）、照明光源（31）、第六分光鏡（32）、第二物鏡（33）、濾光片（34）、CCD相機（35）置于樣品電機運動平臺（36）上；在所述的第二分光棱鏡（10）的反射光輸出方向設置第七聚焦透鏡（29）、第二光電探測器（30）；所述的第一光電探測器（12），第二光電探測器（30），第三光電探測器（28），第四光電探測器（38），CCD相機（35）、樣品電機運動平臺（36）、示波器（39）與計算機（40）相連；所述的第五光電探測器（22），第六光電探測器（24），第七光電探測器（17），第八光電探測器（19），與示波器（39）相連。

2.根據權利要求1所述的可實時觀察監測z掃描光學非線性測量裝置，其特征在于所述的第一分光鏡（2）、第二分光鏡（5）、第三分光鏡（14）是對波長λ₁，λ₂的激光透射率95%，反射率5%的分光鏡；所述的第四分光鏡（15）、第五分光鏡（20）是對波長λ₁，λ₂的激光透射率50%，反射率50%的分光鏡；所述的第六分光鏡（32）是對照明光源透射率50%，反射率50%的分光鏡；所述的第一分光棱鏡（7）是對波長λ₁，λ₂的激光透射率80%，反射率20%的分光棱鏡；所述的第二分光棱鏡（10）是對波長λ₁，λ₂的激光透射率50%，反射率50%的分光棱鏡；所述的第一激光分光鏡（3）是對波長λ₁的激光透射率95%以上，反射率5%以下，且對波長λ₁的激光反射率95%以上，透射率5%以下的分光鏡；所述的第二激光分光鏡（8）是對波長λ₁，λ₂的激光透射率95%以上，反射率5%以下，且對照明光源反射率95%以上，透射率5%以下的分光鏡；所述的濾光片（34）是對波長λ₁，λ₂的激光透射率1%以下，反射率99%以上，且對照明光源的反射率1%以下，透射率99%以上的濾光片。所述的第一物鏡（6）是NA=0.1的物鏡；所述的第二物鏡（33）是NA=0.4的顯微物鏡。

3.根據權利要求1所述的可實時觀察監測z掃描光學非線性測量裝置，其特征在于所述的第一激光器（1）和第二激光器（13）發出的激光光束為高斯光束。

4.利用權利要求1所述的可實時觀察監測z掃描光學非線性測量裝置進行非線性吸收系數和非線性折射率的測量方法，其特征在于該方法包括下列步驟：

一、測量波長λ₁的激光作用下待測樣品的非線性數據：

①根據測量需要，選擇激光波長λ₁，所述的信號發生器（25）控制第一激光器（1）發出波長λ₁的激光作為光源，調節信號發生器（25），即調節激光功率，或激光脈沖周期，脈沖寬度；通過計算機（40）設置所述的樣品電機運動平臺（36）的運動速度和第一光電探測器（12），第二光電探測器（30），第三光電探測器（28），第四光電探測器（38）的采樣頻率、采樣點數和第一激光器（1）同步工作；

②測量透射開孔、透射閉孔和反射開孔數據;

將所述的待測樣品（9）放置在所述的樣品電機運動平臺（36）上，調整待測樣品（9）的測量面垂直于所述的主光軸，即z軸，所述的第一物鏡（6）的焦點處為z=0，所述的待測樣品（9）的初始位置為-10z₀，定義為激光衍射長度，其中k＝2π/λ,λ為入射激光波長，為激光束腰半徑，NA為第一物鏡（6）的數值孔徑，所述的計算機（40）同時啟動所述的樣品電機運動平臺（36）和第一光電探測器（12），第二光電探測器（30），第三光電探測器（28），第四光電探測器（38），待測樣品（9）沿主光軸正向運動，經過第一物鏡（6）的焦點，運動范圍20z₀，所述的第一光電探測器（12），第二光電探測器（30），第三光電探測器（28），第四光電探測器（38）將探測的光強信號送入所述的計算機（40），其中采集第四光電探測器（38）的輸出光強信號為入射激光的功率監測數據P；采集第一光電探測器（12），第二光電探測器（30），第三光電探測器（28）的輸出光強信號分別為透射閉孔數據，透射開孔數據和反射開孔數據，以采集到的光強值為縱坐標，z為橫坐標，記錄為透射閉孔曲線I_TC(z_n)_{λ，t，η，P，S},透射開孔曲線I_TO(z_n)_{λ，t，η，P},和反射開孔曲線I_RO(z_n)_{λ，t，η，P},其中n=1.2.3……,N,λ為入射激光的波長，t為激光脈沖周期，η為激光脈沖寬度，P為第四光電探測器（38）表征的激光功率，S為孔徑光闌（11）對高斯光束的線性透過率，λ，t，η，P，S根據實驗條件得到，z_n為各采樣點的橫坐標，z₁～z_N的坐標值為-10z₀～+10z₀，焦點處的橫坐標值為z_n＝0,N為采樣點數；

③通過所述的CCD相機（35）實時觀察實驗過程中待測樣品（9）上掃描點表面形貌，根據觀察到的待測樣品（9）掃描點的表面形貌，判斷該掃描點的表面是否發生變化，若表面形貌發生了變化，則該點數據不可靠，計算機（40）刪去該點數據；

④通過所述的第五光電探測器（22），第六光電探測器（24）分別將由第一激光器（1）發射出的脈沖激光波形和功率信號輸入至示波器（39），根據示波器（39）呈現的信號觀測由第一激光器（1）發射出的脈沖激光質量，判斷經所述第一信號發生器（25）調制第一激光器（1）發射出的脈沖激光是否符合實驗條件，波形功率是否穩定。若波形或功率與設置不符，則z掃描實驗數據不可靠；

⑤調節第一信號發生器（25），改變入射激光的功率以及脈沖周期和脈沖寬度，重復上述②③④步驟，測量不同激光條件下待測樣品（9）的光學非線性數據，以獲得不同激光功率，不同激光脈沖寬度和不同激光脈沖周期作用下待測樣品（9）的透射閉孔曲線I_TC(z_n)_{λ，t，η，P，S},透射開孔曲線I_TO(z_n)_{λ，t，η，P},和反射開孔曲線I_RO(z_n)_{λ，t，η，P},n=1.2.3……,N；

二、測量波長λ₂的激光作用下材料的非線性數據：

⑥測量波長λ₂的激光作用下材料的非線性性質，選擇波長λ₂的激光作為光源，關閉第一激光器（1），開啟第二激光器（13），重復上述②③步驟；

⑦通過所述的第七光電探測器（17），第八光電探測器（19）分別將由第二激光器（13）發射出的脈沖激光波形和功率信號輸入至示波器（39），根據示波器（39）呈現的信號觀測由第二激光器（13）發射出的脈沖激光質量，判斷經所述第二信號發生器（26）調制第二激光器（13）發射出的脈沖激光是否符合實驗條件，波形功率是否穩定。若波形或功率與設置不符，則z掃描實驗數據不可靠；

⑧調節第二信號發生器（26），改變入射激光的功率以及脈沖周期和脈沖寬度，重復上述⑥⑦步驟，測量不同激光條件下待測樣品（9）的光學非線性數據，以獲得不同激光功率，不同激光脈沖寬度和不同激光脈沖周期作用下待測樣品（9）的透射閉孔曲線I_TC(z_n)_{λ，t，η，P，S},透射開孔曲線I_TO(z_n)_{λ，t，η，P},和反射開孔曲線I_RO(z_n)_{λ，t，η，P},n=1.2.3……,N；

三、對測得的數據進行處理：

⑨對反射開孔曲線I_RO(z_n)_{λ，t，η，P},n=1.2.3……,N，用功率檢測數據P所得到的峰值光強其中與反射開孔曲線數值相減，得到有效光強I_eff(z_n)，其中I_eff(z_n)＝P-I₀(z_n)；

對透射開孔曲線I_TO(z_n)_{λ，t，η，P}?n＝1.2.3......，N作歸一化處理，將上述曲線中的縱坐標值除以z₁處的縱坐標值，得到樣品的歸一化開孔透射率曲線T_O(z_n)_{λ，t，η，P}?n＝1.2.3......，N，令縱坐標為極值處對應的橫坐標為z_n＝0即焦點，曲線在焦點處呈現波谷或波峰，在遠離焦點處歸一化透過率為1；

同樣對反射開孔曲線I_RO(z_n)_{λ，t，η，P}，透射閉孔曲線I_TC(z_n)_{λ，t，η，P，S},作處理，得到歸一化開孔反射率曲線R_O(z_n)_{λ，t，η，P}?n＝1.2.3......，N，以及歸一化閉孔透射率曲線T_C(z_n)_{λ，t，η，P，S}，再將T_C(z_n)_{λ，t，η，P，S}除以T_O(z_n)_{λ，t，η，P}，得到歸一化相對透射率曲線T_C/O(z_n)_{λ，t，η，P，S}；

⑩由歸一化開孔透射率曲線，取焦點z_n＝0處開孔透射率值T_O(0)，代入下式計算得到待測樣品（9）的非線性吸收系數β：

β＝2.83[1-T_O(0)]/I_eff(0)L_eff???????????????????(1)

上式中，L_eff＝[1-exp(-α₀L)]/α₀為樣品的有效厚度，α₀為樣品線性吸收系數，可查得，L為樣品實際厚度；

由歸一化相對透射率曲線T_C/O(z_n)_{λ，t，η，P，S}，取波峰、波谷處相對透射率值，根據下式計算得到待測樣品（9）的非線性折射率n₂：

n2=ΔTPV0.416(1-s)0.25kLeffIeff(0)---(2)]]>

上式中，ΔT_PV＝T_P-T_V，T_P，T_V分別為歸一化相對透射率曲線的波峰和波谷透射率值；為孔徑光闌（11）對高斯光束的線性透射率，γ_a，ω_a分別為孔徑光闌半徑和光束截面半徑。