[發明專利]一種提高薄膜態材料非線性光學系數測量精度的方法

有效

• 申請號: 202110089386.8
• 申請日: 2021-01-22
• 公開（公告）號: CN112903632B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 邵建達;陳美玲;胡國行;朱美萍;張愷馨;王堯;劉永江;左旭超
• 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: G01N21/59
• 分類號: G01N21/59
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

本發明公開了一種提高薄膜態材料非線性光學系數測量精度的方法，通過選用厚度超薄、非線性光學系數超低的材料作為薄膜元件的基底，并應用雙臂Z掃描技術同時測量包含基底的薄膜器件和裸基底的非線性信號，由于基底的非線性響應很小甚至可以忽略，薄膜態材料的非線性信號在薄膜與基底的總信號中占有主導地位，由此提高Z掃描技術在薄膜態材料非線性光學系數測量過程中的測量精度。

技術領域

本發明涉及非線性光學、材料學、光電子學的交叉學科技術領域，具體涉及薄膜態材料非線性光學系數的測定方法。

背景技術

自1960年激光被發明以來，非線性光學迅速發展，人們對材料的非線性光學特性的關注度也越來越高。測定材料非線性光學系數的技術方法主要有三次諧波法，非線性干涉法、簡并四次諧波法，以及Z掃描法等。

在1989年，M.Sheik-bahae課題組首次報道了Z掃描法，由于其簡便性和高靈敏度，Z掃描技術被廣泛應用于材料的非線性特性表征實驗中。2019年，該課題組首次提出了薄膜態材料非線性光學系數測試方法——利用雙臂Z掃描技術去除了基底的非線性信號，僅留下薄膜的非線性信號，從而實現了薄膜態材料非線性光學系數的測定。

雙臂Z掃描技術測定薄膜態材料非線性光學系數的關鍵在于薄膜基底的薄膜器件的非線性信號與裸基底的非線性信號有一定分辨度。在已報道的研究【Appl.Opt.58(13):D28(2019)】中，通過應用雙臂Z掃描技術，實現了對鍍制在1mm石英基底上的3μmZnO薄膜的非線性系數測定。在該研究中，通過兩臂信號對比，分離出了薄膜材料的非線性信號，然而裸基底的非線性信號過大，使得兩臂信號十分接近，這一現象對最終薄膜材料的測量精度存有一定影響。另外，對于如SiO₂等低非線性系數薄膜材料，通常情況下由于薄膜材料與基底的物理厚度相差較大，或者二者的非線性系數相近，使得薄膜元件與裸基底二者的非線性信號強度過于接近甚至重疊，從而無法保證測量結果的精確性。因此針對于薄膜態材料，除了應用雙臂Z掃描技術之外，還應該選用合適的基底厚度、材料類型，有效提升測量精度。

發明內容

本發明提出了一種提高薄膜態材料非線性光學系數測量精度的方法，通過選用厚度超薄、非線性光學系數超低的材料作為薄膜元件的基底，并結合雙臂Z掃描技術同時測量包含基底的薄膜元件和裸基底的非線性信號，由于基底的非線性響應很小甚至可以忽略，使得薄膜態材料的非線性信號在薄膜器件中的總信號中占有主導地位，實現提高測量精度的目的。

本發明的技術解決方案：

一種提高薄膜態材料非線性光學系數測量精度的方法，選用厚度超薄、非線性光學系數超低的材料作為薄膜元件的基底，并應用雙臂Z掃描技術同時測量包含基底的薄膜元件和裸基底的非線性信號，由于基底的非線性響應很小甚至可以忽略，從而抑制基底非線性效應對薄膜態材料非線性系數測量的影響，提升測量精度。

所述雙臂Z掃描測試過程中兩臂的基底材料具有相同厚度和光學非線性系數。

所述基底的厚度≤0.1mm。

所述基底的非線性光學系數小于薄膜材料的非線性光學系數。

所述基底材料為MgF₂、GaF₂等。

所述薄膜態材料為ZnSe、ZnO、HfO₂、SiO₂、Al₂O₃等。

測量步驟如下：

步驟一：用Z掃描裝置測量基底的非線性信號，改變入射激光能量，觀察不同能量下基底的透射信號，并標定基底開始顯現出非線性信號所對應的能量(能量A)。當入射能量低于能量A時，該基底無非線性信號產生。