[發明專利]一種測量材料非線性光學性質的系統及方法

在審

• 申請號: 202210698151.3
• 申請日: 2022-06-20
• 公開（公告）號: CN115128002A
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 王俊;王梓鑫;陳晨端;董寧寧
• 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: G01N21/01
• 分類號: G01N21/01;G01N21/84
• 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

1.一種測量材料非線性光學性質的系統，其特征在于，包括脈沖激光器、沿所述脈沖激光器的輸出光束方向依次設置的第一鍍膜全反鏡、第二鍍膜全反鏡、圓形金屬膜中性密度漸變濾光片、第一小孔光闌、第一分光平片、第二分光平片、聚焦物鏡、待測樣品、收集物鏡、第二小孔光闌、第三分光平片、第二中型密度濾光片和第二探測器；沿所述第一分光平片的反射光方向依次設置有第一中性密度濾光片和第一探測器，沿所述第一分光平片的反射方向的另一側設置有照明光源氙燈；沿所述第二分光平片的反射方向的另一側設置有成像相機；沿所述第三分光平片的反射方向依次設置有第三小孔光闌、第三中性密度濾光片和第三探測器；還包括與所述第一探測器、第二探測器和第三探測器分別電連接的計算機；所述待測樣品設置在三維精密平移臺上，所述三維精密平移臺通過控制器與所述計算機電連接；所述成像相機與所述計算機電連接。

2.根據權利要求1所述測量材料非線性光學性質的系統，其特征在于，所述圓形金屬膜中性密度漸變濾光片設置在電動旋轉臺上，所述電動旋轉臺通過控制器與所述計算機電連接。

3.根據權利要求1所述測量材料非線性光學性質的系統，其特征在于，還包括與所述計算機電連接的能量計和光束質量分析儀。

4.根據權利要求1所述測量材料非線性光學性質的系統，其特征在于，所述第一鍍膜全反鏡、第二鍍膜全反鏡、第一分光平片、第二分光平片、第三分光平片與光軸夾角均為45°。

5.根據權利要求1所述測量材料非線性光學性質的系統，其特征在于，所述第一分光平片對所述照明光源氙燈的分光比為50％。

6.一種基于權利要求1-5任一所述系統測量材料非線性光學性質的方法，其特征在于，包括步驟：

打開脈沖激光器，根據測量需要，選擇激光波長、重復頻率以及初始能量；

通過調整第一鍍膜全反鏡和第二鍍膜全反鏡使激光方向經過等高度第一小孔光闌和第二小孔光闌的中心；調整所述收集物鏡使其焦點和聚焦物鏡的焦點重合，同時保證所述聚焦物鏡和收集物鏡的中心與主光路重合；將能量計放置在聚焦物鏡之后測量待測樣品處激光能量；將所述光束質量分析儀放置在聚焦物鏡焦點處測量激光束腰半徑w₀；

將待測樣品放置在樣品架上，調節待測樣品使其表面與主光路垂直，調節三維精密平移臺z軸使待測樣品在成像相機處形成清晰像，調節三維精密平移臺x軸和y軸找到測試目標；

定義激光傳播方向為z軸正方向，聚焦物鏡焦點位置為z＝0，沿負方向移動待測樣品至光斑邊緣與待測樣品邊緣重合，位置記為-z₀，通過計算機設置所述電動旋轉臺的轉動參數，包括初始角度θ₀、終止角度θ和轉動步長Δθ，所述電動旋轉臺每轉動一個角度θ_i對應一個能量E_1θi,其中，θ_i＝θ₀+i*Δθ，i＝0,1,2,…,[(θ-θ₀)/Δθ]，E_1θi隨著θ_i的增大逐漸減小，利用公式和計算得到z_1θi，所述第一探測器、第二探測器和第三探測器將探測到的能量信號輸入到所述計算機中，測量完畢后電動旋轉臺的角度重新回到初始角度θ₀；

通過計算機啟動三維精密平移臺，設置z軸移動參數，使待測樣品移動范圍在-z₀到z₀之間，所述精密平移臺z軸每移動一定距離z_i，z_i＝-z₀+i*Δz，i＝0,1,2,…,[2z₀/Δz]，所述第一探測器、第二探測器和第三探測器將探測到的能量信號輸入到所述計算機中，測量完畢后所述精密平移臺使樣品移動到z₀位置；

通過計算機設置所述電動旋轉臺的轉動參數，包括初始角度θ₀、終止角度θ和轉動步長Δθ，所述電動旋轉臺每轉動一個角度θ_i對應一個能量E_2θi，其中，θ_i＝θ₀+i*Δθ，i＝0,1,2,…,[(θ-θ₀)/Δθ]，利用公式和計算得到E_2θi，所述第一探測器、第二探測器和第三探測器將探測到的能量信號輸入到所述計算機中；

第一探測器得到的能量信號為參考光信號，第二探測器與第一探測器的能量信號比值為透射開孔信號，第三探測器與透射開孔信號的比值為透射閉孔信號；以上述步驟中記錄的z_1θi、z_i、z_2θi為橫坐標，以所述透射開孔信號為縱坐標，所繪曲線為待測樣品的開孔非線性透過率曲線T_open(z)，即非線性吸收信號；以移動距離z_i為橫坐標，以所述透射閉孔信號為縱坐標，所繪曲線為樣品的閉孔非線性透過率曲線T_closed(z)，即非線性折射信號；

利用公式x＝z/z₀，對所述開孔非線性透過率曲線T_open(z)進行擬合，得到待測樣品的非線性吸收系數β，其中k為波數，L為待測樣品厚度，α₀為線性吸收系數，z₀為瑞利長度，I₀為焦點處的軸上強度，w₀為高斯光束的束腰半徑；利用公式ΔΦ₀＝k·Δn(0，0)·L_eff，對所述閉孔非線性透過率曲線T_closed(z)進行擬合，得到待測樣品的非線性折射率n₂，其中n₀為線性折射率。