淺析非線(xiàn)性光學(xué)性質(zhì)的z掃描技術(shù)

淺析非線(xiàn)性光學(xué)性質(zhì)的z掃描技術(shù)

1z掃描測(cè)量原理隨著光通信、光學(xué)數(shù)據(jù)處理和光學(xué)計(jì)算機(jī)的研究過(guò)程，光學(xué)非線(xiàn)性系數(shù)和超快光反應(yīng)材料的變得越來(lái)越受到重視。它特別需要研究光學(xué)非線(xiàn)性材料，如光雙穩(wěn)開(kāi)關(guān)、光刻定位器等。相應(yīng)的光學(xué)非線(xiàn)性材料顯示了潛在的應(yīng)用價(jià)值。在過(guò)去的20年里，測(cè)量材料的光學(xué)非線(xiàn)性性質(zhì)的方法主要包括非線(xiàn)性干涉法、自映射法、近簡(jiǎn)單混合頻率法、橢圓形偏差法、光束變形測(cè)量法和簡(jiǎn)單混合頻率法。前四種方法主要采用非線(xiàn)性干擾原理，具有高靈敏度，但不到非線(xiàn)性系數(shù)的負(fù)，實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜。四波混合頻率法具有高靈敏性，但需要使用兩種更精確的延遲裝置。三波光的時(shí)間延遲法需要使用兩種更精確的延遲裝置。由于焦場(chǎng)深度的影響，很難獲得理論上所要求的三波光強(qiáng)度和三波光在樣品的實(shí)際位置之間的實(shí)際位置。光束變形測(cè)量法相對(duì)簡(jiǎn)單，因此可以獲得材料的非線(xiàn)性系數(shù)的負(fù)，但需要嚴(yán)格分析材料在非線(xiàn)性介質(zhì)中的傳播過(guò)程。這在實(shí)際測(cè)量中很難測(cè)量，測(cè)量精度低。1989年，sheikbahace等人提出了一種具有簡(jiǎn)單橫截面測(cè)量材料的光學(xué)線(xiàn)性性質(zhì)的新方法。該技術(shù)具有測(cè)量裝置簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活動(dòng)動(dòng)、正確測(cè)量光學(xué)材料的非線(xiàn)性折射和符號(hào)的顯著優(yōu)勢(shì)，因此引起了人們的注意。目前，z掃描技術(shù)廣泛應(yīng)用于金屬、納米復(fù)合膜、半徑等材料的非線(xiàn)性系數(shù)大小和波形的測(cè)量，在實(shí)驗(yàn)和理論上取得了很大進(jìn)展。本文在材料的非理性光學(xué)性質(zhì)的研究方面介紹了z掃描技術(shù)的基本原理，并介紹了z掃描技術(shù)在材料研究和理論方面的應(yīng)用。2z掃描技術(shù)的基本理論2.1激發(fā)光學(xué)材料的散射源突變非線(xiàn)性折射率和非線(xiàn)性吸收系數(shù)是表征非線(xiàn)性光學(xué)材料非線(xiàn)性性質(zhì)的2個(gè)重要的參數(shù),在強(qiáng)激光作用下的非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)的折射率和吸收系數(shù)與入射光強(qiáng)有關(guān),此時(shí)介質(zhì)內(nèi)部的折射率和吸收系數(shù)已不再是常量.介質(zhì)的折射率與光強(qiáng)的關(guān)系可以用式(1)表示n=n0+12n2|E|2=n0+γI0.(1)n=n0+12n2|E|2=n0+γΙ0.(1)其中,n0為線(xiàn)性折射率;I0為輻照激光強(qiáng)度(MKS);n2(esu)和γ(m2/W)為esu和MKS單位制下的非線(xiàn)性折射系數(shù);n2和γ的變換關(guān)系是n2=cn040πγ(2)n2=cn040πγ(2)其中C(m/s)為真空中的光速.當(dāng)激光束的發(fā)散角很小時(shí),進(jìn)入介質(zhì)之前可以近似看作平面波,光強(qiáng)呈高斯型分布.當(dāng)激光束入射到具有非線(xiàn)性光學(xué)特性的材料上時(shí),根據(jù)惠更斯次波原理,光束截面光強(qiáng)的不同感應(yīng)引起介質(zhì)的折射率發(fā)生變化.對(duì)于具有正非線(xiàn)性光學(xué)特性(γ>0)的光學(xué)材料,因光束中心強(qiáng)度較大,折射率從光束中心起沿徑向減少.在折射率大的地方光波的相速度小于折射率較小的處,光束進(jìn)入非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)后波前產(chǎn)生畸變.光強(qiáng)較強(qiáng)的波前中心部分滯后,光強(qiáng)較弱的邊緣部分的波前超前,結(jié)果引起光束向束心彎曲,呈現(xiàn)自聚焦效應(yīng)(圖1);對(duì)于具有負(fù)非線(xiàn)性光學(xué)特性(γ<0)的光學(xué)材料則不同,光強(qiáng)較弱的波前中心部分超前,光強(qiáng)較強(qiáng)的邊緣部分的波前滯后,結(jié)果引起光束相對(duì)束心發(fā)散,呈現(xiàn)自散焦效應(yīng)(圖2).也就是說(shuō),具有非線(xiàn)性光學(xué)特性的材料在Z掃描光路中相當(dāng)于一個(gè)自聚焦或自發(fā)散透鏡.光束的非線(xiàn)性光學(xué)特性實(shí)質(zhì)是源于光束的振幅調(diào)制和空間相位調(diào)制.線(xiàn)性折射率和非線(xiàn)性折射率與光束的空間相位調(diào)制緊密相關(guān),而線(xiàn)性吸收和非線(xiàn)性吸收與光束的振幅調(diào)制緊密相關(guān).由于在Z掃描技術(shù)中遠(yuǎn)場(chǎng)的光電探測(cè)器只能捕獲光束的能量或功率信號(hào),而能量或功率又與振幅緊密聯(lián)系.當(dāng)調(diào)制光束傳輸一段距離之后,相位信息就能反映在能量或功率信號(hào)的變化上,因而能間接測(cè)量到相位調(diào)制.因此在利用Z掃描測(cè)定材料的非線(xiàn)性折射系數(shù)γ實(shí)質(zhì)上是測(cè)量的是空間相位的變化.同理,在利用Z掃描測(cè)定材料的非線(xiàn)性吸收系數(shù)β實(shí)質(zhì)上是測(cè)量的是振幅的變化.2.2遠(yuǎn)場(chǎng)激發(fā)的形成圖3為傳統(tǒng)的激光Z掃描技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置原理圖.該方法是通過(guò)改變樣品相對(duì)聚焦高斯光束束腰的掃描位置Z,來(lái)測(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)接收屏上激光的歸一化透過(guò)率T,從而獲得材料的三階或高階非線(xiàn)性系數(shù).被測(cè)非線(xiàn)性光學(xué)樣品放置在會(huì)聚透鏡焦點(diǎn)附近,并能沿光束傳播方向(Z軸方向)前后移動(dòng).當(dāng)一束高斯光束傳播至遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)器D2處,如果在其前面放置一小孔光闌進(jìn)行測(cè)量,則稱(chēng)為閉孔Z掃描.在此不妨設(shè)非線(xiàn)性光學(xué)樣品的非線(xiàn)性折射率為負(fù),開(kāi)始掃描時(shí),樣品位于透鏡焦點(diǎn)較遠(yuǎn)的-Z處,此時(shí)由于光強(qiáng)較小,可以忽略非線(xiàn)性效應(yīng)引起的光折射效應(yīng),即此時(shí)的歸一化透過(guò)率T=1;當(dāng)非線(xiàn)性光學(xué)樣品不斷向焦點(diǎn)處靠近時(shí),光強(qiáng)不斷增大,樣品相當(dāng)于一個(gè)負(fù)透鏡,遠(yuǎn)場(chǎng)光束相對(duì)會(huì)聚,透過(guò)率增大,即T>1;移動(dòng)到焦點(diǎn)位置時(shí),考慮為薄介質(zhì)情況下,遠(yuǎn)場(chǎng)接收到的光強(qiáng)與無(wú)介質(zhì)時(shí)一樣,即T=1;當(dāng)介質(zhì)通過(guò)焦點(diǎn)向+Z方向移動(dòng)時(shí),介質(zhì)的負(fù)透鏡作用將使遠(yuǎn)場(chǎng)光束相對(duì)發(fā)散,透過(guò)率減小,即T<1.當(dāng)介質(zhì)折射率為正時(shí),情況剛好相反.因此當(dāng)非線(xiàn)性光學(xué)樣品沿-Z向+Z方向移動(dòng)時(shí),歸一化透過(guò)率隨非線(xiàn)性光學(xué)樣品位置的變化曲線(xiàn)為峰-谷(負(fù))或谷-峰(正)形狀(如圖4).如果去掉遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)器D2前的小孔光闌,此時(shí)測(cè)量非線(xiàn)性光學(xué)樣品的透過(guò)率隨掃描位置變化,則為開(kāi)孔Z掃描測(cè)量.開(kāi)孔Z掃描測(cè)量不受非線(xiàn)性折射的影響,只與材料的非線(xiàn)性吸收效應(yīng)有關(guān).對(duì)于反飽和吸收、雙光子吸收和三光子吸收機(jī)制的介質(zhì)Z掃描曲線(xiàn)呈關(guān)于焦點(diǎn)對(duì)稱(chēng)的谷,飽和吸收機(jī)制的介質(zhì)Z掃描曲線(xiàn)呈關(guān)于焦點(diǎn)對(duì)稱(chēng)的峰.3影響z掃描的因素和改進(jìn)方法3.1z掃u3000在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用傳統(tǒng)的Z掃描方法采用嚴(yán)格的高斯TEM00基模,但對(duì)于超短脈沖要實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的高斯基模往往很難做到.輸出功率的漲落直接影響測(cè)量精度,光束的橫向分布可能會(huì)偏離圓對(duì)稱(chēng),光束出現(xiàn)缺陷.此時(shí)雖說(shuō)能對(duì)非線(xiàn)性折射率量級(jí)上進(jìn)行估計(jì),但其靈敏度卻受到影響而下降,導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果誤差增大.而且傳統(tǒng)Z掃描技術(shù)的理論基礎(chǔ)是高斯分解法,數(shù)學(xué)推導(dǎo)比較復(fù)雜,并且采用了一些近似條件(如薄樣品、小的非線(xiàn)性相移)才得到了解析解.為此W.Zhao等人利用小孔提取光源的一部分并經(jīng)透鏡擴(kuò)展為有限平面波又稱(chēng)“帽形波”對(duì)Z掃瞄進(jìn)行了研究,實(shí)驗(yàn)表明其靈敏度較高斯光束提高近2.5倍.由于在實(shí)際中很難保證標(biāo)準(zhǔn)的高帽光束,臧維平等人采取近高帽光束來(lái)研究激光Z掃描技術(shù).結(jié)果表明:近高帽光束下激光Z掃描可獲得比高斯光束更高的靈敏度,而且實(shí)驗(yàn)中也更容易實(shí)現(xiàn).顧玉宗等人采用高斯-貝塞爾(GB)光束研究了激光Z掃描技術(shù),研究結(jié)果表明:即使理想的高斯光束僅有一個(gè)很小的偏離,還是會(huì)導(dǎo)致測(cè)量靈敏度的顯著變化,而用貝塞爾光束來(lái)調(diào)制高斯光束,激光Z掃描的測(cè)量靈敏度比用常規(guī)的高斯光束增加了40倍以上.BingGu等人利用準(zhǔn)一維空間分裂光束(QODS)理論上研究了三階光學(xué)材料非線(xiàn)性特征,模擬結(jié)果表明利用準(zhǔn)一維空間分裂光束進(jìn)行Z掃描,其靈敏度和W.Zhao等人提出的“帽形波”Z掃描的靈敏度相當(dāng),較高斯光束也提高近2.5倍.根據(jù)其理論預(yù)測(cè),該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)至少可以捕獲小于γ/500波前畸變量.由于flat-topped光束非線(xiàn)性光學(xué)領(lǐng)域擁有許多潛在的應(yīng)用.例如光學(xué)處理、激光慣性約束、成像、追蹤以及遠(yuǎn)距離光通信等.G.J.Lee等人還利用flat-topped光束研究雙光子吸收材料的非線(xiàn)性效應(yīng),有效的增強(qiáng)了Z掃瞄的靈敏度,為Z掃描在研究光學(xué)材料非線(xiàn)性性質(zhì)提供了可靠的參考.3.2雙色時(shí)間分辨z掃描測(cè)量的發(fā)展材料表現(xiàn)的光學(xué)非線(xiàn)性效應(yīng)是光波場(chǎng)與介質(zhì)相互作用的結(jié)果.當(dāng)單一的基模激光束作用于非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)時(shí),光束橫向分布引起附加相位.在Z掃描中測(cè)量附加相位實(shí)際是通過(guò)衍射轉(zhuǎn)換測(cè)量振幅變化而實(shí)現(xiàn)的.測(cè)量振幅變化和入射光的橫向分布以及測(cè)量的位置有密切關(guān)系,傳統(tǒng)的Z掃描方法采用高斯基模,測(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)中心的振幅,但線(xiàn)性吸收,小孔的增大以及光束的橫向分布引起的高階模都會(huì)減弱Z掃描的靈敏度.為消去線(xiàn)性吸收和高階模光束提高Z掃描的靈敏度這對(duì)光路的設(shè)計(jì)提出了要求.為此,Tian等人提出了將小孔偏離光軸進(jìn)行掃描測(cè)量的方法,結(jié)果靈敏度提高了5倍左右,這是因?yàn)閆掃描測(cè)量的是相對(duì)透過(guò)率曲線(xiàn),在離軸位置的線(xiàn)性透過(guò)部分比較小.也就是說(shuō)非線(xiàn)性附加相位的調(diào)制對(duì)高頻分量影響更大,而遠(yuǎn)場(chǎng)中心只能測(cè)量低頻分量,這是傳統(tǒng)Z掃描方法靈敏度偏小的原因.同時(shí)他們還用圓片替代小孔,測(cè)量由透鏡會(huì)聚的圓片邊緣光強(qiáng),其靈敏度高達(dá)γ/10000.為了減少入射光源缺陷導(dǎo)致信噪比下降還可以引入?yún)⒖脊饴?其靈敏度可以提高到λ/700.測(cè)量材料光學(xué)非線(xiàn)性的雙色光時(shí)間分辨Z掃描是從傳統(tǒng)的單光束Z掃描測(cè)量發(fā)展起來(lái)的,不同之處在于增加了一束激光和時(shí)間延遲裝置.雙色時(shí)間分辨Z掃描技術(shù)可以描述為:研究一定時(shí)間間隔內(nèi)的一束強(qiáng)光(激勵(lì)光)和一束弱光(探測(cè)光)在非線(xiàn)性材料中的傳播問(wèn)題.強(qiáng)光束激勵(lì)非線(xiàn)性材料,弱激光束反映強(qiáng)激光引起的非線(xiàn)性材料的特征變化.雙色時(shí)間分辨的Z掃描測(cè)量較其它Z掃描測(cè)量有兩點(diǎn)主要優(yōu)勢(shì):①兩種波長(zhǎng)激光的引入擴(kuò)展了單一波長(zhǎng)處于材料強(qiáng)吸收區(qū)域的性質(zhì)測(cè)量,特別是在半導(dǎo)體光學(xué)非線(xiàn)性測(cè)量時(shí),使用雙波長(zhǎng)可以獲得更多不同波長(zhǎng)的非線(xiàn)性吸收和折射信息,另外雙色激光的引入還有利于我們研究材料非簡(jiǎn)并的實(shí)驗(yàn)理論.②時(shí)間延遲的引入擴(kuò)展了對(duì)材料不同時(shí)間響應(yīng)的光學(xué)非線(xiàn)性性質(zhì)的研究,從而有利于更加深入地探討材料中的光學(xué)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)機(jī)制.典型的雙色時(shí)間分辨Z掃描實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示.基于雙色光時(shí)間分辨Z掃描擁有其潛在優(yōu)勢(shì),人們也通常把它作為提高Z掃描靈敏度的有效方法之一.3.3z掃描實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用在計(jì)算材料的非線(xiàn)性性質(zhì)時(shí),存在線(xiàn)性吸收和非線(xiàn)性吸收導(dǎo)致靈敏度下降.為了研究樣品吸收對(duì)Z掃描靈敏度的影響,Sheik.Bahae研究了非線(xiàn)性吸收的情況,對(duì)于飽和吸收介質(zhì)和雙光子吸收介質(zhì),掃描曲線(xiàn)的特征都會(huì)減弱.飽和吸收介質(zhì)會(huì)削平掃描曲線(xiàn)的谷而增強(qiáng)峰.雙光子吸收介質(zhì)則相反.為消除此影響,可進(jìn)行無(wú)小孔的Z掃描實(shí)驗(yàn),求得非線(xiàn)性吸收系數(shù)β,進(jìn)一步利用S<1的Z掃描實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求得樣品的非線(xiàn)性折射系數(shù)n2.從而達(dá)到消去樣品非線(xiàn)性吸收對(duì)Z掃描實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)影響的目的.同時(shí)Sheik.Bahae還給出了高斯分解法成立的條件:非線(xiàn)性吸收的影響要小于非線(xiàn)性折射率的影響,即相位調(diào)制占主要成分,對(duì)一些特定介質(zhì)這個(gè)條件若不能滿(mǎn)足,高斯分解失效,那么這時(shí)就可以用惠更斯-菲涅耳衍射積分來(lái)表示.利用Z掃描測(cè)量非線(xiàn)性光學(xué)材料的過(guò)程中往往還遇到這樣的問(wèn)題:激光的強(qiáng)度很弱以致不能產(chǎn)生非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)響應(yīng),此時(shí)所做的工作是徒勞無(wú)益的.但當(dāng)激光輻照的強(qiáng)度過(guò)大時(shí),會(huì)在樣品中形成熱包或者氣泡,當(dāng)光束遇到這些熱包或者氣泡時(shí)被散射,進(jìn)入能量探測(cè)系統(tǒng)的非線(xiàn)性信號(hào)減弱,影響系統(tǒng)的靈敏度.再者樣品本身的不完整性也會(huì)影響非線(xiàn)性特性的測(cè)量結(jié)果,為此可采用消除樣品非線(xiàn)性吸收類(lèi)似的方法對(duì)材料不均勻所引起的影響進(jìn)行修正:①用弱光進(jìn)行Z掃描,測(cè)量結(jié)果只涉及樣品自身的不完整性,非線(xiàn)性不起作用,測(cè)得T1(Z)=a;②用強(qiáng)光進(jìn)行Z掃描,測(cè)得T2(Z)=b;③修正結(jié)果為:T(Z)=b-a.4熔石英的光學(xué)性能Z掃描測(cè)量技術(shù)因具有裝置簡(jiǎn)單、靈敏度高的突出優(yōu)點(diǎn),在實(shí)驗(yàn)和理論兩方面都取得了較大的發(fā)展.從擴(kuò)大應(yīng)用范圍上看,從單光束Z掃描技術(shù)到雙色光Z掃描技術(shù),雙色光時(shí)間分辨Z掃描技術(shù),從一維Z掃描技術(shù)到二維Z掃描技術(shù),從有透鏡Z掃描技術(shù)到無(wú)透鏡Z掃描技術(shù)等;從提高測(cè)量靈敏度方面,Z掃描技術(shù)由高斯光束到橢圓高斯光束、高帽(top-hat)光束、近高帽(top-hat)光束、高斯-貝塞爾(GB)光束以及采用圓盤(pán)Z掃描技術(shù)、反射Z掃描技術(shù)等.傳統(tǒng)的Z掃描大多數(shù)情況都是在紅外或近紅外波長(zhǎng)、可見(jiàn)光波長(zhǎng)等激發(fā)波長(zhǎng)范圍情況下研究探討介質(zhì)的光學(xué)非線(xiàn)性效應(yīng),利用近紫外、紫外和深紫外激發(fā)波長(zhǎng)范圍研究和探討光學(xué)材料非線(xiàn)性效應(yīng)和近紫外、紫外和深紫外激發(fā)波長(zhǎng)情況下的峰-谷或谷-峰結(jié)構(gòu)、精確臨界值ρc和曲線(xiàn)的某些特征參量與ρ的關(guān)系、適用范圍以及高階非線(xiàn)性極化率、熱光效應(yīng)具有潛在的研究和應(yīng)用意義.熔石英的光學(xué)性能有其獨(dú)到之處,它既可以透過(guò)遠(yuǎn)紫外光譜,是所有透紫外材料最優(yōu)者,又可透過(guò)可見(jiàn)光和近紅外光譜.熔石英耐高溫,熱膨脹系數(shù)極小,化學(xué)熱穩(wěn)定性好,氣泡、條紋、均勻性、雙折射又可與一般光學(xué)玻璃媲美,所以它是在各種惡劣場(chǎng)合下工作具有高穩(wěn)定度光學(xué)系統(tǒng)的必不可少的光學(xué)材料.但熔石英的非線(xiàn)性效應(yīng)很弱,一般在10-20m2/W,這給優(yōu)良激光器、激光限幅器和ICF激光窗鏡的研究帶來(lái)了困難,傳統(tǒng)的Z掃描技術(shù)測(cè)量材料非線(xiàn)性都是忽略橫向效應(yīng)的,不能探測(cè)到熔石英晶體的非線(xiàn)性信號(hào).用CCD探測(cè)器代替能量探