4f相位相干成像系统的非线性光学参数的测量装置和测量方法与流程

1.本发明涉及非线性光子学材料和非线性光学信息处理领域，具体地说，涉及一种材料的非线性光学性能其光学物理参数的测量装置。


背景技术：

2.自激光问世以来，非线性光学这一领域得到了快速地发展，它不仅革新了激光技术本身，还推动了光信息处理，光通信、光计算和激光防护等科学技术的发展。因此，对于非线性光学的研究显得尤为重要。非线性光学是研究激光与物质相互作用的学科，故而离不开非线性光学材料的支持。寻找不同用途的光学非线性材料仍是这一领域研究的一个基本方向。总得来说，就是利用不同的简单有效的非线性测量技术对各种各样的材料进行筛选，得到具有较好非线性光学性质的材料或者总结出材料的结构与其光学非线性性质之间的规律，为开发具有更好非线性光学性质的材料提供参考。同时这也促使了非线性光学测量技术的发展。目前，对于光学非线性的测量方法有很多。单光束z扫描方法(mansoor sheik-bahae,ali a.said,tai-hui wei,david j.hagan,e.w.van stryland.“sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam”,ieee j.quantum elect.,26,760-769(1990))因其光路简单，测量精度高并且可以同时获得材料的非线性吸收与非线性折射的符号与大小等优点得到了广泛地应用。但是这种方法对薄膜材料的表面粗糙程度要求很高，而且需要样品的移动。
3.另外，还有一些测量材料非线性吸收和非线性折射的方法(junyi yang,xueru zhang,yuxiao wang,min shui,changwei li,xiao jin,and yinglin song,method with a phase object for measurement of optical nonlinearities.opt.lett.,34,2513-2515(2009))，与传统z扫描不同的是在聚焦透镜的前焦面上放置一个圆形相位物体。但是，这些技术都需要移动样品，对薄膜材料的光学表面质量要求也比较高，而且假如只存在单个脉冲，这些技术是实现不了测量的。2004年，boudebs等人提出了4f相位相干成像技术(g.boudebs,s.cherukulappurath,nonlinear optical measurements using a 4f coherent imaging system with phase objects,phys.rev.a.69,053813(2004))，可以同时测量非线性折射的大小与符号、单脉冲测量而且无需样品移动。但这种测量方法由于在傅立叶平面处的光斑尺寸较大，很难测量诸如有机晶体材料或表面平整度较差的薄膜材料。
4.总得来说，利用现有技术对于测量表面光学质量较差的薄膜材料或者尺寸比较小的有机晶体等的光学非线性性质都或多或少有着不同的困难。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种基于4f相位相干成像系统的非线性光学参数的测量装置，可以精确测量微-纳尺寸材料的非线性光学参数。
6.根据本发明所提供的测量装置，包括激光束调制系统，相位光阑4f成像系统，4f成像测量系统和显微成像系统，所述4f成像测量系统与所述显微成像系统包括一个共用透镜，所述共用透镜为显微物镜。
7.优选地，所述光阑4f成像系统的像焦面与所述显微物镜的邻近所述相位光阑4f成像系统的焦面为共焦面。
8.优选地，所述激光束调制系统依次包括激光器、第一透镜、第二透镜、以及孔径光阑，所述第一透镜与所述第二透镜具有共焦面。
9.优选地，所述相位光阑4f成像系统依次包括相位光阑、第三透镜、以及第四透镜，第三透镜与第四透镜的共焦面为相位光阑4f成像系统的傅里叶平面。
10.优选地，所述4f成像测量系统依次包括所述显微物镜、载物平台、第五透镜、第一成像装置、以及衰减片，所述显微物镜与第五透镜的共焦面为4f成像测量系统的傅里叶平面，所述载物平台在4f成像测量系统的傅里叶平面上，所述衰减片根据不同的测量步骤设置在载物平台前或第一成像装置前。
11.优选地，所述显微成像系统依次包括照明装置、载物平台、所述显微物镜、分束镜、第六凸透镜、以及第二成像装置。
12.优选地，所述显微成像系统的照明装置到分束镜部分的光路与4f成像测量系统光路同轴且相逆；所述分束镜到第二成像装置的光路为旁支光路。
13.优选地，所述第一成像装置和/或所述第二成像装置为ccd、lcos、或dmd中的一种；所述载物平台包括三维可调节支架。
14.优选地，所述测量装置至少包括一反射镜；所述反射镜设置在激光束调制系统与所述相位光阑4f成像系统之间，和/或相位光阑4f成像系统与4f成像测量系统之间。
15.本发明还提供一种基于4f相位相干成像系统的非线性光学参数的测量方法，采用上述的测量装置获取待测样品的非线性光学参数，所述测量方法包括：
16.步骤a)，获取激光束参考光斑信息，
17.步骤b)，获取待测样品的激光束线性光斑信息，
18.步骤c)，获取待测样品的激光束非线性光斑信息，
19.步骤d)，对激光束参考光斑信息、待测样品激光束线性光斑信息、以及待测样品激光束非线性光斑信息进行运算得到样品的非线性光学参数。
20.优选地，所述4f成像测量系统包括所述显微物镜，载物平台，第五透镜，第一成像装置，以及衰减片，在实施所述步骤a)时，所述衰减片设于第一成像装置前的光路中。
21.优选地，所述4f成像测量系统包括所述显微物镜，载物平台，第五透镜，第一成像装置，以及衰减片，在实施所述步骤b)时，所述衰减片设于载物平台前的光路中。
22.优选地，所述4f成像测量系统包括所述显微物镜，载物平台，第五透镜，第一成像装置，以及衰减片，在实施所述步骤c)时，所述衰减片设于载物平台与第一成像装置之间的光路中。
23.优选地，不限定步骤a)，b)，c)的先后次序。
24.优选地，在步骤b)和步骤c)之前，测量方法还包括步骤e)：通过显微成像系统，调整待测样品的位置。
25.本发明在4f相位相干成像系统的基础增设了显微成像系统，可以通过显微成像系
统观察待测样品可测试范围，以及激光束在待测样品上的光斑的动态过程，扩展了待测样品的尺寸范围，使得毫米以下乃至微米以下的样品的光学参数得到精确测量。无需移动样品，光路简单；可实现单光束单脉冲测量。由于可以观察到待测样品可测试范围，实现了材料的形貌与材料的光学非线性的同时测量。另外，将显微成像系统与4f成像测量系统共用一个透镜，减少了整个装置元件数量，缩小了测量装置的体积。
附图说明
26.附图1为本发明一实施例的测量装置示意图。
27.其中：
28.1、激光器；2、第一凸透镜；3、第二凸透镜；4、孔径光阑；5、反射镜；6、反射镜；7、相位光阑；8、第三凸透镜；9、第四凸透镜；10、反射镜；11、反射镜；12、分束镜；13、显微物镜；14、载物平台；15、第五凸透镜；16、照明装置；17、第一成像装置；18、第六凸透镜；19、第二成像装置
具体实施方式
29.有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：
30.如图1所示，为本发明一实施例中基于4f相位相干成像系统的非线性光学参数的测量装置的示意图。从激光器1中输出的激光经过第一凸透镜2和第二凸透镜3扩束准直后，被孔径光阑4截取获得光强分布比较均匀的激光，之后经过反射镜5和反射镜6反射后入射到相位光阑7，相位光阑7经过第三凸透镜8和第四凸透镜9组成的4f成像系统成像，使得相位光阑7的像位于显微物镜13的前焦面上，最后经过显微物镜13和第五凸透镜15组成的4f系统，用第一成像装置17接收系统所成的像。待测样品为非线性光学材料，待测样品放于显微物镜的焦点处且待测样品放置在载物平台14上，载物平台包括三维维可调的支架上。本实施例中，还包括衰减片(图中未展示)，根据不同的测量步骤，衰减片设置在载物平台前或第一成像装置前。本实施例中通过设置两组反射镜组(反射镜组5，6；反射镜组10，11)，改变光路方向是整体体积缩小；在另一实施例中可根据需要少设置或不设置反射镜，这里仅为示例，并不局限于此。
31.在本实施例中，显微成像系统依次包括照明装置16，载物平台14，显微物镜13，分束镜12，第六凸透镜18，以及第二成像装置19。打开照明装置16，利用显微物镜13、分束镜12和凸透镜18组成的系统对非线性光学材料表面进行成像，最后被第二成像装置19接收，通过查看第二成像装置19所接收到的非线性光学材料表面的像来微调三维可调节支架来调整载物平台14的位置，寻找合适的位置进行测量。
32.在进行非线性光学参数的测量时，获取激光束参考光斑信息，获取待测样品的激光束线性光斑信息，获取待测样品的激光束非线性光斑信息。通过对激光束参考光斑信息、待测样品激光束线性光斑信息、以及待测样品激光束非线性光斑信息进行运算得到样品的非线性光学参数。在获取待测样品的激光束线性光斑信息与非线性光斑信息之前，通过显
微成像系统寻找合适的位置进行测量。
33.具体来说，在一种测量方案中，步骤(1)放置合适的衰减片置于第五凸透镜15后，使得第一成像装置17接收到的光斑处在其所能承受的光强范围内。步骤(2)载物平台14上不放置待测材料，第一成像装置17接收入射激光的光斑，为激光束参考光斑。步骤(3)将待测材料放置于显微物镜13的焦点处(载物平台14位于显微物镜13的焦点处)之后，首先挡住第一成像装置17，防止其损伤，之后待测样品由照明装置16照明后经显微物镜13、分束镜12以及凸透镜18所成的像被第二成像装置19接收，观察待测样品像的同时微调载物平台14的三维可调支架以便找到合适的位置进行测量。关闭照明装置16，打开第一成像装置17，记录测试经过样品后的激光光斑，为非线性光斑。步骤(4)关闭激光，将第五凸透镜15后的衰减片放置于待测样品之前，因此时照射到待测样品的激光已被衰减片衰减，无法引起待测样品的非线性光学效应，因此记录此时经过样品的激光光斑，为线性光斑。步骤(5)对步骤(2)和步骤(4)的光斑进行处理，将两个图像对准后利用图像处理软件得到材料的线性吸收系数。对步骤(3)中的图像与步骤(2)和步骤(4)得到的图像对准后，利用图像处理软件得到非线性光斑的横向或纵向剖面图。最后利用4f理论对其拟合得到材料的非线性光学参数。在另一实施例中，步骤(2)、(3)、(4)可根据需要调整先后次序。
34.本发明在4f相位相干成像系统的基础增设了显微成像系统，可以通过显微成像系统观察待测样品可测试范围，以及激光束在待测样品上的光斑的动态过程，扩展了待测样品的尺寸范围，使得毫米以下乃至微米以下的样品的光学参数得到精确测量。无需移动样品，光路简单；可实现单光束单脉冲测量。由于可以观察到待测样品可测试范围，实现了材料的形貌与材料的光学非线性的同时测量。另外，将显微成像系统与4f成像测量系统共用一个透镜，减少了整个装置元件数量，缩小了测量装置的体积。
35.以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即所有依本发明权利要求书及说明内容所作的简单的等效变化与修改，都仍属本发明专利覆盖的范围内。另外，本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要和发明名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。