z-扫描测量非线性光学特性

超连续白光Z扫描技术测量材料的非线性光学特性研究的开题报告一、研究背景和意义材料的非线性光学特性是材料科学和光学领域的重要研究方向之一。

非线性光学效应是指当强光与物质相互作用时，物质所表现出来的光学效应是非线性的。

其中，最常见的非线性光学效应有二阶非线性效应、三阶非线性效应和四阶非线性效应。

具有非线性光学特性的材料能够在外加光场作用下发生非线性光学效应，这些效应的产生和调控是制备高速、高效、低噪声光学器件和新型光学材料的关键。

目前，已经开发出许多用于测量材料非线性光学特性的技术，其中，在材料的三阶非线性效应测量中，Z扫描技术是一种非常实用的方法。

Z扫描技术是一种经过时间演化的三阶非线性效应技术，一般用于评估材料中的非线性折射率。

然而，传统的Z扫描技术的时间分辨率被制约到亚皮秒以下，不能解析出材料中的超短暂非线性效应，无法全面评估材料的非线性光学特性。

近年来，超快激光技术的发展为测量材料中的超短暂非线性效应提供了新的机会。

随着计算机技术的快速发展，超连续白光Z扫描技术测量非线性光学特性已经成为一种研究热点和趋势。

这种技术可以通过使用窄脉冲的超快激光以及连续谱的白光来获得更高的时间分辨率，对材料的超短暂非线性效应进行更全面的评估。

因此，研究使用超连续白光Z 扫描技术来测量材料的非线性光学特性具有重要的科学意义和应用前景。

二、研究内容和方案本研究拟利用超快激光技术和超连续白光Z扫描技术测量材料的非线性光学特性，具体研究内容包括：1.使用飞秒激光进行样品激发和Brewster角样品照射，同时利用频宽大的超连续白光进行测量。

2.建立超连续白光Z扫描系统和实验平台，对实际样品进行测量试验，得到样品的非线性折射率、3.对得到的实验数据进行分析，研究非线性光学特性与材料结构之间的关系，探讨材料制备的优化方案，以提高材料的非线性光学性能。

具体的研究方案如下：1.建立超连续白光Z扫描系统。

该系统采用飞秒激光器作为激光源、光学滤波器和分光棱镜实现光的分离和滤波。

Z-扫描技术与非线性光学材料性质的测量祁胜文;杨秀琴;陈宽;张连顺;王新宇;许棠;周文远;张春平;田建国【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2003(023)012【摘要】介绍了Z-扫描技术的基本原理,以及Z-扫描技术在测量非线性光学介质的非线性折射率、非线性吸收系数和光学限制器等方面的应用.以细菌视紫红质(bR 膜)、碘的酒精溶液和偶氮材料CN2为例,分别介绍了它们的测量结果.给出了提高Z-扫描灵敏度的改进方法,介绍了其发展装状况.【总页数】6页(P14-19)【作者】祁胜文;杨秀琴;陈宽;张连顺;王新宇;许棠;周文远;张春平;田建国【作者单位】南开大学物理学院光子中心,天津,300071;南开大学物理学院光子中心,天津,300071;南开大学物理学院光子中心,天津,300071;南开大学物理学院光子中心,天津,300071;南开大学物理学院光子中心,天津,300071;南开大学物理学院光子中心,天津,300071;南开大学物理学院光子中心,天津,300071;南开大学物理学院光子中心,天津,300071;南开大学物理学院光子中心,天津,300071【正文语种】中文【中图分类】O437【相关文献】1.Z-扫描技术及其在非线性测量中的应用 [J], 祁胜文;张泽波2.Z扫描技术及其在非线性光学材料科学中的应用与进展 [J], 安辛友;吴卫东;任维义;张志娇;汪建军3.用 Z-扫描技术研究量子点的非线性折射率 [J], 李波;程晓东4.无透镜Z-扫描测量系统及其在高阶非线性研究中的应用(英文) [J], 倪永锋;泷口义浩;青岛绅一朗;鲍超;杨国光5.Z-扫描技术测量(Na_(0.5)Bi_(0.5))TiO_3薄膜非线性折射率 [J], 张婷;何家梅;丁玲红;张伟风因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

反射 z扫描方法测量碲化铋晶体的非线性折射率冯栋;曾贤贵【摘要】In order to study nonlinear refractive index of bismuth telluride , a 3-D topological insulator , nonlinear refractive index of 800 nm femtosecond pulse laser was measured by reflection z-scan method .After theoretical calculation and experimental data fitting, nonlinear refractive index of bismuth telluride crystal could reach the order of magnitude of 10 -14 m2/W, 105 times of that of quartz.Nonlinear refractive index decreased with the increase of incident power .Until peak intensity reached85GW/cm2, nonlinear refractive index tended to be a constant .The results show that bismuth telluride is a remarkable nonlinear optical material which has huge potential in the application of all-optical signal processing and optical switching .%为了研究3维拓扑绝缘体碲化铋（Bi2Te3）的非线性光学特性，采用反射z扫描方法，实验测量了800nm飞秒脉冲激光的非线性折射系数。

光学非线性实验讲义在信息技术高速发展的时代，用光子作为载体的研究日益受到重视，以非线性效应为特征的光电材料的研究和开发就应运而生。

我们熟悉，光和物质相互作用会产生光的吸收、反射、散射和发光等现象，其效应一般和光的强度无关，只和入射光的波长有关。

但当高强度的激光问世以后，光与物质的相互作用出现了过去无法看到的许多光学现象，如吸收系数、折射率及传输光频率都与作用光的强度有关，这种与作用光强度相关的现象就是光学非线性效应。

光学非线性效应又会引起一系列新的光学现象产生，如饱和吸收、反饱和吸收、双光子吸收、光学自聚焦、光学限制、光学共轭等现象。

具有上述性质的物质就是非线性光学材料，它在光学通信、光子计算机和动态成像等高新技术中都有广泛应用。

XGX-1型光学非线性测量，主要采用激光Z扫描技术，同时考虑饱和光谱测量方法，光限制测量方法及其光模式传输测量等技术，综合考虑设计而成，光路简单（采用单光束），测量灵敏度高，可同时测量样品的非线性折射率和非线性吸收系数激光斑信息和光学限制效应等。

该仪器采用多种光信号测量探测器（光电倍增管、桂光电池、CCD等），可用脉冲激光、连续激光等作为光源，光电信号即可用仪器本身电箱测量，还可以外接积分器和锁相放大器等，实现机算机自动控制和测试，并配有多种附件，适用于液体、固体样品的测量。

一实验目的1.了解光学非线性测量仪的基本原理2.学习使用非线性测量仪测定物质的非线性光谱，知道简单的谱线分析方法。

二实验原理工作原理光与物质作用产生非线性的物理机制有：（1）引起介质内部电子云分布产生畸变而引起极化强度的改变，（2）光克尔效应引起分子的重新取向使折射率产生变化，（3）带电质点发生位移引起介质内密度的起伏，（4）光吸收产生升温引起折射率变化。

以上过程产生的非线性折射率是具有不同的响应时间的，在不同的情况下它们的贡献不同，这取决于入射激光作用的时间。

对ns量级脉冲，电子分部畸变、光克尔效应、电致伸缩都能起作用；热光效应只对长时间激光才有明显作用。

当涉及到研究材料的非线性光学性质时，Z-scan技术是一种非常有用的实验手段。

它通过分析材料在高强度激光照射下的光学响应，揭示了材料的非线性光学特性，如非线性吸收和非线性折射。

这种技术在材料科学、光子学和激光应用等领域具有广泛的应用。

在Z-scan实验中，一束激光光束被聚焦成一个微小的光斑，然后穿过待测样品。

样品通常位于一个可以在纵向方向（通常称为z方向）移动的样品台上，因此得名"Z-scan"。

通过改变样品台的位置，可以获取不同z位置处的光透射强度。

在低光强情况下，材料的光学响应呈现线性关系。

然而，一旦光强超过某个临界值，就会出现非线性效应，这可能是由于材料内部的电子、声子和光子之间的相互作用引起的。

Z-scan实验的关键是测量透射光的强度随着z轴位置的变化。

非线性效应会引起透射光的吸收和折射变化，从而影响透射光的强度分布。

通过分析这种强度变化，可以获得与材料的非线性吸收系数、非线性折射率等相关的参数。

这些参数能够揭示材料的非线性光学行为，例如光学限幅现象、自聚焦效应以及非线性折射现象。

总之，Z-scan技术为我们深入了解材料的非线性光学特性提供了一个强大的工具。

通过这种技术，研究人员可以获得关于材料的重要信息，从而为光学器件的设计和应用提供支持和指导。

浅谈Z—scan法在研究非线性光学材料中的应用和经验作者：彭蕊来源：《中国科技纵横》2013年第24期【摘要】利用波长为532nm的纳秒激光脉冲，通过Z-scan技术研究了Fe3O4纳米粒子在不同光强下的非线性吸收特性，随着光强的增加，开孔Z-scan由饱和吸收为主转为反饱和吸收为主，在高光强下，表现出了优良的光限幅性质。

分析结果表明，Fe3O4纳米粒子的限幅机制主要是由于非线性散射引起的。

【关键词】非线性光学光限幅 Fe3O4纳米粒子1 非线性光学材料在激光防护领域的应用及发展随着激光技术的日益发展，例如激光武器、激光手术、激光切割等的应用，激光在生产生活中的应用日益广泛，而由于激光辐射能对人眼、皮肤造成伤害，激光的使用安全与防护日益受到人们的重视。

目前已有商品化的激光防护器件投入应用，这些器件在原理上多是基于线性光学的的反射、衍射、吸收等研制成的，只在有限的条件下，能对激光起到防护效果，但是这些器件在高能量激光防护领域存在着很大的缺陷。

而利用材料非线性光学效应，实现激光限幅，成为制备激光防护器件的主要方向[1]。

非线性光学材料的激光限幅原理，大致上可以分为：（1）非线性折射引起的激光限幅[2]，非线性折射主要包括光折变、自散焦和自聚焦等。

（2）非线性吸收引起的光限幅，据此机理的光限幅是目前非线性光学领域研究最多的领域，包括激发态吸收（反饱和吸收）和双光子吸收，基于非线性吸收机理的光限幅器件具有结构简单等优点，但是限幅作用的波长范围较窄[3]。

（3）非线性散射作用引起的光限幅。

非线性散射主要是因为两种线性折射率匹配而非线性折射率不同的两种介质，在光强度低的弱辐射入射时，非线性折射率不起主导作用，介质是光学均匀的，入射光的透过率高。

而当光强度增加，非线性折射率起主导作用时，介质对于强辐射是光学不均匀的，会对入射光强烈散射，导致入射光透过率大幅降低，起到强光限幅作用。

同时对于非线性散射主导的激光限幅，两种介质间的线性折射率越匹配，可见光区的线性透过率越高，而非线性折射率相差越大，材料对强辐射的限幅作用越强。

Z-scan测量系统开发与二维材料非线性光学特性测量随着科技的进步,在超快激光和光通信技术需求的驱动下,寻找出独特的新型的二维材料显得尤为重要。

为找出同时具有更大的非线性吸收系数与非线性折射率以及更高的调制深度的二维材料,非线性光学测量系统Z-scan被广泛使用。

作为二维材料中的重要成员——黑磷,是现阶段研究的热门对象,黑磷具有随着层数变化的能带,从单层到多层都保持着直接带隙结构,因此它是优秀的锁模或调Q等光电器件。

为找出与黑磷在某些方面不同的材料,并对这些材料进行研究。

传统的Z-scan测量系统已经不能满足我们对不同形态材料的测试条件的多样化要求,为满足测试条件设计出新颖的功能多样化的适应性强的测量系统显得尤为迫切。

本论文结合二维材料测试要求,设计了三套测量系统,通过黑磷、二硫化碳等不同形态材料验证了系统的稳定性和准确性,并利用该系统揭示了硒掺杂黑磷和锑纳米片与众不同的非线性光学特性。

具体研究成果总结如下:1.搭建了非线性光学测量平台,这个过程分为实验硬件系统搭建和测量软件系统设计。

Z-scan技术是一种基于分析单光束透过率的非线性光学测量方法。

为了更快更准确地得到样品的非线性性质,我们设计了一种改进的Z-scan测量光路,并基于Lab VIEW编写了三套测量软件,分别用于双通道Z-scan测量,三通道Z-scan测量和P-scan(Power Scan)测量。

P-scan测量软件对于不同形态的材料而言,结果更加可靠,同时反过来也应证了Z-scan测量系统的准确性。

2.硒掺杂黑磷和锑纳米片超快非线性响应研究。

利用液相剥离技术,我们成功地制备了含有大量硒掺杂黑磷的纳米片,利用双通道Z-scan测量系统和P-scan测量系统研究了其分散液的超快非线性响应。

在800nm飞秒激光的辐照下,测试了硒掺杂黑磷的三阶非线性虚部特性和饱和强度。

结果表明了硒掺杂黑磷比黑磷更容易饱和,而调制深度却并没有下降。

利用溶剂热法制备了锑纳米片,我们对其分散液进行了微观结构表征和光谱分析,证实了锑在其乙醇溶液中实现了高质量分散,在飞秒激光辐照下,我们利用了三通道Z-scan系统同时测量了锑纳米片的三阶非线性实部和虚部,并利用P-scan 系统得到了其饱和强度。

非线性光学（nonlinear optics）非线性光学，又称强光光学，是现代光学的一个分支，研究介质在强相干光作用下产生的非线性现象及其应用。

在强光作用下物质的响应与场强呈现非线性关系，与场强有关的光学效应称为非线性光学效应。

激光问世之前，基本上是研究弱光束在介质中的传播，确定介质光学性质的折射率或极化率是与光强无关的常量，介质的极化强度与光波的电场强度成正比，光波叠加时遵守线性叠加原理。

在上述条件下研究光学问题称为线性光学。

对很强的激光，例如当光波的电场强度可与原子内部的库仑场相比拟时，光与介质的相互作用将产生非线性效应，反映介质性质的物理量（如极化强度等）不仅与场强E的一次方有关，而且还决定于E的更高幂次项，从而导致线性光学中不明显的许多新现象。

介质极化率P与场强的关系可写成P＝α1E＋α2E2＋α3E3＋…非线性效应是E项及更高幂次项起作用的结果。

常见非线性光学现象有：①光学整流。

E2项的存在将引起介质的恒定极化项，产生恒定的极化电荷和相应的电势差，电势差与光强成正比而与频率无关，类似于交流电经整流管整流后得到直流电压。

②产生高次谐波。

弱光进入介质后频率保持不变。

强光进入介质后，由于介质的非线性效应，除原来的频率ω外，还将出现2ω、3ω、……等的高次谐波。

1961年美国的P.A.弗兰肯和他的同事们首次在实验上观察到二次谐波。

他们把红宝石激光器发出的3千瓦红色（6943埃）激光脉冲聚焦到石英晶片上，观察到了波长为3471.5埃的紫外二次谐波。

若把一块铌酸钡钠晶体放在1瓦、1.06微米波长的激光器腔内，可得到连续的1瓦二次谐波激光，波长为5323埃。

非线性介质的这种倍频效应在激光技术中有重要应用。

③光学混频。

当两束频率为ω1和ω2（ω1＞ω2）的激光同时射入介质时，如果只考虑极化强度P的二次项，将产生频率为ω1＋ω2的和频项和频率为ω1－ω2的差频项。

利用光学混频效应可制作光学参量振荡器，这是一种可在很宽范围内调谐的类似激光器的光源，可发射从红外到紫外的相干辐射。

实验中非线性光学效应的测量与分析方法非线性光学效应是光学领域中的重要研究内容，它在光信息处理、光通信、光储存、激光制导等领域有着广泛的应用。

为了准确测量和分析非线性光学效应，科学家们开发了一系列的实验方法和技术。

本文将介绍实验中非线性光学效应的测量与分析方法，帮助读者更好地理解和应用这些技术。

一、Z扫描法Z扫描法是一种常用的非线性光学效应测量方法，它能够测量介质的非线性折射率，从而揭示介质中的非线性光学性质。

该方法的基本原理是通过改变样品与激光束之间的相对位置，观察光束在Z方向上的传播规律。

通过测量光束的透过率变化，即可得到样品的非线性折射率。

在实验中，我们首先需要准备一个激光器和一束脉冲光束。

然后，将样品置于光程中，通过精确控制样品与激光束之间的间隔，扫描激光束的入射位置。

利用光电探测器可以测量出不同入射位置下的透过率，进而得到样品的非线性折射率。

通过对透过率-位置曲线的分析和计算，可以准确测量样品的非线性光学性质。

二、脉冲前沿法脉冲前沿法是另一种常用的非线性光学效应测量方法，它主要用于测量材料的非线性折射率以及非线性吸收系数。

该方法基于光的传播速度与折射率之间的关系，通过测量脉冲前沿的时间延迟来确定非线性折射率的大小。

在实验中，我们使用一束飞秒激光器产生超短脉冲光束，并将其透过待测样品。

通过在样品后面放置一个透镜和光电探测器，可以测量脉冲前沿的时间延迟。

通过改变样品的厚度或者使用不同的材料，可以得到不同的时间延迟。

通过对时间延迟与样品参数的关系进行拟合和计算，可以得到样品的非线性折射率和非线性吸收系数。

三、陡升法陡升法是一种用于测量非线性光学性质的新型方法，它主要用于测量非线性折射率。

该方法基于光束在非线性样品中的传播规律，通过测量光束传播过程中的波前畸变，进而得到样品的非线性光学性质。

在实验中，我们使用一束连续激光器产生的光束，并将其透过样品。

通过在样品后面放置一个透镜和CCD相机，可以在传播过程中捕捉光束的波前形状。

π-共轭聚合物的非线性光学特性和一种新的Z-扫描理论聚苯胺(PAn)类和聚对苯撑乙烯(PPV)类材料都为线性共轭高分子有机聚合物。

由于这两类聚合物具有良好的导电和发光性能，近几年的研究主要集中在制备光电器件、发光二极管等方面上，对其光学非线性的研究报道甚少。

但它们都具有易离域化的π-共轭电子结构，通常显示出常规高分子所不具有的独特非线性光学性质。

例如较大的非线性系数、较快的光学响应速度、良好的化学和热稳定性；并且结构易于剪裁，可以通过分子设计改变主链或侧链的结构来优化材料的性能；其原料价格低，易于大量制取。

这些优异的特性使得该聚合物材料在高速光开关、光存储、光限幅器、光计算和光通讯等领域具有潜在的应用价值。

本文研究了PAn类和PPV类两类聚合物的三阶非线性光学特性。

以N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂，制得PAn／NMP溶液和甲基取代PAn／NMP 溶液；以氯仿为溶剂，制得2-甲氧基5-丁氧基取代PPV／氯仿溶液和2-甲氧基5-癸氧基取代PPV／氯仿溶液。

实验方面，测量了所用样品的吸收光谱。

采用Z-扫描法对样品进行了闭孔、开孔Z-扫描实验，但未测出开孔Z-扫描曲线，说明样品溶液的非线性吸收非常小，可以忽略不计。

根据闭孔Z-扫描曲线估算了样品的非线性折射率。

对2-甲氧基5-丁氧基取代PPV／氯仿溶液进行了激光诱导自衍射实验，根据衍射环的个数估算出了样品的非线性常数；同时还对该样品进行了光限幅特性的研究，由实验结果分析得出：由光热效应引起的自衍射是产生光限幅特性的主要机制。

理论方面，以菲涅尔—基尔霍夫衍射理论为基础，建立了非线性介质对高斯光束的衍射模型，对高斯光束通过非线性介质后的传输行为进行了详细的理论推导和数值计算，从一种新的角度解释了Z-扫描现象，是计算非线性折射率和双光子吸收系数的一种新方法。

数值模拟计算表明：对于不考虑双光子吸收的闭孔Z-扫描曲线，在小的非线性相移的情况下，其结论与经典的Z-扫描理论完全一致，同时还得到了常规Z-扫描理论无法得到的新的计算结果。

Z扫描法测量非线性折射率和非线性吸收.Z 扫描法测量非线性折射率和非线性吸收Sensitive Measurement of Optical Nonlinearities Using a Single BeamZ 一扫描是1 9 8 9 年由M . S h e i k 一B a h a e 等久提出的一种方法, 该方法简单、有效、精度高, 可以分析高分子和有机材料的光学非线性性质, 包括非线性吸收( 饱和吸收与反饱和吸收) 、非线性折射等, 也可用于半导体材料的非线性分析, 以及确定线性吸收系数。

装置简介：光强为Ｉ（ｚ，ｒ）的会聚高斯激光束传播至远场一带有小孔的探测器Ｄ2 ，被测非线性介质放在会聚透镜的焦点附近，并可沿传输方向（ｚ方向）前后移动。

由于介质的非线性光学性质将引起光束的会聚或发散，从而引起透过小孔辐射量的变化，测得归一化透过率Ｔ2(或D 2)／Ｔ1(或D 1)与样品位置ｚ的关系。

Simple Z-scan experimental apparatus in which the transmittance ratio D 2/D 1 is recorded as a function of the sample position z. BS, Beam splitter对薄介质（厚度0L Z ，Z 0为聚焦光束共焦长度），在慢变化振幅近似下，仅考虑三阶非线性光学效应，聚焦激光束在介质中由于非线性折射率变化和吸收引起的相位和强度变化由下面两个简单方程描述：()2'd n I dz φπλ=? ()'dI I I dz α=- 式中，{}22212MKS esun n E n I ==?，esu 表示高斯单位制，MKS 表示国际单位制(米-千克-秒)，z ’表示光在介质中传播的深度，而不是样品的位置。

由非线性吸收引起的吸收系数变化：I αβ?=，β表示三阶非线性吸收系数，对超快非线性吸收其等于双光子吸收系数式中，E 是峰值电场强度(cgs ，厘米-克-秒)，I 表示光强(MKS)，c 表示光速(m/s)，高斯单位制和国际单位制的n 2的转换公式：()()202n esu =cn /40πn (MKS)，n 0为线性折射率。

D O I :１０．１６７９１/j ．c n k i ．s j g．２０１９．０２．０１６㊀激光Z 扫描技术测量光学非线性实验邹林儿,张㊀泽,傅继武(南昌大学物理系,江西南昌㊀３３００３１)摘㊀要:针对非线性光学课程教学内容,结合科研工作,搭建设计了激光Z 扫描技术用于测量光学材料的光学非线性系数的综合性专业实验教学,介绍了Z 扫描技术原理,描述实验搭建的要点,以及结合实例进行实验测量和结果分析.该实验有利于启发学生创新性思维和培养学生综合运用知识进行科学研究能力,产生良好的实验教学效果.关键词:激光Z 扫描技术;光学非线性;实验教学中图分类号:G ６４２．４２３;O ４３７㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:１００２Ｇ４９５６(２０１９)０２Ｇ００６２Ｇ０４E x p e r i m e n t o nm e a s u r e m e n t o f o p t i c a l n o n l i n e a r i t y b yl a s e r Z s c a n n i n g t e c h n o l o g yZ O U L i n e r ,Z H A N GZ e ,F UJ i w u(D e p a r t m e n t o fP h y s i c s ,N a n c h a n g U n i v e r s i t y ,N a n c h a n g ３３００３１,C h i n a )A b s t r a c t :I nv i e w o f t h et e a c h i n g c o n t e n to f t h eN o n l i n e a rO pt i c sc o u r s ea n di nc o m b i n a t i o n w i t hs c i e n t i f i c r e s e a r c h w o r k ,a c o m p r e h e n s i v e s p e c i a l i z e d e x p e r i m e n t t e a c h i n g o f m e a s u r i n g t h e o p t i c a l n o n l i n e a r i t y c o e f f i c i e n t b y t h e l a s e r Z s c a n n i n g t e c h n o l o g y i se s t a b l i s h e da n dd e s i g n e d ．T h e p r i n c i p l eo f t h e Z s c a n n i n gt e c h n o l o g y i s i n t r o d u c e d ,t h ek e yp o i n t so f t h e e x p e r i m e n t e s t a b l i s h m e n t a r ed e s c r i b e d ,a n dt h ee x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n t a n d r e s u l t a n a l y s i s a r e c a r r i e d o u tw i t h e x a m p l e s ．T h i s e x p e r i m e n t i s h e l p f u l t o i n s pi r e s t u d e n t s i n n o v a t i v e t h i n k i n g a n d c u l t i v a t e t h e i r a b i l i t y t o c o n d u c t s c i e n t i f i c r e s e a r c h b y u s i n g k n o w l e d g e c o m p r e h e n s i v e l y ．G o o de x p e r i m e n t a l t e a c h i n g ef f e c t i s p r o d u c e d ．K e y wo r d s :l a s e r b e a m Z s c a n n i n g t e c h n o l o g y ;o p t i c a l n o n l i n e a r i t y ;e x p e r i m e n t a l t e a c h i n g 收稿日期:２０１８Ｇ０７Ｇ３１基金项目:国家自然科学基金项目(６０９６７００３);江西省高等学校教学改革研究课题(J X J G Ｇ１６Ｇ１Ｇ５０);江西省学位与研究生教育教学改革研究项目(J X Y J G Ｇ２０１６Ｇ０２２)作者简介:邹林儿(１９７１ ),男,江西吉安,博士,教授,主要研究方向为光通信器件与集成光电子技术E Ｇm a i l :l i n e r z o u ＠n c u ．e d u ．c n㊀㊀测量光学材料的光学非线性系数是学生必须掌握的专业实验技能,是在全光通信和光学信息处理等领域中研发具有良好性能的全光器件[１Ｇ２]的基础.测量光学非线性系数的方法主要有非线性干涉法㊁简并四波混频法㊁椭圆偏振法㊁光束畸变法和光克尔效应法等.这些方法的实验装置复杂,测量精度低,达不到理想的测量效果[３Ｇ４].S h e i kB a h a e 等[５Ｇ６]提出了激光Z 扫描技术用于光学非线性测量,可以获得非线性折射率的大小㊁正负符号以及非线性吸收系数等,且该装置简单㊁精度高,随着该技术的完善和发展,已成为研究材料光学非线性重要手段[７Ｇ１０].为了让学生深入了解和掌握光学非线性系数测量方法,培养学生综合运用知识进行创新实践的能力[１１],结合科研工作需要,搭建了激光Z 扫描技术测量光学非线性综合性实验.该实验让学生掌握光学非线性系数的测量和结果分析,同时将为非晶半导体薄膜材料在超快全光器件方面的应用提供非常有价值的实验和理论依据.１㊀激光Z 扫描技术原理图１是激光Z 扫描技术实验装置示意图.高斯激光束入射,被测非线性样品放在会聚透镜焦点附近,并沿光束传播方向前后移动,测量远场有限小孔光阑处的相对透过率T .相对透过率T 随着样品移动的位置Z 变化的关系即为Z 扫描曲线.对于一个具有正非线性系数的薄介质,当其从离透镜焦点较远的－Z 向原点(设置在透镜的焦点处)移动时光强较弱,可忽略非线性引致的光折射效应,由小孔光阑处测得I S S N１００２Ｇ４９５６C N １１Ｇ２０３４/T ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀实㊀验㊀技㊀术㊀与㊀管㊀理E x p e r i m e n t a lT e c h n o l o g y a n d M a n a g e m e n t ㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３６卷㊀第２期㊀２０１９年２月V o l ．３６㊀N o ．２㊀F e b ．２０１９图１㊀激光Z扫描技术实验装置示意图的相对透过率保持相对不变,其归一化透过率T＝１.当样品扫描至原点附近时,因光强增大使非线性引致的光折射效应显著加强,此时样品相当于一个正透镜,使得位于小孔光阑的远场光束发散,相对透光率减小(T＜１).当移到原点位置时,考虑薄介质情况下,远场接收到的光强与无介质时一样,即相对透过率T＝１;当其从原点向＋Z继续移动时,样品的自聚焦作用将导致小孔光阑处远场光束会聚,相对透过率增大(T＞１).对于具有负非线性系数的薄介质,其情况刚好相反.因此,可分析出,对于正非线性系数介质,得到Z扫描曲线变化是谷峰形状,如图２(a)所示;对于负非线性系数介质,其Z扫描曲线变化是峰谷形状,如图２(b)所示.在测试过程中,可依据峰谷特性,能判断出介质非线性折射系数的符号,从而进一步理论分析可以获得非线性折射率的大小.图２㊀激光Z扫描曲线(闭孔)㊀㊀测量材料三阶非线性折射率的灵敏度与远场小孔光阑孔径大小相关(这情况下测量,称作闭孔状态),孔径越大灵敏度越低.如移去远场小孔光阑,或把孔径增大到一定程度(即开孔状态),此时远场光束全部进入探测器D２,Z扫描测量对非线性吸收敏感,而线性吸收可以忽略,此时Z扫描技术测得材料非线性吸收.对于饱和吸收机制的介质,Z扫描曲线呈关于焦点对称的峰;而对于反饱和吸收㊁双光子吸收和三光子吸收机制的介质,Z扫描曲线呈关于焦点对称的谷,分别如图３(a)和(b)所示.图３㊀激光Z扫描曲线(开孔)㊀㊀为了简化分析,本文只讨论三阶非线性性.折射率n和吸收系数a有:n＝n０＋n２２|E|２＝n０＋γI(１)α＝α０＋βI(２)３６邹林儿,等:激光Z扫描技术测量光学非线性实验其中:n０是线性折射率;E为峰值电场强度;n２和g是以不同单位描述非线性折射率,n２/e s u＝(c n０/４０p)g,g 单位为m２/W,c为真空中的光速,m/s;b为非线性吸收系数;a０为线性吸收系数;I为样品中激光的光功率密度.根据S h e i kＧB a h a e等[３]的理论分析,当小孔处于闭孔状态,由下式计算非线性折射率g(或n２)γ＝ΔT P V０．４０４(１－S)０．２５k L e f f I０(３)式中:D T P V＝T p-T V,T p㊁T V分别是Z扫描曲线波峰和波谷的相对透射率);S＝１-e x p(-２r a２/w a２)为孔径的线性透过率,r a㊁w a分别为小孔光阑半径和光束截面半径);L e f f为样品有效厚度,L e f f＝[１-e x p(-a L)]/a,a为线性吸收系数,L为样品厚度;k是波数,k＝２p/l;I０是激光束在焦点处的光功率密度.当孔径A处于开孔状态(S＝１),由下式可求出非线性吸收系数b[３].T z＝l n(１＋q０)q０(４)式中:T z为z位置的相对透射率;q０＝b I０L e f f/(１＋z２/ z０２),z０＝kω２０/２,ω０是光束在焦点上的束腰半径,k是波数.在非线性吸收系数b不太大的情况下,式(４)中取１级近似,则b为β＝２．８３[１－T０]/(I０L e f f)(５)式中T０为z＝０处的相对透射率.２㊀实验实验装置见图１.为了避免因连续激光入射引起附加的热效应和电致伸缩效应等对光学非线性系数的影响,本文实验中采用超短脉冲激光Z扫描技术对其光学非线性系数进行测量.激光束来自脉冲倍频的N d:Y A G激光器,脉冲宽度约４２p s(在光强的１/e 处).会聚透镜的焦距为２５c m,在焦点处测量到波长１０６４n m和５３２n m的束腰半径到分别约为６０μm和４５μm(在光强的１/e２处).在设计光路时,应注意聚焦光束的束腰半径应与实验测量的D z p－vʈ１．７z０要匹配(D z p－v是相对透过率峰和谷间距离,z０＝k w２０/２).在本实验中,选用波长为１０６４n m,D z p－v约为１．８９c m,则ω０值约６１μm.离透镜焦点约１５０c m处放置已校对了的光电二极管(P D)作为远场探测器D２,其前面置孔径可变的小孔光阑;调整小孔光阑孔径为１m m时为闭孔Z扫描,允许通过３％激光能量;移掉小孔光阑或直径大于１．５c m时,则为开孔Z扫描.为了消除激光光强不稳定性的影响,在透镜前面放置一个光束分光镜,另一束光用探测器D１测量,其使远场测得的透过强度相对D１测得的光强度而得到相对透过率T.介质样品置于平台上,平台由计算机控制沿Z轴移动.考虑到激光束能量过大,会导致薄膜介质样品击穿烧坏,为此可在激光束出来后面放置可变光衰减器.为了确保实验精度,可以先在约０．５m m厚的硅样品上进行Z扫描实验,以校准实验设备.硅在集成光子学中广泛应用,其非线性吸收系数有较准确记录.３㊀实验测量及数据结果分析在本文中,利用科研提供的样品,实验测量了A s２０S８０体系(S n１A s２０S７９和P２A s２０S７８)硫系玻璃薄膜样品的光学非线性系数,样品是采用热蒸发真空镀膜技术,在B K７玻璃衬底上经多次累积重复蒸镀形成的膜厚约为３００μm的硫系玻璃薄膜.图４(a)和(b)分别是S n１A s２０S７９和P２A s２０S７８薄膜样品的闭孔Z扫描得到相对透过率的Z扫描曲线,沿－Z向＋Z方向移动时,其相对透过率随介质位置的变化曲线为谷Ｇ峰形状,显示出A s２０S８０体系薄膜样品是具有正非线性系数,其非线性折射率n２系数的符号为正,说明其具有自聚焦性质.由式(３)计算出样品的非线性折射率g或n２.图４㊀硫系薄膜在闭孔Z扫描系统中Z扫描曲线４６实㊀验㊀技㊀术㊀与㊀管㊀理㊀㊀图５是S n １A s ２０S ７９和P ２A s ２０S ７８样品的开孔Z 扫描得到的相对透过率曲线.因开孔状态,Z 扫描测量对非线性吸收敏感,由式(４)和(５)可计算出非线性吸收系数b .图５曲线呈关于焦点对称的谷,这表明样品吸收光的机制是反饱和吸收或多光子吸收,对于A s ２０S ８０体系薄膜样品,主要是双光子吸收.图５㊀S n １A s ２０S ７９和P ２A s ２０S ７８硫系薄膜在开孔Z 扫描系统中Z 扫描曲线㊀㊀根据上述数据整理计算得表１中结果.样品的品质因子F OM＝n ２/bl ,是评价样品材料超快全光开关性能.A s ２０S ８０材料的品质因子FOM 的值在０．９~１ ５之间,品质因子F OM 较高的S n １A s ２０S ７９表现出良好超快全光开关性能.激光Z 扫描技术测量光学非线性参数的误差包括理论误差和测量误差.n ２的理论误差低于２％,b 的理论误差低于３％.在本文中,测量误差(多次测量计算去平均值)大约在３％~５％.表１㊀样品S n １A s ２０S ７９和P ２A s ２０S ７８非线性折射率n ２㊁非线性吸收系数b 和品质因子F O M 样品吸收边缘波长/m m工作波长/m mn ２ˑ１０１４/(c m ２ W －１)b ˑ１０９/(c m W －１)F OM S n １A s ２０S ７９０．４４８１．０６４４．６８±０．２０．３１±０．０２１．４２P ２A s ２０S ７８０．４３３１．０６４３．８９±０．２０．４４±０．０３０．８３４㊀结语本实验结合科研工作搭建激光Z 扫描技术,用于测量光学材料的非线性光学参数的综合性专业实验,也是将科研成果转化成实验教学项目[１２],让学生理解光学非线性系数的符号意义及掌握其测量基本方法,了解Z 扫描技术实验光路设计和搭建,以及结合实际样品进行实验测量和数据处理分析.在本科生和研究生专业实验中取得了良好的教学效果,提高了学生参与科研训练课程项目积极性和科研兴趣.同时该实验有很好的科研应用性,能培养学生创新性思维.在此基础上,可以考虑进一步提高测量精度,增加Z 扫描技术应用范围,如研究高斯光束传输特性,测量激光光束发散度以及研究光折变非线性效应等,为学生从事科研工作打下良好的基础.参考文献(R e f e r e n c e s)[１]陈智慧,肖思,何军,等．G a A s 在光通讯波段的超快非线性光学研究[J ]．发光学报,２０１５,３６(８):９６９Ｇ９７５．[２]文继斌,耿锋,黄进,等．不同波长条件K D P 晶体的非线性光学性质研究[J ]．人工晶体学报,２０１８,４７(２):３５９Ｇ３６４．[３]杨恢东,丁瑞钦,王浩．激光z 扫描测量技术[J ]．激光技术,２０００,２４(４):１９５Ｇ２０２．[４]安辛友,吴卫东,任维义,等．Z 扫描技术及其在非线性光学材料科学中的应用与进展[J ]．西华师范大学学报(自然科学版),２０１０,３１(４):４２９Ｇ４３４．[５]S H E I K ＧB A H A E M ,S A I DA A ,V A NS T R Y L A N DE W．H i gh Ｇs e n s i t i v i t y ,s i n g l e Ｇb e a m n ２me a s u r e m e n t s [J ]．O p t i c s L e t t e r s ,１９８９,１４(１７):９５５．[６]S H E I K ＧB A H A E M ,S A I D A A ,W E I T H ,e ta l ．S e n s i t i v em e a s u r e m e n to fo p t i c a ln o n l i n e a r i t i e su s i n g as i n gl eb e a m [J ]．I E E EJ o u r n a l o fQ u a n t u m E l e c t r o n i c s ,２００２,２６(４):７６０Ｇ７６９．[７]李波,程晓东．用Z Ｇ扫描技术研究量子点的非线性折射率[J ]．物理实验,２０１５,３５(９):２９Ｇ３２.[８]陈树琪,刘智波,臧维平．大非线性相移下光学非线性Z 扫描特性的研究[J ]．物理学报,２００６,５５(３):１２１１Ｇ１２１７．[９]张玮,王迎威,肖思,等．镓氮薄膜双光子吸收效应[J ]．发光学报,２０１７,３８(１２):１６０５Ｇ１６１０．[１０]张鹏,牛燕雄,何琛娟．可溶性碳纳米管Z 扫描实验研究[J ]．物理学报,２００６,５５(６):２７３０Ｇ２７３４．[１１]付坤,周晓勤,凌振宝,等．基于创新人才培养的高校工科类专业新常态实践教学探索[J ]．实验技术与管理,２０１５,３２(１０):１８Ｇ２１．[１２]刘宏达,马忠丽,路勇,等．将科研成果引入本科教学实践环节的探索[J ]．实验技术与管理,２０１６,３３(７):１４Ｇ１９．５６邹林儿,等:激光Z 扫描技术测量光学非线性实验。