Z-scan测量系统开发与二维材料非线性光学特性测量

光学材料中的非线性光学特性分析光学材料是指能够对光进行控制、调节以及产生新的光学效应的材料。

非线性光学特性是光学材料中一种重要的现象，其研究在光通信、激光技术、光信息处理等领域具有广泛的应用价值。

本文将对光学材料中的非线性光学特性进行分析，探讨其机理以及应用前景。

1. 非线性光学特性简介非线性光学特性是指当光与光学材料相互作用时，产生的光学效应与入射光强度不呈线性关系的现象。

与线性光学特性不同，非线性光学特性由于其强度依赖关系的非线性性质，使得光学材料在应用中具有更加丰富的功能和效果。

常见的非线性光学效应包括二次谐波发生、和频与差频发生、自聚焦、自相位调制等。

2. 非线性光学效应的机理非线性光学效应的产生是由于光照射到光学材料中的原子或分子后，其能级结构发生变化并引发非线性相互作用。

比如，二次谐波发生是由于材料的非线性极化率产生了非线性响应，将入射的光分解为频率为二倍的新光。

自聚焦效应是由于材料的光折射率与光强度的关系非线性，使得光束在传播过程中自动聚焦。

3. 光学材料中的非线性光学特性研究方法为了研究和应用光学材料中的非线性光学特性，科学家们发展了多种实验方法。

其中，著名的方法包括Z-scan技术、功率扭曲、相位匹配等。

Z-scan技术可测量材料的非线性吸收和折射率，并通过测量传播动力学过程来分析非线性效应。

功率扭曲实验通过改变光束强度来研究材料的非线性响应。

相位匹配为材料中的非线性效应提供了最佳的相位条件，以增强非线性光学效应。

4. 非线性光学特性在光通信中的应用非线性光学特性在光通信中具有重要的应用价值。

比如，光纤通信中信号调制和光时钟的生成都离不开非线性光学效应。

非线性光学特性还可用于光通信中的光放大器、光开关和光限幅器等器件的设计和制造。

利用非线性光学特性，还可以实现光通信中的非线性光调制和光波混频等功能。

5. 非线性光学特性在激光技术中的应用非线性光学特性在激光技术中有着广泛的应用。

影响激光Z扫描测量精度的因素分析张继德;崔舒;刘成有【摘要】Z扫描技术具有实验装置简单、操作方便和灵敏度高等优点而被广泛应用于材料的非线性光学特性研究.该文介绍了激光Z扫描技术的基本原理,并针对影响激光Z扫描测量精度的八个因素进行分析.提出相应的提高Z扫描精度的方法.【期刊名称】《通化师范学院学报》【年(卷),期】2009(030)002【总页数】3页(P30-32)【关键词】非线性光学;Z扫描技术;精度;影响因素【作者】张继德;崔舒;刘成有【作者单位】通化师范学院物理系,吉林通化134002;吉林师范大学,物理学院;通化师范学院物理系,吉林通化134002;吉林师范大学,物理学院;通化师范学院物理系,吉林通化134002【正文语种】中文【中图分类】O437目前,测量材料的三阶非线性系数的方法主要有：非线性干涉法、简并四波混频法、二波耦合法、椭圆偏振法、光束畸变法、光克尔效应法、三次谐波法和Z扫描技术[1]. 这八种测量材料光学非线性系数的方法基本上涵盖了三阶非线性系数测量的所有思想.但是，前七种方法要么实验装置要求高，要么光路调节复杂，要么灵敏度低.M.Sheik-Bhae等人1989年提出单光束Z扫描技术[2,3]，该测量技术由于实验装置简单，操作方便，灵敏度高且可分别得到三阶极化率χ3的实部和虚部(即非线性折射和非线性吸收系数的大小和符号)等突出优点而倍受人们关注，因而该技术被广泛应用于材料的三阶非线性光学性质研究.随着Z扫描技术的不断完善和拓展，已经成为材料三阶非线性光学性质研究的一种重要的实验方法和手段;然而，实验中影响测量精度的因素仍值得注意.本文在介绍激光Z扫描技术基本原理的基础上，针对激光Z扫描实验中，影响Z扫描测量精度的八个因素进行分析，提出相应的提高Z扫描测量精度的方法.1 Z扫描技术的基本原理Z扫描技术基本实验装置如图1 所示[4].由于该技术在测量过程中要求被测样品沿光束传输的光轴(z轴)方向移动，因而被形象称之为Z扫描(Z-Scan)技术.该技术是建立在光束空间畸变原理基础上的一种测量技术.一束高斯光束经会聚透镜聚焦后经过样品到达远场带有一个小孔光阑的屏，被测量的非线性介质放在焦点附近，透镜前有一分束器BS，探测器D1测量反射光的变化情况作为参考光，探测器D2测量经小孔光阑后的透射光作为信号光,D2/D1定义为Z扫描归一化透过率T.对于具有非线性折射效应的介质，随着样品在焦点附近沿光传播方向(z轴)移动使光束产生自聚焦或者自散焦效应，引起远场处透过小孔的光通量的变化.于是归一化透过率T将有与样品位置Z一一对应的T-Z函数关系，该T-Z函数关系曲线即为Z 扫描曲线.探测器D2入口处放置小孔光阑与否(分别称之为闭孔Z扫描和开孔Z扫描)，可分别利用此曲线将非线性折射与非线性吸收分开，同时测量χ3的实部与虚部.图1 Z扫描技术基本实验装置图对于具有非线性折射系数的光学材料,样品沿-z向+z方向移动时,归一化透过率随样品位置的变化曲线呈峰-谷或谷-峰状,根据Z扫描曲线的形状可以判断出非线性折射率系数n2的符号，即先峰后谷n2为负值，先谷后峰n2为正值.考虑薄样品近似(样品厚度远L小于瑞利衍射长度z0),TEM00模高斯光束入射,非线性|ΔΦ|≤π相移的情况下,远场处小孔的归一化透过率可表示为[3](1)峰-谷透过率差为ΔTp-v≈0.406(1-s)0.25|ΔΦ0|(2)通过对ΔTp-v的测量即可求得介质的非线性折射率n2，n2=ΔTp-v/0.406(1-s)0.25KLeffI0(t)(3)其中是光束的衍射长度(共焦参数) ,ω0为束腰半径;ΔΦ0=kΔn0Leff为z轴上焦点处的相位改变,Δn0=n2I0(t),I0(t)为焦点处功率密度;Leff=(1-e-αL)/α为样品的有效厚度,α为介质的线性吸收系数,L为介质的厚度；为孔径的线性透过率，ra、wa 分别为小孔光阑半径和小孔光阑处光束截面半径;k=2π/λ,λ为激光波长.当装置处于开孔状态时,激光Z扫描对非线性折射不敏感,只对非线性吸收敏感,此时可以求出非线性吸收系数β,并且因为能够分离非线性吸收系数和非线性折射率,所以通过求出的非线性吸收系数便能很容易的求出非线性折射率.对于非线性吸收材料,其吸收系数α=α0+βI(z,r),其中,α0为线性吸收系数,β为非线性吸收系数.由文献[3]知,开孔Z扫描的归一化透过率为(|q0|<1)(4)式中:其它参数与前述定义的相同.于是,在非线性吸收系数β不太大的情况下,上式取一级近似,则有β=23/2[1-T(0,s=1)]/I0Leff(5)由以上对激光扫描技术的基本原理的介绍可知，扫描的实验精度受诸多因素的影响，如：激光光束的横断面光强分布;光束的时间连续或脉冲特性; 实验参数(孔径的大小s;透镜焦距f；光束的共焦长度z0和束腰半径w0;焦点处光强度I0;样品的厚度L和线性吸收系数α0)等等.为了获得精确的实验结果，从实验仪器和操作等方面分析影响测量结果的因素，采取有效措施提高精度是有必要的.2 影响扫描测量精度因素的分析和解决办法2.1 激光光源能量的稳定度如果激光光源能量起伏较大，则Z扫描的实验结果是不可信的.绝大多数Z扫描实验将激光光束用分束器分为两束，一束反射光为参考光，直接进入探测器.另一束透射光为作用光，经会聚透镜聚焦到样品上后通过远场光阑，进入另一个探测器.探测参考光的目的是检测激光光源的能量稳定性，在激光光源能量起伏变化不大的情况下，将参考光的能量值在归一化过程中作为分母，用以减少激光能量起伏对Z 扫描测量精度的影响.此外，为了能够更精确地测量样品的光学非线性系数，应尽量调节激光器参数令其达到最佳的稳定程度.2.2 激光光束的分布质量激光光束的分布质量直接影响Z扫描实验结果的准确性.Z扫描技术是建立在光束空间畸变原理基础之上的，它是利用光束的横向效应分析材料光学非线性的.在理论推导非线性光学系数时，均严格以高斯TEM00模为基础.所以，激光光束呈高斯分布或近高斯分布是不可或缺的前提.对于超短脉冲光束这一点很难做到，输出功率的涨落直接影响Z扫描的测量精度.光束质量分布不够理想，可将激光光源的输出能量提高，再利用小孔提取光源的一部分并经透镜扩展为有限的平面波，即文献[5]所提到的冒顶波(top-hat波)，来实现光束的近高斯分布.2.3 激光脉冲的影响从理论上讲，脉冲激光和连续激光都适用于Z扫描技术，但是，激光器所发出的光是连续光还是脉冲光对样品的非线性作用结果是不一样的，连续光的作用会导致样品产生热致非线性或分子重新取向效应.所以，实验时尽量选用脉宽较窄的脉冲光(当前，众多研究人员利用飞秒激光作为实验光源).若受条件制约，使用连续光作为光源，则需要把热致非线性等因素导致的非线性结果扣除掉，这种测量方法做起来比较复杂.另外，激光脉冲峰值功率密度高,会导致材料出现非线性折射及非线性吸收饱和现象[6].因此，为精确测量非线性光学参量,激光的强度也要保持在适合的范围内. 2.4 探测器的质量探测器是将光信号强度转换输出的实验装置，其灵敏度和测量精确度直接影响Z 扫描实验结果.所以，要根据实验条件，尽量选用灵敏度好、测量精度高的探测装置.2.5 样品移动距离Z扫描实验中，通常将样品移动距离作为归一化透过率曲线的横坐标，如果移动距离的间隔太大，则归一化透过率曲线图上的数据点过于稀疏，将导致丢失关键点信息，如峰顶和谷底.所以，每次移动的距离应保证等长且移动间隔不宜太大，避免曲线不能真实反映透过率的变化.2.6 光路调节的准确性光路的正确调节是保证Z扫描实验结果准确性的重要前提.当激光束与介质发生非线性相互作用时，介质的非线性作用会引起光束附加的自聚焦或自散焦，从而引起高斯光束的远场光斑大小的变化.要得到正确的归一化透过率曲线，远场小孔光阑的光束透过必须是均匀的，即光束与小孔必须是同心的.这就要求光束的准直性和小孔处光斑的对称性.所以操作中应严格调节光路，使激光束经衰减片后直接进入放置于适当位置的信号光探测器，然后将透镜、带有测试样品的步进机、小孔光阑等依次放入衰减片和探测器之间，再次调节光路，在摆放透镜和样品时应保证光束正入射，同时也要保证激光光束无论经过哪个元器件后都能准直进入探测器.另外，在光束经过测试材料到达探测器之前,将有一定的光信息损失,因此，不能很好的保证测量精度.理论上需要把信息光学中的处理方法应用于材料的光学非线性测量中,但目前在实验中还没有得到实现，所以，常用的方法是调整探测器与样品的适当距离并使光束到达探测器后垂直打到其晶体上.此法可保证光信息损失较小.2.7 非样品所产生的光学非线性由于激光的脉宽窄或者功率密度较高等因素也容易导致样品池、溶剂等非样品产生光学非线性.为了获得较准确的测量结果，需要在测量样品之前，首先在相同实验条件下确定是否存在其他因素引入的光学非线性结果，然后从实验结果中扣除非样品产生的光学非线性结果部分.2.8 样品厚度的均匀性Z扫描曲线是样品处于光轴(z轴)上透镜焦点附近的不同位置，测得透射率值绘得的曲线.样品生长和掺杂的不均匀性，会导致获得的透过率是由于激光辅照样品不同区域而引起，造成测量误差[7].为获得较准确的透过率数据，首先，待测样品的选取应尽量选用生长均匀、掺杂质量较高的样品，如果测量的是溶液，要使得溶液浓度均一、样品池的厚度均匀.其次，调节光路准直，即无论在光轴上怎样移动样品，激光光束都能辐照在样品的同一个区域.笔者对以上八个影响激光Z扫描测量精度的因素进行了分析，激光光源能量的稳定度、光束的分布情况和探测器的质量直接影响Z扫描实验结果的精确度；激光脉冲与否以及非样品所产生的光学非线性会产生不同实验的效果；样品沿z轴移动距离的大小、样品厚度均匀与否和光路调节是否准确是实验测量结果的误差重要来源.由此可见，在实验过程中要注意分析影响Z扫描实验测量精度因素,以便采取适当的措施来提高其精度，保证实验结果的可信度.参考文献：[1]王奉敏.高斯分解法在Z扫描理论分析中的应用[D].长春:吉林大学, 2006.[2]M.Sheik-Bahae,A.A.Said and E.W.Van Stryland.High-sensitivity single-beam n2 measurement- s[J].Opt.Lett.1989(14):955-957.[3]M.Sheik-Bahae,A.A.Said,T.H.Wei,D.J.Hagan and E.W.VanStryland.Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam[J].IEEE.J Quan.Elec，1990(26):760-769.[4]叶佩弦.非线性光学物理[M].北京:北京大学出版社,2007.[5] W. Zhao and P. Palffy-Muhoray.Z-scan measurement of x(3) using top-hat beams[J].Appl.Phys.Lett., 1994，65(6):673-675.[6]韩亚萍，等.飞秒Z扫描技术测量材料光学非线性的研究[J].黑龙江大学自然科学学报，2007,24(2).[7]刘思敏,郭儒,许京军.光折变非线性光学及其应用[M].北京:科学出版社,2004.。

激光用非线性光学晶体元件性能测量方法1 范围本文件规定了非线性光学晶体元件低温相偏硼酸钡（β-BaB2O4，简称BBO）、三硼酸锂（LiB3O5，简称LBO）、磷酸二氢钾（KH2PO4，简称KDP）、磷酸钛氧钾（KTiOPO4，简称KTP）、铌酸锂（LiNbO3，简称LN）、硫镓银（AgGaS2，简称AGS）、碘酸钾（KIO3）的质量测试方法。

本文件适用于BBO、LBO、KDP、KTP、LN、AGS和KIO3晶体元件。

能满足本文件要求的其它非线性光学晶体元件也可参照使用。

2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。

其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T 11297.1 激光棒波前畸变的测量方法GB/T 16601.4 激光器和激光相关设备激光损伤阈值测试方法第4部分：检查、探测和测量3 主要测试项目物理性能散射、光学不均匀性、特定波长吸收、紫外截止波长、I类相位匹配波长、有效非线性光学系数、倍频转换效率、弱吸收系数、双折射率、激光损伤阈值、减反膜剩余反射率、波前畸变。

加工质量尺寸公差、角度偏差、平行度、平面度、垂直度、有效通光孔径、膜层牢固度、膜层的抗高湿性能、膜层的抗温度冲击、粗糙度、崩边、崩口及崩裂、倒角、表面疵病。

4 测试的环境要求洁净等级：10000级温度：（23±2）℃湿度：（55±5）%5 测试方法散射5.1.1 测试原理利用单晶元件内部的包络、气泡等缺陷对激光束的散射作用，观测单晶元件内部质量。

当激光通过元件的光路被散射变粗或出现发散光，表明元件存在包络、气泡等缺陷。

5.1.2 测试条件样品：单晶元件的激光入射面、出射面及观测面抛光。

环境：在暗室内测量。

5.1.3 测试仪器He-Ne激光器（波长632.8nm，功率40mW～50mW，光斑直径大于等于2mm），三维调节平台，带标尺的50倍显微镜。

非线性基础知识二阶非线性极化率的测定二次谐波产生的非线性系数ijk d )2(的测量: 位相匹配二次谐波产生的测量 (Ⅰ)绝对测量1、 依据聚焦高斯光束产生二次谐波的公式：)()(:),;2(21)2()2(0)2(ωωωωωχεωE E P -=)()();2()2()2(0)2(ωωωωωεωk j ijk i E E d P =则 ),;2(21),,2()2()2(ωωωχωωω-=ijk ijk dijk d )2(称之谓非线性系数，依据克莱因曼对称条件ijk d )2(的脚标可以任意置换，并与频率无关。

因此上式可简化为：ijk ijk d )2()2(21χ=该种绝对测量方法要求精确地了解光束的模式，空间结构，聚焦状况等，并要求了解实验条件，是否实现相位匹配，光束在系统中的损耗等。

2、参量荧光法参量荧光是一种量子过程，入射泵浦光自动分成信号光和休闲光，需满足动量和能量守恒定律，即：i s p ωωω += i s p k k k+=信号功率P s 和泵浦功率P p 之间关系：)()(ii i s s s p s n n KlP P ωωωω∂∂-∂∂Ω=式中,ip s i s n n c n d K 402)4(2πηωω =式中：l 表示泵浦光束通过介质的长度，Ω：信号探测系统收集信号的立体角该式表示，只要求出信号功率和泵浦功率之间比值关系，从而避免了绝对功率的测量，此外，信号功率既不依赖于泵浦光束面积，也不依赖于激光束多模结构而限制，d 的测量精度是接收立体角以及分母中信号波和休闲波的色散常数。

以参量荧光法进行绝对测量的测量精度为±10%。

3、喇曼散射法测量,精度较差，但它能给出非线性系数的绝对符号。

Ⅱ、相对测量：即将待测材料与已知非线性材料“标准”相比较在可见至近紫外波段,通常选择KDP 、ADP 作为测量标准。

而G a A s ，淡红银矿（Ag 3AsS 3）可作为红外波段的标准。

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。

产品几何技术规范（GPS）表面结构区域法第600部分：区域形貌测量方法的计量特性1 范围本文件规定了用于表面形貌测量的区域法测量仪器的计量特性。

由于表面轮廓可以从表面形貌图像中提取，因此本文件中大多数术语也可以应用于轮廓法测量。

2 规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。

3 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。

区域形貌测量方法3.1.1区域基准 areal reference仪器的一个组成部分，它确定一个基准表面用于表面形貌测量。

3.1.2仪器坐标系 coordinate system of the instrument（x, y, z）坐标轴构成的右手定则直角坐标系，其中：—z轴方向名义上平行于z扫描轴（对于有z扫描的光学系统），光轴（对于非扫描光学系统）或者触针轨迹（对于触针或扫描探针仪器）；—（x, y）平面垂直于z轴。

注1：见图1。

注2：通常，x轴是扫描轴，y轴是步进轴。

（适用于在水平面内扫描的仪器。

）注3：亦可见“规范坐标系”[ISO 25178-2:2021，3.1.4]和“测量坐标系”[ISO 25178-6:2010, 3.1.1]。

注4：某些类型的光学仪器不具有实际的区域导向。

注5：z轴有时被称为垂直轴，x轴和y轴有时被称为水平轴。

3.1.3z扫描轴 z-scan axis<测量仪器>仪器轴在z方向扫描以测量表面形貌。

注：z扫描轴名义上平行于仪器坐标系的z轴，但不是必须。

3.1.4测量区域 measurement area由表面形貌测量仪器测量的区域。

注1：对于点测量光学传感器和触针方法，测量区域通常是横向移动平台的扫描区域。

对于形貌测量显微镜，测量区域可以是由物镜确定的单一视场，也可以是通过拼接得到的更大区域，或者由操作者指定的部分视场。

注2：对于相关概念，评价区域，见ISO 25178-2:2021, 3.1.11。

标引序号说明：1——仪器坐标系；2——测量回路；3——z扫描轴。

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。