1、单光束z-扫描测量非线性光学特性 Z-扫描技术是研究非线性光学特性的一种重要方法,它建立于光束空间畸变的原理基础之上,采用单光束测量,由远场小孔透射率的变化和诱导相交的简单线性关系可直接推出非线性折射率的大小和符号,对于具有非线性吸收的介质,也可直接测量出其非线性吸收系数.与以往的非线性干涉法、简并四波混频、椭圆偏振法以及光束畸变测量等测量非线性折射率的方法相比,单光束Z-扫描方法操作方便,且灵敏度高.用Z-扫描技术描述了利用单光束灵敏的测量非线性介质的非线性折射率和非线性吸收系数的方法,并给出实验测量结果.激光器输出的高斯光束经分束器BS后分成两束,一光用探测器D1接收,来标定光源功率,另一
2、束经会聚透镜后进入样品,D2接收经小孔后的光信号,当样品沿z轴相对于焦平面移动时,由于样品的非线性作用,经远场小孔后的光强透过率将发生变化,以D2/D1为归一化透过率,则D2/D1为样品位置z的函数.1.基本原理对于非线性介质,其折射率的大小与光强有关系n=n0+I,n0为线性折射率,为非线性折射率,可为负值,也可为正值,当样品从-z方面向焦点O移动时,入射到样品上的光强I增强,对于0时,样品类似一会聚透镜,从-z方向经焦点向+z方向移动时,情况正好相反,D2/D1先减小。对于负的非线性折射,在焦点前透射率出现最大值(峰),在焦点后出现最小值(谷),而对于正的非线性折射,则是先谷后峰,因此从扫
3、描曲线上就可以直接得出样品非线性折射率的符号,经简单的计算也可以估算出的大小.为了简便,先仅考虑三阶非线性光学效应.此时介质在光场作用下总的折射率可用非线性折射率n2(单位esu)或(单位m2/W)表示为n0是线性折射率,E是入射光场振幅(单位esu),I是辐射强度(单位MKS),n2和的变换关系为n2=(cn0/40),其中c是真空中的光束.假定一单模高斯光束(光束腰半径0)沿+z方向传播,则其光场可写作2.非线性折射率的计算式中,2(z)=02(1+z2/z02)是光束半径,R(z)=z(1+z02/z2是z处的光束曲率半径,z0=k02/2为共焦参数,k=2/是波矢,是激光波长,E0(t
4、)为焦点处含时间的光场,(z,t)为波面位相因子.为了使样品内由于衍射或折射率改变对光束直径改变无影响,要求样品足够薄,必须满足L z0,L为样品厚度,所以测度时样品厚度要有所限制,这在一般情况下都能满足,这样的要求使问题得到简化,这时光束通过样品时由于折射率的改变而使波面位相变化为0(t)是波面在轴上焦点处的位相变化,定义为其中,Leff=(1-e-L)/,是线性吸收系数;n0=I0(t),I0(t)为轴上焦点处的光强.则在样品出射平面处的光场为采用高斯分解法,导出在远场小孔处的复合场的分布,再将复合场对半径r进行积分便可得到透射功率归一化透过率为其中,Pi(t)=02I0(t)/2是瞬时输
5、入功率(在样品内),s=1-exp(-2ra2/a2)是小孔的线性透射率,a为屏上光斑半径.对测得的Z-扫描数据用式(9)进行数值拟合就可以得出的大小.但研究证明,不需要数值拟合,仅用简单的计算就可以得出.这里定义Tp-v=Tp-Tv,它表示归一化Z-扫描曲线中峰点和谷点的归一化透过率之差,当|0|时,Tp-v和|0|基本上呈线性关系这就表明,从Z-扫描测量曲线中找出峰谷之差Tp-v,利用式(5)和式(9)就可以估算出的大小.精确的数值计算表明,这样估算出的误差将不超过2%.对于许多非线性材料都带有明显的非线性吸收,它们对利用Z-扫描测量非线性折射率会产生较大影响,但研究表明,利用开孔(s=1
6、)的Z-扫描曲线可以直接得到非线性吸收系数的大小,并且可以将非线性吸收系数和非线性折射率分离开,从而确定非线性折射率的大小.对于非线性吸收材料,其吸收系数的简单关系式为是线性吸收率,是非线性吸收系数,在非线性吸收情况下,吸收系数的大小与光强大小有关.3.非线性吸收系数的计算这时入射高斯光束在样品出射表面的光强分布及位相变化为:q(z,r,t)=I(z,r,t)Leff,合并式(11)、式(12),得出在样品出射表面的复合场为对式(13)进行零阶汉克尔(Hankel)变换可求出复合场在孔屏处的分布,然后利用式(7)和式(8)可求出归一化透射率其中,q0(z,t)=I0(t)Leff/(1+z2/
7、z02).当|q0|1时,归一化透过率可以表示成为利用式(15)对开空(s=1)时测的Z-扫描数据进行数值拟合,就可得到的大小.Z-扫描，1毫米CS2薄片，300ns脉冲，波长10.6微米。实验表明材料的非线性折射率符号为负，是自散焦介质。图中实线是=-0.6，s=0.6计算结果。4.实验结果Z-扫描，1毫米CS2薄片，27ps脉冲，波长523纳米。实验表明自聚焦效应，非线性折射率符号为正。Z-扫描，2.4毫米BaF2薄片，27ps脉冲，波长523纳米。实验表明自聚焦效应，非线性折射率符号为正。实线是峰值=0.73的计算结果。ZnSe的非线性Z-扫描透射比，皮秒脉冲，波长523纳米，I=0.21GW/cm。实线是理论结果。（a）S=1,=5.8cm/GW.(b)S=0.4,=5.8cm/GW.
