(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210083283.5 (22)申请日 2022.01.25 (71)申请人 山东大学 地址 250013 山东省青岛市 即墨区滨 海路 72号 (72)发明人 韩克利　宋李莹　李紫荆　李晓晓　 金兵　 (74)专利代理 机构 青岛华慧泽专利代理事务所 (普通合伙) 37247 专利代理师 刘娜 (51)Int.Cl. G01N 21/01(2006.01) G01N 21/39(2006.01) (54)发明名称 一种测量 非线性光学系数的z扫描测量装置 及测量方法 (57)摘要 本发明公开了一种测量 非线性光学系数的z 扫描测量装置及测量方法， 测量装置包括设置于 电动位移平台一侧的激光发射装置、 设置于另一 侧的激光接收装置和光谱探测装置， 激光发射装 置包括顺次设置的激光器、 第一分光镜、 连续可 调衰减片、 第一凸透镜、 凹透镜、 第一反射镜、 第 二反射镜和第二凸透镜； 激光接收装置包括并列 的第二分光镜、 第三分光镜、 第三反射镜， 第二分 光镜后依次设置光阑、 第一衰减片和第一探测 器， 第三反射镜后依次设置第四凸透镜、 第二衰 减片和第二探测器， 光谱探测装置包括的第三凸 透镜和光谱仪。 本发明实现了一次性完成非线性 光学和发射光谱两个性质的测量工作， 节约时间 和成本， 而且降低了激光器不稳定等带来的噪 声。 权利要求书1页 说明书7页 附图2页 CN 114486739 A 2022.05.13 CN 114486739 A 1.一种测量非线性光学系数的z扫描测量装置， 其特征在于， 包括设置于电动位移平台 一侧的激光发射装置、 设置于电动位移平台另一侧的激光接 收装置和光谱探测装置， 所述 激光发射装置包括顺次设置的激光器、 第一分光镜、 连续可调衰减片、 第一凸透镜、 凹透镜、 第一反射镜、 第二反射镜和第二凸透镜； 所述激光接收装置包括并列的第二分光镜、 第三分 光镜、 第三反射镜， 所述第二分光镜后依次设置光阑、 第一衰减片和第一探测 器， 所述第三 反射镜后依 次设置第四凸透镜、 第二衰减片和第二探测器， 所述光谱探测装置包括设置于 所述第三分光镜后的第三凸透镜和 光谱仪， 所述第一探测器和第二探测器连接示波器， 所 述示波器连接计算机； 所述电动位移 平台上设置样品夹持器。 2.根据权利要求1所述的一种测量非线性光学系数的z扫描测量装置， 其特征在于， 所 述激光器为飞秒激光器， 发射的飞秒激光脉宽为3 5fs， 重复频率 为1KHz。 3.根据权利要求1所述的一种测量非线性光学系数的z扫描测量装置， 其特征在于， 所 述电动位移 平台的移动精度为3.125 μm/step， 移动距离最大3 00mm。 4.根据权利要求1所述的一种测量非线性光学系数的z扫描测量装置， 其特征在于， 所 述样品夹持器包括薄膜夹持器和比色皿夹持器两种。 5.根据权利要求1所述的一种测量非线性光学系数的z扫描测量装置， 其特征在于， 所 述第一分光镜、 第二分光镜、 第三分光镜分别与主光轴呈45 °角设置， 第一分光镜透射光与 反射光的比值为90： 10， 第二分光镜透射光与反射光的比值为50： 50， 第三分光镜透射光与 反射光的比值 为50： 50。 6.根据权利要求1所述的一种测量非线性光学系数的z扫描测量装置， 其特征在于， 所 述计算机内安装有Matlab语言编写的数据采集和处 理软件。 7.一种测量非线性光学系数的z扫描测量方法， 采用如权利要求1所述的一种测量非线 性光学系数的z扫描测量装置， 其特 征在于， 包括如下 过程： (1)启动Z扫描非线性测量的相关装置， 包括激光器、 电动位移平台、 光谱仪、 示波器和 计算机； (2)测量第二凸透镜焦点处 的束腰半径， 并根据束腰半径计算激光光束的瑞利长度； 根 据所需要的光强来调节连续可调衰减片， 并选择合 适焦距的第二凸透 镜； (3)调整待测样品的位置， 将其放置在第二凸透镜和第二分光镜之间， 使其可以沿着激 光光束的主光轴平行移动， 确保Z扫描过程测量过程中， 激光光斑照射在 待测样品的同一位 置； (4)打开探测器信号放大的开关， 调整示波器上波形显示模式， 运行软件开始扫描； 样 品沿着激光光束的主光轴从 ‑Z到+Z移动时， 软件上同步显示经过第一探测器和 第二探测器 的透射率随样品位置变化的闭孔扫描曲线和开 孔扫描曲线； (5)数据处理： 根据闭孔扫描曲线和开孔扫描曲线， 结合公式提取如下物理量： 非线性 吸收系数、 非线性折射率以及光子吸收截面； 并且通过光谱仪测 量样品被激发后的发射光 谱。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114486739 A 2一种测量非线性光学系数的z扫描测量装 置及测量方 法 技术领域 [0001]本发明涉及飞秒激光扫描技术领域， 特别涉及一种测量非线性光学系数的z扫描 测量装置及测量方法。 背景技术 [0002]自从激光技术诞生以来， 传统的线性光学已经满足不了人们的需要。 非线性光学 的发展打破了这一窘境， 非线性光学主要研究介质在强相干光作用下产生的非线性现象及 其应用。 随着非线性光学的发展， 激光、 全光开关、 光学微制作、 非线性光学成像、 光信息处 理、 光通信等领域成为了研究 的热点。 因此， 寻求非线性光学效应强和响应快的新材料成了 研究的重点。 [0003]紧接着诞生了各种 非线性光学表征技术， 总的来说， 这些非线性光学表征技术可 以分成两大类： 光波混频和透射法。 在光波混频方法中， 非线性光学效应的产生过程由一束 或多束光完成， 而探测过程则由另一束光承担。 如简并四波混频、 非线性于涉法圆偏振法、 Mach‑Zehnder干涉测量法和非线性图像法等多种测量方法。 而在透射测量方法中， 非线性 光学效应的产生过程和探测过程由同一束光承担， 利用单光束测量材料的非线性光学效 应， 大大简化了实验过程， 如空间自相位调制(也称为自衍射)、 非线性透过率测量和Z ‑扫描 技术。 [0004]Z扫描表征技术相比于其他表征方法而言具有实验装置简单， 测量灵敏度 高等优 点。 其主要研究材料的三阶非线性光学， 当介质受到强激光作用时， 介质被极化。 极化强度 的表达式如下： [0005] [0006]其中， χ(2)和 χ(3)分别是二 阶和三阶非线性极化率。 三阶非线性极化率的表达式如 下： [0007]χ(3)＝Re[ χ(3)]+i Im[ χ(3)] [0008]χ(3)的虚部和实部分别与非线性吸收(NLA)和非线性折射(NLR)有关， 并且这两种 性质可以提供一些 材料性质的重要信息 。 [0009]现有的Z扫描方法中的开孔扫描和闭孔扫描分别可以测量材料的非线性吸收系数 和非线性折射率。 闭孔扫描中样品在近聚焦光束焦点前后移动不同位置扫描时， 测定远场 通过一个小孔光阑后的透过功率/能量。 由测得非线性介质光强透过率与样品位置的变化 曲线， 可以计算出介质的非线性折射率的大小和符号。 开孔扫描则不存在光阑， 直接测得非 线性介质光强透过率与样品位置的变化曲线以获得 材料的非线性吸 收系数。 [0010]但是之前报道的Z扫描装置很难保证光斑的质量。 光束在空气中传输时， 大气气体 分子及气溶胶的吸收和散射会引起光束能量的衰减， 空气折射率不均匀会引起光波振幅和 相位起伏， 遇到某种障碍物的时候还会发生衍射。 通常我们以光束的发散参数作为完美的 高斯激光束的特征。 发散是指光波在其空间传播过程中以一定角度展开。 甚至完美的没有 任何异常的光线也会由于衍射效应经历某些光束的发散。 衍射使光可以波及 几何阴影区，说　明　书 1/7 页 3 CN 114486739 A 3