激光Z掃描技術(shù)測量光學(xué)非線性實(shí)驗(yàn)

鄒林兒, 張 澤, 傅繼武

(南昌大學(xué) 物理系, 江西 南昌 330031)

測量光學(xué)材料的光學(xué)非線性系數(shù)是學(xué)生必須掌握的專業(yè)實(shí)驗(yàn)技能,是在全光通信和光學(xué)信息處理等領(lǐng)域中研發(fā)具有良好性能的全光器件[1-2]的基礎(chǔ)。測量光學(xué)非線性系數(shù)的方法主要有非線性干涉法、簡并四波混頻法、橢圓偏振法、光束畸變法和光克爾效應(yīng)法等。這些方法的實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜,測量精度低,達(dá)不到理想的測量效果[3-4]。Sheik Bahae等[5-6]提出了激光Z掃描技術(shù)用于光學(xué)非線性測量,可以獲得非線性折射率的大小、正負(fù)符號以及非線性吸收系數(shù)等,且該裝置簡單、精度高,隨著該技術(shù)的完善和發(fā)展,已成為研究材料光學(xué)非線性重要手段[7-10]。為了讓學(xué)生深入了解和掌握光學(xué)非線性系數(shù)測量方法,培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐的能力[11],結(jié)合科研工作需要,搭建了激光Z掃描技術(shù)測量光學(xué)非線性綜合性實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生掌握光學(xué)非線性系數(shù)的測量和結(jié)果分析,同時(shí)將為非晶半導(dǎo)體薄膜材料在超快全光器件方面的應(yīng)用提供非常有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。

1 激光Z掃描技術(shù)原理

圖1是激光Z掃描技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。高斯激光束入射, 被測非線性樣品放在會聚透鏡焦點(diǎn)附近,并沿光束傳播方向前后移動,測量遠(yuǎn)場有限小孔光闌處的相對透過率T。相對透過率T隨著樣品移動的位置Z變化的關(guān)系即為Z掃描曲線。對于一個(gè)具有正非線性系數(shù)的薄介質(zhì),當(dāng)其從離透鏡焦點(diǎn)較遠(yuǎn)的-Z向原點(diǎn)(設(shè)置在透鏡的焦點(diǎn)處)移動時(shí)光強(qiáng)較弱, 可忽略非線性引致的光折射效應(yīng),由小孔光闌處測得的相對透過率保持相對不變, 其歸一化透過率T=1。當(dāng)樣品掃描至原點(diǎn)附近時(shí),因光強(qiáng)增大使非線性引致的光折射效應(yīng)顯著加強(qiáng),此時(shí)樣品相當(dāng)于一個(gè)正透鏡,使得位于小孔光闌的遠(yuǎn)場光束發(fā)散,相對透光率減小(T<1)。當(dāng)移到原點(diǎn)位置時(shí),考慮薄介質(zhì)情況下,遠(yuǎn)場接收到的光強(qiáng)與無介質(zhì)時(shí)一樣,即相對透過率T=1；當(dāng)其從原點(diǎn)向+Z繼續(xù)移動時(shí), 樣品的自聚焦作用將導(dǎo)致小孔光闌處遠(yuǎn)場光束會聚,相對透過率增大(T>1)。對于具有負(fù)非線性系數(shù)的薄介質(zhì),其情況剛好相反。因此,可分析出,對于正非線性系數(shù)介質(zhì),得到Z掃描曲線變化是谷峰形狀,如圖2(a)所示；對于負(fù)非線性系數(shù)介質(zhì),其Z掃描曲線變化是峰谷形狀,如圖2(b)所示。在測試過程中,可依據(jù)峰谷特性,能判斷出介質(zhì)非線性折射系數(shù)的符號,從而進(jìn)一步理論分析可以獲得非線性折射率的大小。

圖1 激光Z掃描技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2 激光Z掃描曲線(閉孔)

測量材料三階非線性折射率的靈敏度與遠(yuǎn)場小孔光闌孔徑大小相關(guān)(這情況下測量,稱作閉孔狀態(tài)),孔徑越大靈敏度越低。如移去遠(yuǎn)場小孔光闌,或把孔徑增大到一定程度(即開孔狀態(tài)),此時(shí)遠(yuǎn)場光束全部進(jìn)入探測器D2,Z掃描測量對非線性吸收敏感,而線性吸收可以忽略,此時(shí)Z掃描技術(shù)測得材料非線性吸收。對于飽和吸收機(jī)制的介質(zhì)，Z掃描曲線呈關(guān)于焦點(diǎn)對稱的峰；而對于反飽和吸收、雙光子吸收和三光子吸收機(jī)制的介質(zhì)，Z掃描曲線呈關(guān)于焦點(diǎn)對稱的谷,分別如圖3(a)和(b)所示。

圖3 激光Z掃描曲線(開孔)

為了簡化分析,本文只討論三階非線性性。折射率n和吸收系數(shù)有：

(1)

α=α0+βI

(2)

其中：n0是線性折射率；E為峰值電場強(qiáng)度；n2和是以不同單位描述非線性折射率,n2/esu=(cn0/40)，單位為m2/W,c為真空中的光速,m/s；為非線性吸收系數(shù)；0為線性吸收系數(shù)；I為樣品中激光的光功率密度。

根據(jù)Sheik-Bahae等[3]的理論分析,當(dāng)小孔處于閉孔狀態(tài),由下式計(jì)算非線性折射率(或n2)

(3)

當(dāng)孔徑A處于開孔狀態(tài)(S=1),由下式可求出非線性吸收系數(shù)[3]。

(4)

式中：Tz為z位置的相對透射率；q0=是光束在焦點(diǎn)上的束腰半徑,k是波數(shù)。在非線性吸收系數(shù)不太大的情況下,式(4)中取1級近似,則為

β=2.83[1-T0]/(I0Leff)

(5)

式中T0為z=0處的相對透射率。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。為了避免因連續(xù)激光入射引起附加的熱效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)等對光學(xué)非線性系數(shù)的影響, 本文實(shí)驗(yàn)中采用超短脈沖激光Z 掃描技術(shù)對其光學(xué)非線性系數(shù)進(jìn)行測量。激光束來自脈沖倍頻的Nd: YAG激光器,脈沖寬度約42 ps(在光強(qiáng)的1/e處)。會聚透鏡的焦距為25 cm,在焦點(diǎn)處測量到波長1 064 nm和532 nm的束腰半徑到分別約為60 μm和45 μm(在光強(qiáng)的1/e2處)。在設(shè)計(jì)光路時(shí),應(yīng)注意聚焦光束的束腰半徑應(yīng)與實(shí)驗(yàn)測量的zp-v≈1.7z0要匹配(zp-v是相對透過率峰和谷間距離,在本實(shí)驗(yàn)中,選用波長為1 064 nm,zp-v約為1.89 cm,則ω0值約61 μm。

離透鏡焦點(diǎn)約150 cm處放置已校對了的光電二極管(PD)作為遠(yuǎn)場探測器D2,其前面置孔徑可變的小孔光闌；調(diào)整小孔光闌孔徑為1 mm時(shí)為閉孔Z掃描,允許通過3%激光能量；移掉小孔光闌或直徑大于1.5 cm時(shí),則為開孔Z掃描。為了消除激光光強(qiáng)不穩(wěn)定性的影響,在透鏡前面放置一個(gè)光束分光鏡,另一束光用探測器D1測量,其使遠(yuǎn)場測得的透過強(qiáng)度相對D1測得的光強(qiáng)度而得到相對透過率T。介質(zhì)樣品置于平臺上，平臺由計(jì)算機(jī)控制沿Z軸移動?？紤]到激光束能量過大,會導(dǎo)致薄膜介質(zhì)樣品擊穿燒壞,為此可在激光束出來后面放置可變光衰減器。為了確保實(shí)驗(yàn)精度,可以先在約0.5 mm厚的硅樣品上進(jìn)行Z掃描實(shí)驗(yàn),以校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。硅在集成光子學(xué)中廣泛應(yīng)用,其非線性吸收系數(shù)有較準(zhǔn)確記錄。

3 實(shí)驗(yàn)測量及數(shù)據(jù)結(jié)果分析

在本文中,利用科研提供的樣品,實(shí)驗(yàn)測量了As20S80體系(Sn1As20S79和P2As20S78)硫系玻璃薄膜樣品的光學(xué)非線性系數(shù),樣品是采用熱蒸發(fā)真空鍍膜技術(shù),在BK7玻璃襯底上經(jīng)多次累積重復(fù)蒸鍍形成的膜厚約為300 μm的硫系玻璃薄膜。

圖4(a)和(b)分別是Sn1As20S79和P2As20S78薄膜樣品的閉孔Z掃描得到相對透過率的Z掃描曲線,沿-Z向+Z方向移動時(shí),其相對透過率隨介質(zhì)位置的變化曲線為谷-峰形狀,顯示出As20S80體系薄膜樣品是具有正非線性系數(shù),其非線性折射率n2系數(shù)的符號為正,說明其具有自聚焦性質(zhì)。由式(3)計(jì)算出樣品的非線性折射率或n2。

圖4 硫系薄膜在閉孔Z掃描系統(tǒng)中Z掃描曲線

圖5是Sn1As20S79和P2As20S78樣品的開孔Z掃描得到的相對透過率曲線。因開孔狀態(tài),Z掃描測量對非線性吸收敏感,由式(4)和(5)可計(jì)算出非線性吸收系數(shù)。

圖5曲線呈關(guān)于焦點(diǎn)對稱的谷,這表明樣品吸收光的機(jī)制是反飽和吸收或多光子吸收,對于As20S80體系薄膜樣品,主要是雙光子吸收。

圖5 Sn1As20S79和P2As20S78硫系薄膜在開孔Z掃描系統(tǒng)中Z掃描曲線

根據(jù)上述數(shù)據(jù)整理計(jì)算得表1中結(jié)果。樣品的品質(zhì)因子FOM=n2/,是評價(jià)樣品材料超快全光開關(guān)性能。As20S80材料的品質(zhì)因子FOM的值在0.9～1.5之間,品質(zhì)因子FOM較高的Sn1As20S79表現(xiàn)出良好超快全光開關(guān)性能。激光Z掃描技術(shù)測量光學(xué)非線性參數(shù)的誤差包括理論誤差和測量誤差。n2的理論誤差低于2%，的理論誤差低于3%。在本文中,測量誤差(多次測量計(jì)算去平均值)大約在3%～5%。

表1 樣品Sn1As20S79和P2As20S78非線性折射率n2、非線性吸收系數(shù)和品質(zhì)因子FOM

表1 樣品Sn1As20S79和P2As20S78非線性折射率n2、非線性吸收系數(shù)和品質(zhì)因子FOM

樣品吸收邊緣波長/mm工作波長/mmn2×1014/(cm2·W-1)b×109/(cm·W-1)FOMSn1As20S790.4481.0644.680.20.310.021.42P2As20S780.4331.0643.890.20.440.030.83

4 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)結(jié)合科研工作搭建激光Z掃描技術(shù),用于測量光學(xué)材料的非線性光學(xué)參數(shù)的綜合性專業(yè)實(shí)驗(yàn),也是將科研成果轉(zhuǎn)化成實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目[12]，讓學(xué)生理解光學(xué)非線性系數(shù)的符號意義及掌握其測量基本方法,了解Z掃描技術(shù)實(shí)驗(yàn)光路設(shè)計(jì)和搭建,以及結(jié)合實(shí)際樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)據(jù)處理分析。在本科生和研究生專業(yè)實(shí)驗(yàn)中取得了良好的教學(xué)效果,提高了學(xué)生參與科研訓(xùn)練課程項(xiàng)目積極性和科研興趣。同時(shí)該實(shí)驗(yàn)有很好的科研應(yīng)用性,能培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思維。在此基礎(chǔ)上，可以考慮進(jìn)一步提高測量精度,增加Z掃描技術(shù)應(yīng)用范圍,如研究高斯光束傳輸特性,測量激光光束發(fā)散度以及研究光折變非線性效應(yīng)等,為學(xué)生從事科研工作打下良好的基礎(chǔ)。