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
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
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。
Z-scan分析CdS纳米晶掺杂玻璃的光学非线性
ｔ ｎｍｉｓ ｎ ｅｅｔ ｎ ｍｉｒ ｓｏ ｅ （ Ｅ ）ａｔｃ ｉｇ ｔ ｃ ｎ ｉｇ— ｄ Ｅ （Ｔ ｒ ｓ ｓｉ ｌｃｒ ｃｏｃ ｐ Ｔ Ｍ ａ ｏ ｏ ｔ ｈｎ ｏ ｓａｎｎ ｍｏ ｅ Ｔ Ｍ Ｓ ＥＭ） ｎ ｒｙ ｄｓ ｅｓ ｅ Ｘ— ａ ，ｅ ｅｇ ｉｐ ｒｉ ｖ
ｒｙ （ ＤＸ）ａ ｄ ｈｇ ｅｏｕｉｎ ｔ ｎ ｍｉｓ ｎ ｅｅ ｔ ｎ ｍｉｒｓｏ ｅ （ Ｔ Ｍ ） Ｔ ｅ ａ ａｙ ｉ ｓｏ ｈ ｔＣ Ｓ ａ Ｅ ｎ ｉｈ ｒｓ ｌｔ ｒ ｓ ｓｉ ｌｃｒ ｃｏ ｃ ｐ ＨＲ Ｅ ． ｈ ｎ ｌｓ ｈ ｗ ｔａ ｄ ｏ ａ ｏ ｏ ｓ
Ｙ ＮＧ Ｘ ｎｙ ， Ｉ Ｎ ｉ ｏ ｇ。 Ｚ Ａ Ｇ Ｘ － ＬＡ ｉ － ａ ＬＵ Ｈａ— ｏ Ａ ｉ－ｕ～ Ｘ Ａ Ｇ Ｗｅ・ ｎ ， Ｈ Ｎ ｉ ａ ， Ｉ ＮＧ Ｘ ａ ｊ ｎ， Ｉ ｉａ ｄ 。 ｙ ｎ ｏｕ ｔ
Z-扫描光学非线性表征技术 光学前沿讲座
2011-1-14 光学前沿讲座 透镜聚焦平行光线 ---各光线的光程相等
凸透镜聚焦光束
凹透镜散焦光束
➢自聚焦和自散焦效应 n( I ) n0 n2 I
n2 0
自聚焦（Self-focusing）
n2 0
自散焦（Self-defocusing） 6
2011-1-14 光学前沿讲座
非线性折射的物理机理 ➢电子云畸变
2011-1-14 光学前沿讲座
当介质受到光波作用时，介质被极化 ➢无极分子的位移极化
➢ 有极分子的取向极化 取向极化
v E0 E0
极化强度矢量 P P E 是线性极化率，表征介质对光场相应的大小
3
2011-1-14 光学前沿讲座
当介质受到强激光作用时，介质被极化
P (1) E + (2) : EE + (3) MEEE +
C. 准一维狭缝光束Z-扫描
JOSA B 21, 968 (2004).
D. 椭圆高斯光束Z-扫描
APB 77, 71 (2003).
E. 离轴高斯光束Z-扫描
OC 107, 415 (1994).
F. Flat-topped光束Z-扫描
APB 95, 773 (2009).
L
A2
Detector
Sample
➢三次谐波产生
入射光波：E
=
1 e-i(t -k r )
2
+ c.c
P(3) (3) e 2 -i(3t-3k r)
(3)
➢折射率随光强变化
P(3) P(3) (3) () 2 e-i(t-k r)
可得介质的折射率为
n(I ) n0 n2 I
飞秒激光Z扫描技术研究CS_2的非线性特性
在 低光 强下 ， 仅考 虑样 品的三 阶非 线性 效应 ， 线性 折射 率可 表示 为 非
ｎ 一 ＋ （） １
式 中 ：。 ， 为线 性折 射 率 ； ｚ ７为 三 阶非 线 性 折 射 率 ； 为 样 品 内部 光 强 。假 设 入 射 光 为 沿 轴 正 方 向传 播 的
ｅｌ ｊ ｘ ｐ
）
式 中 ： 是 轴 上焦 点处 （ 。 —ｏ 峰值光 强 ； ｚ 。 １ ｚ／ 为坐标 处 光束 半径 ，。 【 ／ 光束 共 ） 叫（ ）一 （ ＋ ｚ） ｚ 一７ ａ为 叫ｏ
△ ｌｒ ）一 ｋ Ｉ ｒ ｚ Ｌｅ 一 ｌｚ ｅ ｐ － ２ ｗ ｚ ］ （， Ｔ （，） ｆ ｆ （ ）ｘ ， ｒ／ （ ）
下 对 Ｃ 的 非 线 性 特 性 进 行 了研 究 。 Ｓ
１ 理 论
１９ ９ ０年 ， Ｓ ｅ — ａ ａ Ｍ． ｈ ｉ Ｂ ｈ ｅ等人 提 出了单 光束 激光 Ｚ扫 描测 量技 术 。它 通过 测 量 高斯 光 束在 非线 性 介 质 内 ｋ 自折 射作 用 引起 的光束 横 向分 布畸 变来 确定 介质 的非线 性 折射 系数口 。这 种 单 光束 扫 描 方 法装 置 简 单 ， 测量 灵 敏度 高 ， 可同 时测量 非线 性折 射率 和 非线性 吸收 系数 ， 因而 被广 泛应 用于 材料 的非 线性 光学 性质 的研 究ｌ 。 ２ ］
向克尔 效 应的影 响 。他 还在 不 同光强 下研 究 了 Ｃ 线性 折射 ， 现 在高 光 强下 Ｃ ｚ的非 线性 折 射 系数 随 Ｓ非 发 Ｓ 光强 的增 大而减 小 。这 说 明 在 高 光 强 下 ， Ｓ Ｃ 不 仅 受 三 阶非 线 性 影 响 ， 受 与 之 符 号 相 反 的 五 阶 非 线 性 影 还 响 。然而 ， Ｓ Ｃ 的研 究大 多集 中在 三 阶过程 和热 效 应 的影 响 ］ 。 。本 文在 波 长 为 ８ ０ ｎ 飞秒 激 光 脉 冲作 用 ０ ｍ
反射 z扫描方法测量碲化铋晶体的非线性折射率
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。
光学非线性测量试验讲义
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。
Z-扫描技术对Cu(mpo)2非线性系数的测定
上 的有 限孔 Ａ的透射率 ， 到 Ｔ—ｚ 得 函数 曲线 ， ｚ扫描 即 曲线 ， 并由此可以推断材料的非线性性质 。
ｆｃ ｓ Ａ ｓ ｒ ｅ ｉ ｏｅ ｗｏ ｌ ｅ ｐ ｔ ｔ ｉｔｎ ｅ ｏ ｕ ． ｃ ｅ ｎ ｗ ｔ ａ ｈ ｌ ｕｄ ｂ ｕ ｄ ｓ ｃ ．Ａｃ ｏ ｄ ｎ ｏｔ ｅ ｔ ｅ ｒ ，ｔ ｅ ｎ ｎ ｉｅ ｒｃ ｅ ｃｅ ｔ ｏ ｌ ｅ ｔｓｅ ｙ ｔ ｅ ｈ ａａ ａ ｃ ｒ ｉｇ ｔ ｈ ｈ ｏｙ ｈ ｏ ｌ ａ ｏ ｆ ｉｎ ｕｄ ｂ ｔｄ ｂ ｈ ｎ ｉ ｃ ｅ
的 非 线 性 系数 。
关键词 ： ｚ一扫 描 ； 线 性 系数 ；ｕ ｍｐ ） 材 料 非 Ｃ （ ｏ： 中 图分 类 号 ：４ ４ １ ０ ３ ．９ 文献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ １ ８ ０ ２ ０ ） ６— ０ ９—０ １７ —７ ８ （ ０ ８ ０ ０４ ３
Ｚ—ｓａ ｅｈ ｏｏ ｙＭｅ ｓ ｒ ｔ ｎ Ａ ｏ ｔ ｎｉｅ ｒＣ ｅ ｃ ｎ ｆＣ （ ｏ ２ ｃ ｎ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｎ ｕ ａｉ ｂ ｕ ｌ ａ ｏ ｆ ｉ ｔ ｕ ｍｐ ） ｏ Ｎｏ ｎ ｉ ｅ ｏ
第 ７卷第 ６期
２０ ０ ８年 ｌ ２月
无 锡 职 业 技 术 学 院 学 报
Ｊ ｕｎ ｌｏ ｕ ｉ ｎ ｔｕｅｏ ｅｈ ｏｏ ｙ ｏ ｒ ａ ｆＷ ｘ ｓ ｔｔ ｆＴ ｃ ｎ ｌｇ Ｉ ｉ
Ｖ０ ． ． １ ７ Ｎｏ ６
Ｄｅ ． ２ ８ ｃ ０ｏ
Ｚ一扫 描 技 术 对 Ｃ （ ｐ ） ｕ ｍ ｏ ２非线 系 的 测 定 性 数
折 射率的测定方 法 已有 很多种 。从 １６ ９ ０激光 出现 以后 ， 可得到的光功率 密度 （ 光强 ） 大提 高 ， 光与 物质 的相 大 强 互 作用 也不再遵 从线 性 的经典 规律 ， 而是 呈现 非线性 的
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Δφ0(t)是波面在轴上焦点处的位相变化,定义为
其中,Leff=(1-e-αL)/α,α是线性吸收系数;Δn0= γI0(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)=πω02I0(t)/2是瞬时输入功率(在样品内),s=1exp(-2ra2/ωa2)是小孔的线性透射率,ωa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γ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γ. 这里定义ΔTp-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|Δφ0|≤π时,ΔTp-v和 |Δφ0|基本上呈线性关系
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γ的变换关系为n2=(cn0/40π)γ,其中c 是真空中的光束. 假定一单模高斯光束(光束腰半径ω0)沿+z方向传 播,则其光场可写作
式中,ω2(z)= ω02(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=kω02/2为共焦参数,k=2π/λ是波矢,λ是激光波 长,E0(t)为焦点处含时间的光场,φ(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
这就表明,从Z-扫描测量曲线中找出峰谷之差ΔTp-v,利用 式(5)和式(9)就可以估算出γ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%.
3.非线性吸收系数的计算
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)的Z-扫描曲线可以直接得到非 线性吸收系数β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γ的大小. 对于非线性吸收材料,其吸收系数的简单关系式为
α是线性吸收率,β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.
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)= βI(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
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γ的 大小.
2.非线性折射率的计算
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γ(单位m2/W)表示为
对于非线性介质,其折射率的大小与光强有关系n=n0+ γI,n0为线性折射率,γ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γ<0时,导致样品出现自散焦现象,类似一 发散透镜,位于焦点前的发散透镜将对光束进行准直,这 样传至远场小孔屏的光束将变窄,透射率变大,D2/D1增 大,当越过焦点并向+z方向移动时,样品对经焦点的光束 进一步发散,这样传至远场小孔屏的光束将变宽,D2/D1 变小.对于γ>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。
其中,q0(z,t)= βI0(t)Leff/(1+z2/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β的大小.
4.实验结果
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∆Ф₀=-0.6，s=0.6计算结果。
单光束z-扫描测量非线性光学 特性
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.
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为样品位臵z的函数.
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 ∆Ф₀= 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， I₀=0.21GW/cm²。实线是理论结果。（a）S=1, β=5.8cm/GW . (b)S=0.4,β=5.8cm/GW.