基于噪声小尺度自聚焦增长的非线性系数测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于噪声小尺度自聚焦增长的非线性系数测量装置及方法，基于噪声小尺度自聚焦增长的非线性系数测量装置包括超短脉冲光源、光学衰减片、细丝、非线性介质、精密探测器。与传统方法相比，本装置光路简单，能够在高激光功率、较大厚度介质、单次扫描的情况下进行实时同步测量，且测量精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及非线性光学领域，具体是一种基于噪声小尺度自聚焦增长的非线性系数测量 装置及方法。

背景技术

由于非线性光学材料在光通信及光信息处理等领域具有巨大的应用前景，人们对非线性 光学材料的研究日益广泛。光学非线性测量技术是研究非线性光学材料的关键技术之一，目 前常用的非线性系数测量方法包括Z扫描技术、四波混频法、4f系统相干成像技术、椭圆偏 振法等。Z扫描技术由于装置简单，灵敏度高等优点，成为了目前最常用的测量材料非线性 的方法。但是该方法需要样品在激光传输方向多次移动，容易对薄膜及易损伤材料造成破坏 而且该方法不能测量较大厚度时的非线性介质。4f系统相干成像技术由于局限性大，准确度 不高，限制了其广泛运用。目前的测量方法都是先测量材料在某一激光特征参数下的非线性 系数，再利用测量得到的参数开展研究，不能在所需要的特定激光特性下进行实时同步测量。 本发明提出了一种基于噪声小尺度自聚焦增长的非线性系数测量装置，本装置光路简单，能 够在高激光功率、较大厚度介质、单次扫描的情况下进行实时同步测量，且测量精度高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于噪声小尺度自聚焦增 长的非线性系数测量装置，能够在高激光功率、较大厚度介质、单次扫描的情况下进行实时 同步测量，且测量精度高。

本发明所采用的技术方案是：一种基于噪声小尺度自聚焦增长的非线性系数测量装置， 包括超短脉冲光源、光学衰减片、细丝、非线性介质、精密探测器。其特征在于，超短脉冲 光源产生的超短脉冲依次经过第一光学衰减片、细丝、非线性介质、第二光学衰减片到达精 密探测器。

所述超短脉冲光源采用钛宝石再生放大激光器。

所述光学衰减片为可调节金属膜中性密度渐变滤光片。

所述细丝为直径大小为0.1mm的光纤。

所述精密探测器为CCD Camera。

基于噪声小尺度自聚焦增长的非线性系数测量装置的非线性系数的测量方法的具体步骤 为：

1)调整细丝的位置，使细丝位于光束的中心，记录此时超短脉冲光源的平均功率值及精 密探测器中的光斑图；

2)逐渐增大超短脉冲光源的输出功率直至光束出现明显的小尺度自聚焦增长，记录此时 的平均功率值及精密探测器中的光斑图，计算出此时光束小尺度自聚焦最大增长位置 处调制增长的增益值，从而计算得到待测的非线性介质的非线性系数；

3)为了提高测量精度，继续增大超短脉冲光源的输出功率，记录五个不同功率值下的精 密探测器中的光斑图；计算出此时不同功率值下小尺度自聚焦最大增长位置处调制增 长的增益值，然后绘出增益关于平均功率变化的曲线，线性拟合后得到的直线的斜率 值的0.5倍即为待测的非线性介质的非线性系数。

本发明的工作原理是：钛宝石再生放大激光器发出的飞秒脉冲，经过细丝调制后在非线 性介质中传输时，随着输入功率的增大将发生小尺度自聚焦。光束的不同空间位置将出现不 同程度的增长，在最快增长频率处(即小尺度自聚焦最大增长位置)调制增长将出现最大增 益，其值如(1)所示：

g_max＝2γP>

其中，γ为介质的非线性系数，为此时飞秒光束的峰值功率，P_ping为飞秒光束的平均 功率，K为飞秒脉冲的重复率，T为飞秒脉冲的脉宽。只要测量出某一平均功率值下的飞秒 光束调制增长的光斑图，计算出此时飞秒光束中小尺度自聚焦最大增长位置的调制增长的增 益值即可通过(1)得到该介质的非线性系数，因此该发明能在单次扫描的情况下测量出待测 介质的非线性系数。为了提高测量的精度，需记录不同功率下的飞秒光束调制增长的光斑图， 计算出不同功率下的飞秒光束中小尺度自聚焦最大增长位置的调制增长的增益值，然后绘出 增益关于功率变化的曲线，线性拟合后得到的直线的斜率的1/2即为待测介质的非线性系数。 且记录不同功率下的光斑图越多，最后计算得到的非线性系数值越精确。非线性折射率和非 线性系数的关系如(2)所示：

$n_2=\frac{\mathrm{\gamma c}{A}_{\mathrm{eff}}}{{\omega }_0}---\left(2\right)$

其中，c为光速，A_eff为激光光斑的有效面积，ω₀为激光频率。得到介质的非线性系数后， 测量出光斑的有效面积及激光频率就能通过(2)式可以得到介质的非线性折射率。

附图说明

图1为基于噪声小尺度自聚焦增长的非线性系数测量装置的结构示意图；

其中：

1：超短脉冲光源；2a-2b：光学衰减片；3细丝；4：非线性介质；5：精密探测器。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，对本发明做具体说明。

如图1所示，本实施例的基于噪声小尺度自聚焦增长的非线性系数测量装置，包括超短 脉冲光源1、光学衰减片2a-2b、细丝3、非线性介质4、精密探测器5。

上述各部分的功能分别说明如下：

超短脉冲光源1，用来产生飞秒脉冲，通过测量不同功率下的调制光束非线性增长的增 益来计算介质的非线性系数；

光学衰减片2a，用于调节入射到非线性介质中的超短脉冲的功率；

光学衰减片2b，用于调节入射到精密探测器CCD中的功率，避免因功率过大损坏CCD；

细丝3，用来给飞秒光束提供一个初始调制噪声；

非线性介质4，用作待测介质；

精密探测器5，用于记录不同功率下飞秒光束小尺度自聚焦增长时的光斑图，本实施例 选用CCD Camera(Coherent公司的Laser Cam-HR^TM>

本发明所采用的基于噪声小尺度自聚焦增长的非线性系数测量装置的工作过程如下：

超短脉冲光源1为Coherent公司生产的商用钛宝石再生放大激光系统(型号为LibraS)， 输出的最短脉冲宽度约100fs，带宽约为12nm，重复频率为1kHz，中心波长为800nm，用 来产生飞秒脉冲。首先调节细丝的位置，使细丝位于光束的中心，记录此时飞秒光束入射的 平均功率值及精密探测器中的光斑图；当飞秒脉冲经过细丝调制后，在非线性介质中传输时， 调节光学衰减片2a使入射到非线性介质中的超短脉冲的功率逐渐增大，随着功率的增大，调 制后的飞秒光束将发生小尺度自聚焦，记录此时飞秒光束的入射功率以及精密探测器中的光 斑图，计算得到该待测介质的非线性系数，此为单次扫描情况下的测量；为了提高测量精度， 继续增大功率，记录五个不同入射功率值下的精密探测器中的光斑图，同时计算出不同功率 下的飞秒光束中小尺度自聚焦最大增长位置处调制增长的增益值，然后绘出增益关于功率变 化的曲线，线性拟合后得到的直线的斜率的1/2即为待测介质的非线性系数。

本发明提出了一种基于噪声小尺度自聚焦增长的非线性系数测量装置及方法，与传统方 法相比，本装置光路简单，能够在高激光功率、较大厚度介质、单次扫描的情况下进行实时 同步测量，且测量精度高。