一种基于Z扫描的光束束腰半径测量方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于Z扫描的光束束腰半径测量方法及系统，使用Z扫描系统，首先控制样品沿测量光束的z轴移动，分别获得样品在不同的z轴位置时参考光束的能量以及测量光束透射过样品后的能量，分别为第一能量和第二能量，获得样品在各个z轴位置的透过率，进而根据各个z轴位置的位置数据以及样品在各个z轴位置的透过率获得测量光束束腰处的位置，并根据各个z轴位置的透过率进行拟合获得测量光束的束腰半径。本发明使用Z扫描系统本身实现测量光束束腰半径，与现有技术相比能够提高对光束束腰半径的测量精度。

说明书

技术领域

本发明涉及非线性光学及光学检测技术领域，特别是涉及一种基于Z扫描的光束束腰半径测量方法及系统。

背景技术

物质的三阶以上光学非线性，包括非线性折射(正比于非线性实部)、非线性吸收(正比于非线性虚部)以及其它包括非线性散射等的性质，是实现非线性光限幅乃至激光防护的基础。

由于开孔Z扫描技术具有成本低廉、构造相对简单、技术成熟等优势，自1989年由Sheik-Bahae等人提出以来，一直作为标准的三阶乃至高阶非线性吸收系数的测量手段。近些年来，Z扫描技术在光化学、原子与分子物理学、非线性光学的应用极为广泛，并衍生出了多种Z扫描系统。

Z扫描系统获取数据的原理在于，随着样品在Z轴上移动，光斑半径逐渐变化，距离焦点较近的位置光斑较小，反之距离焦点较远处的光斑较大；由于入射到样品表面的光强大小与光斑面积成反比，不同光强下，样品的透过率会由于非线性吸收的存在而发生变化，对于不同物理机制的样品，Z扫描所得数据形成的曲线形状也不尽相同。

Z扫描系统的工作方式为：一束高斯基模光束(可以是单色光或者是连续谱白光)被分为参考光束和信号光束两路，其中测量参考光束的能量，信号光束被聚焦后入射到样品上，样品可沿z轴移动，测量经过样品透射的光束能量，根据参考光束和信号光束的能量数据经过数据处理，从而获得样品相关的非线性吸收参数。

在Z扫描实验中，为了得到测量结果，信号光束的束腰半径是重要参数。现有技术中，测量光束束腰半径采用直接计算法或者刀口法，然而，直接计算法得到的束腰半径受入射光束半径和焦点位置测量精度的制约，另外在强光下可能发生非线性效应，导致光束半径变化，使得束腰半径的测量也有可能受到影响，而刀口法测量过程繁琐，耗费时间长，并且存在由于刀口边缘不整齐以及衍射散射等现象导致刀口扫描曲线与模型不符合，使束腰半径的测量精度下降的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于Z扫描的光束束腰半径测量方法及系统，与现有技术相比能够提高对光束束腰半径的测量精度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于Z扫描的光束束腰半径测量方法，使用的Z扫描系统包括光源、分光元件和聚焦元件，所述光源用于发出预设光束，所述分光元件用于将所述预设光束分成参考光束和测量光束，所述聚焦元件用于将测量光束汇聚而入射到样品；

所述方法包括：

控制样品沿测量光束的z轴移动，分别获得样品在不同的z轴位置时参考光束的能量以及测量光束透射过样品后的能量，分别为第一能量和第二能量；

根据样品在同一z轴位置的第一能量和第二能量，获得在本z轴位置的透过率；

根据各个z轴位置的位置数据以及样品在各个z轴位置的透过率获得测量光束束腰处的位置，并根据各个z轴位置的透过率进行拟合获得测量光束的束腰半径。

优选的，根据样品在同一z轴位置的第一能量和第二能量，根据以下公式获得在本z轴位置的透过率：

T＝E

其中，T表示透过率，E

优选的，具体包括：控制样品在同一z轴位置时进行至少两次测量，样品在同一z轴位置相应获得至少两组第一能量和第二能量；

所述根据样品在同一z轴位置的第一能量和第二能量，获得在本z轴位置的透过率包括：

根据样品在同一z轴位置的至少两组第一能量和第二能量，获得样品在本z轴位置的第一能量平均值和第二能量平均值；

根据样品在同一z轴位置的第一能量平均值和第二能量平均值，获得在本z轴位置的透过率。

优选的，根据各个z轴位置的位置数据以及样品在各个z轴位置的透过率获得测量光束束腰处的位置，并根据各个z轴位置的透过率进行拟合获得测量光束的束腰半径包括：

获得样品在各个z轴位置的归一化透过率；

根据各个z轴位置的位置数据以及样品在各个z轴位置的归一化透过率获得测量光束束腰处的位置，并根据各个z轴位置的归一化透过率进行拟合获得测量光束的束腰半径。

优选的，根据以下公式获得样品在任一z轴位置的归一化透过率：

T

其中，T

优选的，根据各个z轴位置的透过率进行拟合获得测量光束的束腰半径包括：

根据样品在各个z轴位置的透过率进行拟合，以及结合测量光束束腰处的位置获得测量光束束腰处的光束质量因子、测量光束的瑞利长度；

根据以下公式获得测量光束的束腰半径：

其中，z

一种基于Z扫描的光束束腰半径测量系统，包括光源、分光元件、聚焦元件、第一能量测量装置、第二能量测量装置和控制装置，所述光源用于发出预设光束，所述分光元件用于将所述预设光束分成参考光束和测量光束，所述聚焦元件用于将测量光束汇聚而入射到样品，所述第一能量测量装置用于测量参考光束的能量，所述第二能量测量装置用于测量测量光束透射过样品后的能量，所述控制装置与所述第一能量测量装置、所述第二能量测量装置分别相连，用于执行以上所述的基于Z扫描的光束束腰半径测量方法。

优选的，还包括用于限制入射到所述分光元件的光束半径大小的光阑。

优选的，还包括设置在所述分光元件和所述第一能量测量装置之间的、用于将由所述分光元件出射的参考光束收集到所述第一能量测量装置的第一收集元件，以及设置在所述聚焦元件和所述第二能量测量装置之间的、用于将透射过样品的光束收集到所述第二能量测量装置的第二收集元件。

优选的，还包括用于放置样品、使样品能够沿测量光束的z轴移动的平移台。

由上述技术方案可知，本发明所提供的一种基于Z扫描的光束束腰半径测量方法及系统，使用Z扫描系统，首先控制样品沿测量光束的z轴移动，分别获得样品在不同的z轴位置时参考光束的能量以及测量光束透射过样品后的能量，分别为第一能量和第二能量，获得样品在各个z轴位置的透过率，进而根据各个z轴位置的位置数据以及样品在各个z轴位置的透过率获得测量光束束腰处的位置，并根据各个z轴位置的透过率进行拟合获得测量光束的束腰半径。

本发明的基于Z扫描的光束束腰半径测量方法及系统使用Z扫描系统本身实现测量光束束腰半径，与直接计算法相比不需要测量入射光束半径或者焦点位置，与刀口法相比不需要引入其它器件，因此与现有技术相比能够提高对光束束腰半径的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于Z扫描的光束束腰半径测量系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于Z扫描的光束束腰半径测量方法的流程图；

图3为本发明又一实施例提供的一种基于Z扫描的光束束腰半径测量系统的示意图

图4为本发明一具体实例中测量获得的样品在各个z轴位置的透过率数据以及对数据的拟合结果；

图5为本发明一具体实例中得到的能流密度输入输出曲线。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种基于Z扫描的光束束腰半径测量方法，请结合参考图1，图1为本实施例提供的一种基于Z扫描的光束束腰半径测量系统的示意图，由图可知，本测量方法使用的Z扫描系统包括光源100、分光元件101和聚焦元件102，所述光源100用于发出预设光束，所述分光元件101用于将所述预设光束分成参考光束和测量光束，所述聚焦元件102用于将测量光束汇聚而入射到样品200。

请参考图2，图2为本发明实施例提供的一种基于Z扫描的光束束腰半径测量方法的流程图，由图可知，所述基于Z扫描的光束束腰半径测量方法包括以下步骤：

S10：控制样品沿测量光束的z轴移动，分别获得样品在不同的z轴位置时参考光束的能量以及测量光束透射过样品后的能量，分别为第一能量和第二能量。

测量光束的z轴是指以测量光束的光轴建立的z轴。将样品沿测量光束的z轴移动，当样品处于各个不同的z轴位置时，分别测量获得参考光束的能量以及测量光束透射过样品后的能量，分别记为第一能量和第二能量。

S11：根据样品在同一z轴位置的第一能量和第二能量，获得在本z轴位置的透过率。

测量光束入射到样品并透射过样品，样品对光具有一定吸收特性，根据同一z轴位置时的测量光束透射过样品后的能量以及参考光束的能量，能够获得样品在本z轴位置对应的透过率。

S12：根据各个z轴位置的位置数据以及样品在各个z轴位置的透过率获得测量光束束腰处的位置，并根据各个z轴位置的透过率进行拟合获得测量光束的束腰半径。

根据各个z轴位置的位置数据以及样品在各个z轴位置的透过率可获得测量光束束腰处对应的z轴位置，而后，可以基于物质对光子的吸收模型，通过对样品在各个z轴位置的透过率进行拟合，获得测量光束的束腰半径。

本实施例的基于Z扫描的光束束腰半径测量方法，使用Z扫描系统本身实现测量光束束腰半径，与直接计算法相比不需要测量入射光束半径或者焦点位置，与刀口法相比不需要引入其它器件，因此与现有技术相比能够提高对光束束腰半径的测量精度。

具体的，根据样品在同一z轴位置的第一能量和第二能量，根据以下公式获得在本z轴位置的透过率：

T＝E

其中，T表示透过率，E

在实际实验过程中，可以在放置样品测量之前，在空置样品情况下测量参考光束能量与测量光束能量的比值。优选等待光源100的出射光束稳定，即保证SRR趋于稳定才可进行测量。

优选的，为了得到较为精确的数据，可以控制样品在同一z轴位置时进行至少两次测量，样品在同一z轴位置相应获得至少两组第一能量和第二能量。在实际操作过程中可以在每个z轴位置通过控制能量计的曝光时间进行重复测量多次。相应的，在步骤S11中根据样品在同一z轴位置的第一能量和第二能量，获得在本z轴位置的透过率具体包括：

S110：根据样品在同一z轴位置的至少两组第一能量和第二能量，获得样品在本z轴位置的第一能量平均值和第二能量平均值。

S111：根据样品在同一z轴位置的第一能量平均值和第二能量平均值，获得在本z轴位置的透过率。

具体可根据以下公式获得在本z轴位置的透过率：

其中，T表示透过率，

优选的，在步骤S12中根据各个z轴位置的位置数据以及样品在各个z轴位置的透过率进行拟合获得测量光束的束腰半径可包括以下处理过程：

S120：获得样品在各个z轴位置的归一化透过率。具体可根据以下公式获得样品在任一z轴位置的归一化透过率：

T

其中，T

本方法中将样品在测量光束光强最弱处的透过率对应为样品在线性吸收情况下的透过率T

对于焦距较长的Z扫描系统而言，由于束腰半径与入射光束半径的比在同等条件下较短焦情况大，因此在整个沿z轴扫描过程中透过率变化相对较小，那么，在焦点处出现较为明显的非线性吸收的情况下，即便是在远离焦点的位置也有可能受到非线性吸收的影响。为此，若使用焦距较长的Z扫描系统，要进行线性吸收的测量必须先将能量调低到合适的程度。所谓合适的程度指未低于能量计最低量程所能接收到信号的能量最小值的尽量小的程度，以能够测量获得样品在线性吸收情况下的透过率。

S121：根据各个z轴位置的位置数据以及样品在各个z轴位置的归一化透过率获得测量光束束腰处的位置，并根据各个z轴位置的归一化透过率进行拟合获得测量光束的束腰半径。

具体的，可以根据各个z轴位置的位置数据以及样品在各个z轴位置的透过率进行拟合，获得测量光束束腰处对应的z轴位置z

根据非线性光学相关理论可知，不同机制非线性吸收下的归一化透过率沿z轴扫描的数据形式取决于束腰处的光束质量因子q

可选的，本实施例中以双光子吸收、三能级激发态吸收模型对获得数据拟合，具体基于以下公式根据样品在各个z轴位置的透过率进行拟合：

其中，T表示透过率，q表示在相应z轴位置的光束质量因子。

根据各个z轴位置的位置数据以及样品在各个z轴位置的透过率进行拟合，可以获得任一z轴位置对应的光束质量因子，进而根据上述确定出的束腰处对应的z轴位置z

进一步可根据以下公式，根据光束瑞利长度获得测量光束的束腰半径：

其中，z

若入射光为连续光，则z

示例性的，请参考图4，图4为一具体实例中测量获得的样品在各个z轴位置的透过率数据以及对数据的拟合结果。在获得光束的束腰半径之后，根据以下公式可计算得到焦点处以及任意z轴位置的光强：

其中，τ

之后，通过对光强I在脉冲时间内积分得到相应能流密度F

请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种基于Z扫描的光束束腰半径测量系统的示意图，由图可知，所述基于Z扫描的光束束腰半径测量系统包括光源100、分光元件101、聚焦元件102、第一能量测量装置103、第二能量测量装置104和控制装置105，所述光源100用于发出预设光束，所述分光元件101用于将所述预设光束分成参考光束和测量光束，所述聚焦元件102用于将测量光束汇聚而入射到样品200，

所述第一能量测量装置103用于测量参考光束的能量，所述第二能量测量装置104用于测量测量光束透射过样品200后的能量，所述控制装置105与所述第一能量测量装置103、所述第二能量测量装置104分别相连，用于执行以上所述的基于Z扫描的光束束腰半径测量方法。

本实施例的基于Z扫描的光束束腰半径测量系统，使用Z扫描系统本身实现测量光束束腰半径，与直接计算法相比不需要测量入射光束半径或者焦点位置，与刀口法相比不需要引入其它器件，因此与现有技术相比能够提高对光束束腰半径的测量精度。

进一步具体的，所述系统还可包括设置在光源100和分光元件101之间光路上的、用于改变光束传播方向的反射面。请参考图3，图3为又一实施例提供的一种基于Z扫描的光束束腰半径测量系统的示意图，其中具体包括第一反射面109和第二反射面110，光源100发出光束以45度角入射到第一反射面109，由第一反射面109反射出的光束以45度角入射到第二反射面110，第二反射面110将光束反射到分光元件101。可选的，第一反射面109或者第二反射面110可采用反射镜。

优选的，还包括光阑106，用于限制入射到所述分光元件101的光束半径大小。

进一步具体的，请参考图3，光源100包括电源107和激光器108，电源107用于向激光器108供电，激光器108用于产生预设光束，可选的，预设光束可以是高斯基模光束。

优选的，在分光元件101和第一能量测量装置103之间设置有第一收集元件111，用于将由分光元件101出射的参考光束收集到第一能量测量装置103。在聚焦元件102和第二能量测量装置104之间设置有第二收集元件112，用于将透射过样品200的光束收集到第二能量测量装置104。

所述系统还包括平移台113，用于放置样品200，使样品200能够沿测量光束的z轴移动。优选的，平移台113与控制器114相连，由控制器114驱动平移台步进移动从而带动样品200移动。

第一能量测量装置103和第二能量测量装置104分别与调制装置115相连，调制装置115与控制装置105相连，调制装置115用于将第一能量测量装置103和第二能量测量装置104同步，并将两者测量获得的能量数据传输到控制装置105。控制装置105与控制器114相连，能够通过控制器114控制样品沿光束z轴移动以及获取到样品200的z轴位置数据。

在一种具体实例中，本系统使用的激光器为Nd:YAG纳秒激光器，中心波长532nm，脉宽为10ns，将重复频率调整为10Hz，以避免热效应的产生影响实验结果。光阑的孔径为2mm，分光元件采用薄膜分光镜，在工作波长的透过率约为95％，反射率约为5％，厚度约2μm，与主光轴成45度角。聚焦元件采用聚焦透镜，在工作波长的透过率约为95％，焦距为50cm，第一收集透镜、第二收集透镜在工作波长的透过率约为95％，焦距75mm。标定样品的厚度小于2mm即可，样品厚度约为1500μm左右。样品在z轴上移动的长度可调节，在300mm到400mm之间。第一能量计和第二能量计的同步误差在5μs以下。平移台移动距离的误差在1μm以下。

优选的，在实际实验过程中，在构建出系统进行测量之前，首先对系统初始化，将能量计的调制装置和平移台控制器通过串口连接到计算机，打开配套的计算机程序进行初始化。

然后预测量，首先测量SRR，然后测量样品在线性吸收情况下的透过率，要进行线性吸收的测量必须先将光束能量调低，本具体实例中为10μJ左右。具体过程为：将标定样品置于平移台上，先进行一次预扫描，预扫描使用的能量为100μJ左右，根据测量获得的曲线形状确定样品的吸收机制是否与理论吻合。然后，通过计算曲线极小值确定焦点的z轴位置，若极值点出现过早需要将起点向前移动，反之需要向后移动，直至最小值位置大致在整个z轴运动范围的终点处。扫描后确认入射脉冲能量是否合适，即观察样品出现最小值与线性区的透射率差别是否过小或者过大并调整能量到合适的大小。结束后观察样品是否被打坏，若已经打坏，调小能量并更换样品或者平移样品使光斑打在样品未被打坏的位置上。

其中，将标定样品置于平移台上先进行一次预扫描。预扫描的目的有四个：一、通过曲线形状确定样品的吸收机制。二、通过计算曲线极值确定焦点的z轴位置，即Z扫描曲线的对称轴。三、观察所设置的平移台位移区间是否合适以确定正式扫描的位移区间。四、确认入射脉冲能量是否合适：即样品是否在高光强下发生高阶非线性抑或被击穿、打坏，以及是否因光强过低在焦点处产生的非线性吸收不足。

以上对本发明所提供的一种基于Z扫描的光束束腰半径测量方法及系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。