光学非线性测量试验讲义new

PAGEPAGE6光学非线性实验讲义一实验目的了解光学非线性测量仪的基本原理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。二实验仪器XGX-1型光学非线性测量仪三仪器的用途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、硅光电池、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，实现计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。四系统工作原理和结构3.1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。当入射的激光持续时间远小于某一物理机制的响应时间，这种物理机制对引起折射率变化率的贡献可以忽略不计。3.2仪器基本结构田海珍图3-3位XGX-1型光学非线性测量仪的整机系统图3.2.1光学系统前端光路：由激光器发出的光柱在分束镜上分成两光路：反射光路置空（若选用的光源是脉冲光源，则反射光通过f5=100mm聚焦在接收器4，此处接BOXCAR)上；透射光经过f1=15mm的透镜聚焦，再通过f2=50mm的透镜成放大的平行光束通过f3=100mm的聚光镜将光聚焦进入样品室。样品室：依据Sheik-BahaeM的理论：样品只有处于焦点附近光强较大的位置才会有非线性光学性质。样品通过仪器底部传动机构带动样品架做往返运动来实现Z扫描，扫描范围-50mm～+50mm后端光路：从样品室出来的光经过一分束镜将光分为两束，透射光经过光阑小孔被接收器1（光电倍增管）接收，功率为T1；出射光再经过一分束镜分束，透射光被接收器3（CCD）接收，反射光通过f=150mm的透镜聚焦到接收器2（硅光电池）的接收面上，功率为T2；根据实验需要可在接收器前放置衰减片。3.2.2机械传动系统Z扫描机构：该机构由电机、滑杆和样品组成，由数据处理单元控制电机，带动样品台沿着滑杆方向匀速运动。可调光栏：采用精度很高的转盘式可调光栏，孔径大小对照下表3.2.3电子电路及数据处理单元探测器将调制后的光信号转换为电信号。闭孔试验采用侧窗式CR114九级倍增管接收，开孔试验采用硅光电池接收，快照采用日本东芝公司的TCD1209芯片。由于探测器输出信号特别微弱，必须进行电压放大，其前置放大器。可变增益放大器，除了对来自探测器的信号进行放大以外，主要是执行着自动变换整机系统信号增益的任务，以保证仪器能够正常进行工作。数据处理单元是由计算机、打印机组合而成。3.2.4数据处理单元将前面接收到的闭/开孔弱信号经过电路处理后得到的功率P1/P2，若在透过率模式下，将各处的实际透过率除以焦点处的透过率就得到归一化透过率T1/T2和位置Z的关系曲线。单位长度的样品的非线性折射率系数和非线性吸收系数可以由以下两式计算得到：（1）式中为样品的有效厚度，为线性吸收系数，I0为焦点处的光强，为入射波长，为光轴上的相移，为设想的非线性吸收的相位。对于其光束衍射长度Z=＞L，L为样品的厚度，为焦点处激光的束腰半径，样品则可以作为薄透镜近似，光轴上的相移有下式算出：（2）式中，为归一化透过率峰-谷值差，，f=0.406×(1-S)0.25,S为光孔的线性透过率，S=,为通过孔的功率，为入射功率，为小孔的半径，为小孔处的光束半径。由（1）式可以看出，有类似的形式，因而可以由（2）式计算得到。开孔情形下式中k=。对于具有非线性吸收的材料，样品的吸收系数可以表示成通过上层软件可以将得到的数据进行后期分析和处理。基本理论模拟闭孔扫描：开孔扫描：五实验步骤及注意事项(一)、调试、实验谱图1、光路调节（详见光路系统）在正式测量之前必须对光路进行调节，使各接收器能准确接收到光信号。2、作谱图将细菌视紫红膜样品固定在样品架上，调节激光器使激光入射到样品上。在测试过程中保持激光器处于稳定状态。㈠.使用要点：（1）激光经过前端光路入射到样品上是非常重要的。为此一般通过肉眼观察即可知道，若没有观察到激光入射到样品上，可以调整激光器的位置以及光栏的位置，直到激光入射到样品上。（2）恰当地选择可调光栏孔径的大小单色仪的狭缝宽度。（3）光电倍增管的电源高压，应选一最佳值，使其增益最大，而噪声最小。㈡.实验：测量细菌视紫红膜的开孔/闭孔-能量谱及开孔/闭孔归一化透过率谱（1）要求完整记录开孔/闭孔-能量谱及开孔/闭孔归一化透过率谱，掌握光学非线性测量的基本实验技术和认识非线性光谱的主要特点。（2）分别记录闭孔测量时孔径为0.3mm和3.0mm单色仪狭缝为125μm和50μm时的谱图。（3）实验报告要求记录所有实验参数，特别要标明闭孔测量时孔径的大小。（6）观察并报告孔径大小改变时，谱线状况有何不同，并解释其原因。(二).注意事项确保仪器在使用环境下