激光Z掃描技術測量光學非線性實驗

鄒林兒, 張 澤, 傅繼武

(南昌大學 物理系, 江西 南昌 330031)

測量光學材料的光學非線性系數是學生必須掌握的專業實驗技能,是在全光通信和光學信息處理等領域中研發具有良好性能的全光器件[1-2]的基礎。測量光學非線性系數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法等。這些方法的實驗裝置復雜,測量精度低,達不到理想的測量效果[3-4]。Sheik Bahae等[5-6]提出了激光Z掃描技術用于光學非線性測量,可以獲得非線性折射率的大小、正負符號以及非線性吸收系數等,且該裝置簡單、精度高,隨著該技術的完善和發展,已成為研究材料光學非線性重要手段[7-10]。為了讓學生深入了解和掌握光學非線性系數測量方法,培養學生綜合運用知識進行創新實踐的能力[11],結合科研工作需要,搭建了激光Z掃描技術測量光學非線性綜合性實驗。該實驗讓學生掌握光學非線性系數的測量和結果分析,同時將為非晶半導體薄膜材料在超快全光器件方面的應用提供非常有價值的實驗和理論依據。

1 激光Z掃描技術原理

圖1是激光Z掃描技術實驗裝置示意圖。高斯激光束入射, 被測非線性樣品放在會聚透鏡焦點附近,并沿光束傳播方向前后移動,測量遠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變化的關系即為Z掃描曲線。對于一個具有正非線性系數的薄介質,當其從離透鏡焦點較遠的-Z向原點(設置在透鏡的焦點處)移動時光強較弱, 可忽略非線性引致的光折射效應,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。當樣品掃描至原點附近時,因光強增大使非線性引致的光折射效應顯著加強,此時樣品相當于一個正透鏡,使得位于小孔光闌的遠場光束發散,相對透光率減小(T<1)。當移到原點位置時,考慮薄介質情況下,遠場接收到的光強與無介質時一樣,即相對透過率T=1；當其從原點向+Z繼續移動時, 樣品的自聚焦作用將導致小孔光闌處遠場光束會聚,相對透過率增大(T>1)。對于具有負非線性系數的薄介質,其情況剛好相反。因此,可分析出,對于正非線性系數介質,得到Z掃描曲線變化是谷峰形狀,如圖2(a)所示；對于負非線性系數介質,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,可依據峰谷特性,能判斷出介質非線性折射系數的符號,從而進一步理論分析可以獲得非線性折射率的大小。

圖1 激光Z掃描技術實驗裝置示意圖

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場小孔光闌孔徑大小相關(這情況下測量,稱作閉孔狀態),孔徑越大靈敏度越低。如移去遠場小孔光闌,或把孔徑增大到一定程度(即開孔狀態),此時遠場光束全部進入探測器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Z掃描技術測得材料非線性吸收。對于飽和吸收機制的介質，Z掃描曲線呈關于焦點對稱的峰；而對于反飽和吸收、雙光子吸收和三光子吸收機制的介質，Z掃描曲線呈關于焦點對稱的谷,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和吸收系數有：

(1)

α=α0+βI

(2)

其中：n0是線性折射率；E為峰值電場強度；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；0為線性吸收系數；I為樣品中激光的光功率密度。

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

(3)

當孔徑A處于開孔狀態(S=1),由下式可求出非線性吸收系數[3]。

(4)

式中：Tz為z位置的相對透射率；q0=是光束在焦點上的束腰半徑,k是波數。在非線性吸收系數不太大的情況下,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 實驗

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

離透鏡焦點約150 cm處放置已校對了的光電二極管(PD)作為遠場探測器D2,其前面置孔徑可變的小孔光闌；調整小孔光闌孔徑為1 mm時為閉孔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,則為開孔Z掃描。為了消除激光光強不穩定性的影響,在透鏡前面放置一個光束分光鏡,另一束光用探測器D1測量,其使遠場測得的透過強度相對D1測得的光強度而得到相對透過率T。介質樣品置于平臺上，平臺由計算機控制沿Z軸移動。考慮到激光束能量過大,會導致薄膜介質樣品擊穿燒壞,為此可在激光束出來后面放置可變光衰減器。為了確保實驗精度,可以先在約0.5 mm厚的硅樣品上進行Z掃描實驗,以校準實驗設備。硅在集成光子學中廣泛應用,其非線性吸收系數有較準確記錄。

3 實驗測量及數據結果分析

在本文中,利用科研提供的樣品,實驗測量了As20S80體系(Sn1As20S79和P2As20S78)硫系玻璃薄膜樣品的光學非線性系數,樣品是采用熱蒸發真空鍍膜技術,在BK7玻璃襯底上經多次累積重復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,其相對透過率隨介質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,其非線性折射率n2系數的符號為正,說明其具有自聚焦性質。由式(3)計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,Z掃描測量對非線性吸收敏感,由式(4)和(5)可計算出非線性吸收系數。

圖5曲線呈關于焦點對稱的谷,這表明樣品吸收光的機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掃描系統中Z掃描曲線

根據上述數據整理計算得表1中結果。樣品的品質因子FOM=n2/,是評價樣品材料超快全光開關性能。As20S80材料的品質因子FOM的值在0.9～1.5之間,品質因子FOM較高的Sn1As20S79表現出良好超快全光開關性能。激光Z掃描技術測量光學非線性參數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、非線性吸收系數和品質因子FOM

表1 樣品Sn1As20S79和P2As20S78非線性折射率n2、非線性吸收系數和品質因子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 結語

本實驗結合科研工作搭建激光Z掃描技術,用于測量光學材料的非線性光學參數的綜合性專業實驗,也是將科研成果轉化成實驗教學項目[12]，讓學生理解光學非線性系數的符號意義及掌握其測量基本方法,了解Z掃描技術實驗光路設計和搭建,以及結合實際樣品進行實驗測量和數據處理分析。在本科生和研究生專業實驗中取得了良好的教學效果,提高了學生參與科研訓練課程項目積極性和科研興趣。同時該實驗有很好的科研應用性,能培養學生創新性思維。在此基礎上，可以考慮進一步提高測量精度,增加Z掃描技術應用范圍,如研究高斯光束傳輸特性,測量激光光束發散度以及研究光折變非線性效應等,為學生從事科研工作打下良好的基礎。