激光Z扫描技术测量光学非线性实验

邹林儿, 张 泽, 傅继武

(南昌大学 物理系, 江西 南昌 330031)

测量光学材料的光学非线性系数是学生必须掌握的专业实验技能,是在全光通信和光学信息处理等领域中研发具有良好性能的全光器件[1-2]的基础。测量光学非线性系数的方法主要有非线性干涉法、简并四波混频法、椭圆偏振法、光束畸变法和光克尔效应法等。这些方法的实验装置复杂,测量精度低,达不到理想的测量效果[3-4]。Sheik Bahae等[5-6]提出了激光Z扫描技术用于光学非线性测量,可以获得非线性折射率的大小、正负符号以及非线性吸收系数等,且该装置简单、精度高,随着该技术的完善和发展,已成为研究材料光学非线性重要手段[7-10]。为了让学生深入了解和掌握光学非线性系数测量方法,培养学生综合运用知识进行创新实践的能力[11],结合科研工作需要,搭建了激光Z扫描技术测量光学非线性综合性实验。该实验让学生掌握光学非线性系数的测量和结果分析,同时将为非晶半导体薄膜材料在超快全光器件方面的应用提供非常有价值的实验和理论依据。

1 激光Z扫描技术原理

图1是激光Z扫描技术实验装置示意图。高斯激光束入射, 被测非线性样品放在会聚透镜焦点附近,并沿光束传播方向前后移动,测量远场有限小孔光阑处的相对透过率T。相对透过率T随着样品移动的位置Z变化的关系即为Z扫描曲线。对于一个具有正非线性系数的薄介质,当其从离透镜焦点较远的-Z向原点(设置在透镜的焦点处)移动时光强较弱, 可忽略非线性引致的光折射效应,由小孔光阑处测得的相对透过率保持相对不变, 其归一化透过率T=1。当样品扫描至原点附近时,因光强增大使非线性引致的光折射效应显著加强,此时样品相当于一个正透镜,使得位于小孔光阑的远场光束发散,相对透光率减小(T<1)。当移到原点位置时,考虑薄介质情况下,远场接收到的光强与无介质时一样,即相对透过率T=1；当其从原点向+Z继续移动时, 样品的自聚焦作用将导致小孔光阑处远场光束会聚,相对透过率增大(T>1)。对于具有负非线性系数的薄介质,其情况刚好相反。因此,可分析出,对于正非线性系数介质,得到Z扫描曲线变化是谷峰形状,如图2(a)所示；对于负非线性系数介质,其Z扫描曲线变化是峰谷形状,如图2(b)所示。在测试过程中,可依据峰谷特性,能判断出介质非线性折射系数的符号,从而进一步理论分析可以获得非线性折射率的大小。

图1 激光Z扫描技术实验装置示意图

图2 激光Z扫描曲线(闭孔)

测量材料三阶非线性折射率的灵敏度与远场小孔光阑孔径大小相关(这情况下测量,称作闭孔状态),孔径越大灵敏度越低。如移去远场小孔光阑,或把孔径增大到一定程度(即开孔状态),此时远场光束全部进入探测器D2,Z扫描测量对非线性吸收敏感,而线性吸收可以忽略,此时Z扫描技术测得材料非线性吸收。对于饱和吸收机制的介质，Z扫描曲线呈关于焦点对称的峰；而对于反饱和吸收、双光子吸收和三光子吸收机制的介质，Z扫描曲线呈关于焦点对称的谷,分别如图3(a)和(b)所示。

图3 激光Z扫描曲线(开孔)

为了简化分析,本文只讨论三阶非线性性。折射率n和吸收系数有：

(1)

α=α0+βI

(2)

其中：n0是线性折射率；E为峰值电场强度；n2和是以不同单位描述非线性折射率,n2/esu=(cn0/40)，单位为m2/W,c为真空中的光速,m/s；为非线性吸收系数；0为线性吸收系数；I为样品中激光的光功率密度。

根据Sheik-Bahae等[3]的理论分析,当小孔处于闭孔状态,由下式计算非线性折射率(或n2)

(3)

当孔径A处于开孔状态(S=1),由下式可求出非线性吸收系数[3]。

(4)

式中：Tz为z位置的相对透射率；q0=是光束在焦点上的束腰半径,k是波数。在非线性吸收系数不太大的情况下,式(4)中取1级近似,则为

β=2.83[1-T0]/(I0Leff)

(5)

式中T0为z=0处的相对透射率。

2 实验

实验装置见图1。为了避免因连续激光入射引起附加的热效应和电致伸缩效应等对光学非线性系数的影响, 本文实验中采用超短脉冲激光Z 扫描技术对其光学非线性系数进行测量。激光束来自脉冲倍频的Nd: YAG激光器,脉冲宽度约42 ps(在光强的1/e处)。会聚透镜的焦距为25 cm,在焦点处测量到波长1 064 nm和532 nm的束腰半径到分别约为60 μm和45 μm(在光强的1/e2处)。在设计光路时,应注意聚焦光束的束腰半径应与实验测量的zp-v≈1.7z0要匹配(zp-v是相对透过率峰和谷间距离,在本实验中,选用波长为1 064 nm,zp-v约为1.89 cm,则ω0值约61 μm。

离透镜焦点约150 cm处放置已校对了的光电二极管(PD)作为远场探测器D2,其前面置孔径可变的小孔光阑；调整小孔光阑孔径为1 mm时为闭孔Z扫描,允许通过3%激光能量；移掉小孔光阑或直径大于1.5 cm时,则为开孔Z扫描。为了消除激光光强不稳定性的影响,在透镜前面放置一个光束分光镜,另一束光用探测器D1测量,其使远场测得的透过强度相对D1测得的光强度而得到相对透过率T。介质样品置于平台上，平台由计算机控制沿Z轴移动。考虑到激光束能量过大,会导致薄膜介质样品击穿烧坏,为此可在激光束出来后面放置可变光衰减器。为了确保实验精度,可以先在约0.5 mm厚的硅样品上进行Z扫描实验,以校准实验设备。硅在集成光子学中广泛应用,其非线性吸收系数有较准确记录。

3 实验测量及数据结果分析

在本文中,利用科研提供的样品,实验测量了As20S80体系(Sn1As20S79和P2As20S78)硫系玻璃薄膜样品的光学非线性系数,样品是采用热蒸发真空镀膜技术,在BK7玻璃衬底上经多次累积重复蒸镀形成的膜厚约为300 μm的硫系玻璃薄膜。

图4(a)和(b)分别是Sn1As20S79和P2As20S78薄膜样品的闭孔Z扫描得到相对透过率的Z扫描曲线,沿-Z向+Z方向移动时,其相对透过率随介质位置的变化曲线为谷-峰形状,显示出As20S80体系薄膜样品是具有正非线性系数,其非线性折射率n2系数的符号为正,说明其具有自聚焦性质。由式(3)计算出样品的非线性折射率或n2。

图4 硫系薄膜在闭孔Z扫描系统中Z扫描曲线

图5是Sn1As20S79和P2As20S78样品的开孔Z扫描得到的相对透过率曲线。因开孔状态,Z扫描测量对非线性吸收敏感,由式(4)和(5)可计算出非线性吸收系数。

图5曲线呈关于焦点对称的谷,这表明样品吸收光的机制是反饱和吸收或多光子吸收,对于As20S80体系薄膜样品,主要是双光子吸收。

图5 Sn1As20S79和P2As20S78硫系薄膜在开孔Z扫描系统中Z扫描曲线

根据上述数据整理计算得表1中结果。样品的品质因子FOM=n2/,是评价样品材料超快全光开关性能。As20S80材料的品质因子FOM的值在0.9～1.5之间,品质因子FOM较高的Sn1As20S79表现出良好超快全光开关性能。激光Z扫描技术测量光学非线性参数的误差包括理论误差和测量误差。n2的理论误差低于2%，的理论误差低于3%。在本文中,测量误差(多次测量计算去平均值)大约在3%～5%。

表1 样品Sn1As20S79和P2As20S78非线性折射率n2、非线性吸收系数和品质因子FOM

表1 样品Sn1As20S79和P2As20S78非线性折射率n2、非线性吸收系数和品质因子FOM

样品吸收边缘波长/mm工作波长/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 结语

本实验结合科研工作搭建激光Z扫描技术,用于测量光学材料的非线性光学参数的综合性专业实验,也是将科研成果转化成实验教学项目[12]，让学生理解光学非线性系数的符号意义及掌握其测量基本方法,了解Z扫描技术实验光路设计和搭建,以及结合实际样品进行实验测量和数据处理分析。在本科生和研究生专业实验中取得了良好的教学效果,提高了学生参与科研训练课程项目积极性和科研兴趣。同时该实验有很好的科研应用性,能培养学生创新性思维。在此基础上，可以考虑进一步提高测量精度,增加Z扫描技术应用范围,如研究高斯光束传输特性,测量激光光束发散度以及研究光折变非线性效应等,为学生从事科研工作打下良好的基础。