СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ Z-СКАНИРОВАНИЯ ПРИ МОНОХРОМАТИЧЕСКОЙ ЛАЗЕРНОЙ НАКАЧКЕ
METHOD FOR MEASURING NON-LINEAR OPTICAL PROPERTIES OF SUBSTANCES AND MATERIALS BY Z-SCAN METHOD DURING MONOCHROMATIC LASER PUMPING

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для измерения нелинейно-оптических свойств веществ и материалов, в частности коэффициентов нелинейного пропускания, насыщенного поглощения и нелинейной рефракции.
Известен способ измерения нелинейно-оптических свойств веществ и материалов, называемый методом z-сканирования, при котором измеряют зависимость коэффициента пропускания плоскопараллельного исследуемого образца при его перемещении вдоль оси z сфокусированного лазерного пучка, а искомые нелинейно-оптические свойства определяют по характеру полученной зависимости [Sheik-Bahae M., Said A.A., Wei T.H., Hagan D. J., Van Stryland E. W. Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1990. V. 26, №4. P. 760-769].
z
Недостатком указанного способа является то, что в случае использования одночастотного лазерного источника при z-сканировании возможно скачкообразное изменение частоты продольной моды лазера, приводящее к изменению образуемой на лицевой поверхности исследуемого образца интерференционной картины лучей, отраженных от его лицевой и тыльной поверхностей, что в свою очередь ведет к случайному изменению коэффициента отражения последнего. Кроме того, ввиду неточности настройки оси движения координатного стола, при перемещении исследуемого образца вдоль оси сфокусированного лазерного пучка происходит смещение зоны лазерного воздействия в поперечном относительно образца направлении. Из-за отклонения исследуемого образца от плоскопараллельности это сопровождается изменением оптического пути лучей, отраженных от его тыльной поверхности, что приводит, как и в первом случае, к изменению возникающей на лицевой поверхности образца интерференционной картины. Коэффициент отражения исследуемого образца при этом также существенно изменяется. В результате даже у образца, у которого отсутствуют какие-либо нелинейно-оптические свойства, измеряемый сигнал, характеризующий коэффициент пропускания, при -сканировании может изменяться в пределах нескольких процентов.
z
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ измерения нелинейно-оптических свойств веществ и материалов методом z-сканирования при монохроматической лазерной накачке, включающий измерение зависимости коэффициента пропускания плоскопараллельного исследуемого образца при его перемещении вдоль оси z сфокусированного лазерного пучка и по характеру полученной зависимости определение нелинейно-оптических свойств, в котором лицевая и тыльная поверхности образца являются просветленными на длине волны лазерного излучения [Chapple P. B., Staromlynska J., Hermann J. A., Mckay T. J., Mcduff R. G. Single-beam -scan: measurement techniques and analysis // Journal of Nonlinear Optical Physics & Materials. 1997. V. 6, №3. P. 251-293].
Недостатком указанного способа является то, что нанесение антиотражающего покрытия в ряде случаев нецелесообразно из-за его относительно низкой лучевой стойкости, так как при z-сканировании исследуемый образец при прохождении через перетяжку сфокусированного пучка подвергается воздействию лазерного излучения большой плотности мощности. Кроме этого, при исследовании нелинейно-оптических свойств образца в широком диапазоне длин волн обеспечение низкого коэффициента отражения его поверхностей во всем исследуемом диапазоне затруднительно.
Задачей изобретения является разработка способа измерения нелинейно-оптических свойств веществ и материалов методом z-сканирования при монохроматической лазерной накачке, обеспечивающего уменьшение погрешности измерений коэффициента пропускания исследуемого образца в широком спектральном диапазоне.
Сущность изобретения заключается в том, что в отличие от известного способа измерения нелинейно-оптических свойств веществ и материалов методом z-сканирования при монохроматической лазерной накачке, включающего измерение зависимости коэффициента пропускания плоскопараллельного исследуемого образца при его перемещении вдоль оси z сфокусированного лазерного пучка и по характеру полученной зависимости определение нелинейно-оптических свойств, исследуемый образец располагают наклонно к падающему лучу лазера, и при этом угол падения α, диаметр лазерного пучка на входе собирающей линзы d и толщина исследуемого образца h удовлетворяют следующему условию:
,
где n – линейный показатель преломления материала образца относительно воздуха.
Техническим результатомявляется уменьшение погрешности измерений коэффициента пропускания исследуемого образца в широком спектральном диапазоне.
Фиг.1 показывает способ измерения нелинейно-оптических свойств веществ и материалов методом z-сканирования при монохроматической лазерной накачке по данному изобретению: 1 - лазер; 2, 12 – плоскопараллельные оптические делительные пластины; 3, 11, 13 – поглощающие экраны; 4, 6, 14, 17 – нейтральные светофильтры; 5, 15, 18 – фотоприемники; 7 – длиннофокусная собирающая линза; 8 – исследуемый образец; 9 – платформа; 10 – однокоординатный столик; 16 – диафрагма; штриховые линии – ход луча лазера; α – угол падения луча лазера на исследуемый образец; +Z, 0, -Z – положительное направление, начало отсчета и отрицательное направление оси z сфокусированного лазерного пучка соответственно (z=0 в перетяжке пучка).
Фиг.2 показывает ход лучей в исследуемом образце: L, R – крайние лучи лазерного пучка, падающего на образец; L’, R’ – крайние лучи лазерного пучка, отраженного от передней поверхности образца; L’’, R’’ – крайние лучи лазерного пучка, отраженного от тыльной поверхности образца; L’’’, R’’’ – крайние лучи лазерного пучка, прошедшего сквозь образец; α – угол падения; d – диаметр лазерного пучка на входе собирающей линзы; h – толщина исследуемого образца.
oa,n
Фиг.3 показывает зависимости нормированного коэффициента пропускания T кюветы с дистиллированной водой от координаты z, полученные при α=45° (кривая 19) и α=0 (кривая 20).
in
Способ измерения нелинейно-оптических свойств веществ и материалов методом z-сканирования при монохроматической лазерной накачке по данному изобретению осуществляется следующим образом. Пучок из лазера 1 (Фиг.1) направляют на плоскопараллельную оптическую делительную пластину 2, установленную под углом падения 45°. Толщину пластины 2 подбирают такой, чтобы лучи лазера, отраженные от ее лицевой и тыльной поверхностей, были разделены в пространстве. Эта мера предотвращает интерференцию отраженных пучков и обеспечивает постоянство коэффициента отражения от указанных поверхностей при скачкообразном изменении продольной моды резонатора лазера. Луч, отраженный от лицевой поверхности пластины, после ослабления с помощью нейтрального фильтра 4 направляют на опорный калиброванный фотоприемник 5, обеспечивающий измерение энергии E падающих лазерных импульсов. Луч, отраженный от тыльной стороны пластины 2, поглощают экраном 3. Прошедший через делительную пластину луч после ослабления с помощью нейтрального светофильтра 6 фокусируют длиннофокусной собирающей линзой 7 и направляют на плоскопараллельный исследуемый образец 8, установленный на платформе 9 однокоординатного столика 10. Ось движения платформы настраивают параллельно оптической оси лазерного пучка. Исследуемый образец устанавливают наклонно к падающему лучу лазера, при этом угол падения α, диаметр лазерного пучка на входе собирающей линзыd и толщина исследуемого образца h удовлетворяют следующему условию: , где n – линейный показатель преломления материала образца относительно воздуха.
Если прошедший длиннофокусную собирающую линзу лазерный пучок в пределах толщины образца принять параллельным, а его диаметр в крайнем положении образца принять равным диаметру лазерного пучка на входе линзы, то можно определить, что при выполнении условия  на лицевой поверхности образца будет происходить интерференция лазерных лучей, отраженных от его лицевой и тыльной поверхностей. При  (см. Фиг.2) данные лучи практически перестают интерферировать. При выполнении же условия  интерференция данных лучей на лицевой поверхности образца прекращается полностью. Отраженные от образца лучи поглощают экраном 11, установленным на платформе. Отсутствие интерференции обеспечивает постоянство коэффициента отражения исследуемого образца безотносительно его положения на оси z и скачкообразного изменения продольной моды резонатора лазера.
oa
oa
out,oa
in
out
,
oa
сa
сa
out,сa
in
out,сa
После прохождения исследуемого образца часть излучения лазера за счет отражения от лицевой поверхности плоскопараллельной оптической делительной пластины 12 отводят на фотоприемник 15, который служит для определения коэффициента пропускания образца Tв режиме с открытой апертурой по формуле T=E/E, где E– энергия импульса лазера, измеряемая фотоприемником 15. Толщину пластины 12 подбирают по тому же принципу, что и для пластины 2. Отраженный от тыльной поверхности пластины 12 луч поглощают экраном 13, а нейтральный фильтр 14 служит для ослабления интенсивности излучения. Основной пучок лазера после прохождения делительной пластины 12 пропускают через диафрагму 16, нейтральный светофильтр 17 и направляют на фотоприемник 18, служащий для определения коэффициента пропускания образца T в режиме с закрытой апертурой по формуле T=E/E, где E– энергия импульса лазера, измеряемая фотоприемником 18. При перемещении вдоль оси z сфокусированного лазерного пучка измеряют зависимость коэффициента пропускания исследуемого образца в одном или одновременно в обоих указанных режимах, после чего по характеру полученной зависимости (зависимостей) определяют нелинейно-оптические свойства образца.
oa
in,aver
in
in,aver
in,aver
3+
Для проверки предложенного способа были проведены сравнительные эксперименты по измерению коэффициента пропускания T плоскопараллельной кварцевой кюветы толщиной 7 мм, заполненной дистиллированной водой, при ее перпендикулярной (α=0) и наклонной (α=45°) ориентациях относительно падающего монохроматического пучка второй гармоники импульсного одномодового YAG:Nd-лазера с длиной волны 532 нм и длительностью импульсов 13,6 нс при энергии в импульсе 100 мкДж. Просветление поверхностей кюветы отсутствовало. Пучок диаметром 1,3 мм фокусировали собирающей линзой с фокусным расстоянием 0,192 м. При α=0 поглощающий экран 11 (см. Фиг.1) располагали с противоположной экрану 3 стороны оптической делительной пластины 2. Во избежание паразитных отражений все нейтральные светофильтры располагали под углом к оптической оси, отраженные ими лучи поглощали дополнительными экранами. Фиксировали только те результаты измерений, для которых энергия падающих лазерных импульсов удовлетворяла условию 0,9 E ≥ E ≥ 1,1 E, где E – полученное по 100 вспышкам лазера среднее значение энергии лазерного импульса.
,
oa,n
oa,n
1
1
2
2
1
2
oa,n
1
1
2
2
1
2
Измерения, проведенные в перетяжке пучка показали, что нормированные на измеренное вдали от перетяжки значение коэффициенты пропускания T (α=45°) и T (α=0), полученные по 330 лазерным импульсам, находятся в интервалах (1-δ, 1+δ) и (1-δ, 1+δ) соответственно, где δ=0,0015, δ=0,0033. Поскольку нормированный коэффициент пропускания дистиллированной воды равен единице для любого z, значит ошибка измерений при ориентации измерительной кюветы под углом α=45° в 2,2 раза меньше, чем при α=0. На Фиг.3 показаны зависимости нормированного коэффициента пропускания T кюветы с дистиллированной водой от координаты z, полученные при α=45° (кривая 19) и α=0 (кривая 20). Здесь каждая точка была получена в результате усреднения по 30 лазерным импульсам. Видно, что ординаты точек зависимостей 19и 20находятся в интервалах (1-Δ, 1+Δ) и (1-Δ, 1+Δ) соответственно, где Δ=0,0018, Δ=0,011. Таким образом, при сканировании кюветы вдоль оси z ошибка измерений коэффициента пропускания возрастает. Причем для экспериментальной зависимости, полученной при α=0, ошибка измерения примерно в 6 раз больше, чем при α=45°.
Все это наглядно подтверждает возможность уменьшения погрешности измерений коэффициента пропускания исследуемого образца во время z-сканирования при монохроматической лазерной накачке за счет устранения образуемой на лицевой поверхности образца интерференционной картины лучей, отраженных от его тыльной и лицевой поверхностей, посредством установки образца наклонно к падающему лучу лазера. Очевидно, что данный способ действенен в широком спектральном диапазоне.