專利名稱:Z掃描光學非線性測量裝置和測量方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及非線性光學,特別是一種用于透明樣品和半透明樣品非線性吸收系數(shù)和非線性折射率測量的Z掃描光學非線性測量裝置和測量方法。
背景技術(shù):
材料的三階光學非線性使得折射率和吸收系數(shù)與光強成正比,利用該非線性效應(yīng),可制備實時動態(tài)全光開關(guān)、光學晶體管、光限幅器和光學雙穩(wěn)態(tài)器件并應(yīng)用于光學超分辨。利用材料的非線性效應(yīng),對非線性光學參數(shù)的測量非常關(guān)鍵。傳統(tǒng)測量光學非線性方法有非線性干涉、簡并四波混頻、近簡并三波混頻、橢偏技術(shù)和光束畸變測量等。前四種方法測量靈敏度高,但是不能測量非線性折射率的符號,而且測量裝置非常復雜,實現(xiàn)起來比較困難。 1990年,由M. Sheik-Bahae等人首先提出來的單光束Z-掃描技術(shù)具有裝置簡單、測量靈敏度較高等優(yōu)點,可以探測到λ/300的波前畸變,而且這種方法可同時測量非線性折射率和非線性吸收系數(shù)的大小與符號(參見SHEIK-BAHAE,Μ. ; SAID, A. A. ;WEI, T.Η. ;HAGAN, D. J. ;STRYLAND, E. ff. V. , Sensitive measurement of optical nonlinearitiesusinga single beam. IEEE J. Quantum Elecrron. 1990,26(4),760-769.)。在此基礎(chǔ)上,J. Wang等人又提出了時間分辨雙色Z掃描技術(shù),可以測量不同時間延遲下的非簡并非線性吸收和非簡并非線性折射率(參見Wang,J. ; Sheik-Bahae, Μ. ; Said, A.
A.;Hagan, D. J. ;Stryland, E. ff. V. , Time-resolved z-scan measurements of opticalnonlinearities. J. Opt. Soc. Am. B 1994,11(6),1009-1017.)。后來,又有很多研究者提出了許多改進的方法,Z掃描技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為材料非線性光學特性研究中一種廣泛使用的具有重要實際應(yīng)用價值的實驗方法。但是,現(xiàn)有的Z掃描方法不適用于半透明或不透明樣品的光學非線性測量,特別是針對線性吸收很強的半導體薄膜,其表面反射光空間分布會因為Kerr非線性和熱膨脹發(fā)生改變,不可忽略樣品反射光信息(參見Petrov,D. V. ;Gomes, A. S. L. ;Arabjo1C.
B.d., Reflection z—scantechnique for measurements of optical—properties ofsurfaces. Appl. Phys. Lett. 1994,65(9),1065-1067.)。不同的樣品,反射 Z 掃描測量結(jié)果有很大的不同,針對不同的反射測量結(jié)果,應(yīng)該有不同的數(shù)據(jù)處理方式。而且,對于研究材料光學非線性效應(yīng)的內(nèi)部機理,需要測量不同波長、不同功率(光強)、不同脈沖寬度(連續(xù)光、脈沖光)、不同脈沖重復頻率的激光作用下不同厚度樣品的非線性光學特性的差異,不同偏振態(tài)激光作用下材料表現(xiàn)出的非線性光學性質(zhì)也有所不同(參見Yan,X.-Q. ; Liu, Z. -B. ; Zhang, X. -L. ; Zhou, ff. -Y. ; Tian, J. -G. , Polarization dependence ofZ-scanmeasurement-theory and experiment. Opt. Express 2009,17 (8),6397-6406.)。我們在實驗過程中還發(fā)現(xiàn),光學元件及待測樣品表面反射光對激光器(特別是半導體激光器)輸出功率穩(wěn)定性有重要影響,樣品在Z軸的不同位置時,入射光由樣品表面反射進入激光器諧振腔導致激光器輸出功率不穩(wěn)定,需要消除反射光對非線性光學測量的影響。因此,必須對現(xiàn)有的Z掃描測量進行改進,提出一種參數(shù)容易調(diào)節(jié),光路容易實現(xiàn),有效消除反射光影響,數(shù)據(jù)處理簡單合理,測量準確度能夠保證的新型Z掃描裝置和測量方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種用于透明樣品和半透明樣品非線性吸收系數(shù)和非線性折射率測量的Z掃描裝置和測量方法,該裝置和方法能夠在兩個光源(λ i和λ 2)之間方便地切換,入射激光功率從O到100%連續(xù)可調(diào),入射激光脈沖寬度在IOns到連續(xù)范圍內(nèi)可調(diào),入射激光偏振態(tài)可以調(diào)節(jié)為線偏振、圓偏振、橢圓偏振,可同時對樣品進行透射開孔、透射閉孔和反射開孔測量,不僅適用于測量透明樣品的非線性吸收系數(shù)和非線性折射率,也適用于測量半透明樣品(如半導體薄膜等)??梢愿訙蚀_可靠地測量非線性吸收系數(shù)和非線性折射率,研究材料非線性的內(nèi)部機理。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下—種雙光束無反饋入射光偏振態(tài)可調(diào)節(jié)的Z掃描光學非線性測量裝置,特征在于 其構(gòu)成包括輸出波長為λ工的第一激光器和輸出波長為λ 2的第二激光器、光源參數(shù)調(diào)節(jié)部分、光隔離部分、偏振態(tài)調(diào)節(jié)部分、反射開孔測量、透射開孔測量、透射閉孔測量、雙色時間分辨測量等。沿所述波長為X1的第一激光器輸出的主光路上依次為第一濾波小孔、第一λ/2波片、第一分束鏡、工作波長λ i的光隔離器、第一 λ/4波片、透射λ i反射λ 2的雙色分光鏡、擴束鏡、聚焦透鏡、非偏振分束棱鏡、待測樣品、第一雙凸透鏡、第三分束鏡、中心在光軸上的小孔、第三光電探測器;另外,第二激光器輸出的波長為λ2的激光經(jīng)第二濾波小孔、第二 λ/2波片、第二分束鏡、工作波長λ 2的光隔離器、第二 λ/4波片、透射X1反射λ 2的雙色分光鏡反射到主光路上;所述的第一激光器與雙色分光鏡之間的距離和第二激光器與雙色分光鏡之間的距離近似相等;所述的第一分束鏡和第二分束鏡都與光路成45°度角放置,反射和透射分光比都為1:9,即只反射10%的入射光,反射光分別用第一光電探測器和第二光電探測器接收,并與數(shù)據(jù)采集器相連再傳輸?shù)接嬎銠C;所述透射X1反射入2的雙色分光鏡與主光路成45°角放置,λ 的透過率以及λ 2的反射率均能達到98% ;主光路上的λ /2波片、λ /4波片和光隔離器對應(yīng)于λ i波長,第二激光器光路上的λ /2波片、λ /4波片和光隔離器對應(yīng)于λ 2波長;擴束鏡、非偏振分束棱鏡可工作于λ I和、2兩個波長,只需微調(diào)即可;樣品控制臺可沿Z軸正負方向勻速移動,并由計算機通過軟件控制;待測樣品表面的反射光一部分經(jīng)過非偏振分束棱鏡反射,被第二雙凸透鏡聚焦在第四光電探測器;第三分束鏡和非偏振分束棱鏡的分光比均為1:1,被第三分束鏡分出來的反射光被第五光電探測器收集;所有五個光電探測器的輸出端均與數(shù)據(jù)采集器相連,然后再將信號輸出到計算機。所述裝置可以在兩個光源(入1和λ 2)之間方便切換,且兩個光源發(fā)出的激光光束均為高斯光束,采用可調(diào)節(jié)的λ/2波片可使得激光功率從O到100%連續(xù)可調(diào),通過信號發(fā)生器的調(diào)制兩個半導體激光器的輸出可以是連續(xù)光,也可以是脈沖寬度和脈沖重復頻率連續(xù)可調(diào)的脈沖光,最小脈寬可達10ns。所述裝置增加了針對波長λ jP λ 2的光隔離器,可有效消除光學元件及待測樣品表面反射光對激光器輸出穩(wěn)定性的影響,排除樣品反射光對非線性測量的影響,使得材料非線性光學參數(shù)測量更加準確可靠。
所述裝置可以通過旋轉(zhuǎn)針對波長λ i和λ 2的λ /4波片測量任意偏振態(tài)(包括線偏振、圓偏振、橢圓偏振)激光作用下材料的光學非線性吸收系數(shù)和非線性折射率。所述裝置和測量方法可以同時進行透射開孔、透射閉孔和反射開孔測量,不僅適用于測量透明樣品的非線性系數(shù),也適用于測量半透明樣品(如半導體薄膜)的非線性吸收系數(shù)和非線性折射率。所述裝置經(jīng)過簡單調(diào)節(jié),在第二激光器光路中插入由兩個反射鏡和一個直角棱鏡構(gòu)成的時間延遲器,直角棱鏡可以一維平移運動,第三分束鏡換成雙色分光鏡,調(diào)節(jié)λ i和λ2的相對強度,旋轉(zhuǎn)第一 λ/4波片和第二 λ/4波片調(diào)節(jié)泵浦和探測光的偏振態(tài),可測量不同偏振態(tài)下的雙色時間分辨Z掃描。 利用所述的雙光束無反饋偏振態(tài)可調(diào)節(jié)的Z掃描光學非線性測量裝置進行樣品非線性參數(shù)測量時,其特征包括下列步驟i.打開輸出波長A1的第一激光器,調(diào)整光路,調(diào)節(jié)信號發(fā)生器設(shè)置為連續(xù)光CW輸出,旋轉(zhuǎn)第一 λ/2波片調(diào)節(jié)入射功率為P1,旋轉(zhuǎn)第一 λ/4波片得到線偏振態(tài);打開數(shù)據(jù)采集器和所有光電探測器的電源,啟動計算機并打開計算機上的數(shù)據(jù)采集軟件,數(shù)據(jù)采集通道數(shù)設(shè)置為5個; 將待測樣品安裝在樣品控制臺上,調(diào)節(jié)待測樣品的位置使待測樣品的表面與主光軸垂直;激光入射方向為Z軸正方向,聚焦透鏡的焦點處定義為Z=O位置,設(shè)置樣品臺的運動參數(shù)(運動步數(shù),運動速度和運動方向),使樣品運動范圍從-IOztl到+IOztl之間,且
待測樣品的初始位置設(shè)為-IOztl,其中Ztl是瑞利長度,z0=kw02/^ W尸0.61#;為束腰半徑,
NA
k=2 31 / λ為波矢,λ為第一激光器輸出波長,NA為聚焦透鏡的數(shù)值扎徑;iii.在計算機界面上同時啟動數(shù)據(jù)采集和樣品控制臺運動,運動范圍從-IOzci到+IOztl,所述的第一光電探測器、第三光電探測器、第四光電探測器和第五光電探測器將采集到的光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器處理后傳輸給計算機并顯示在數(shù)據(jù)采集軟件界面,縱坐標是電壓信號,橫坐標為相應(yīng)的Z軸位置;所述的第一光電探測器、第三光電探測器、第四光電探測器和第五光電探測器分別收集待測樣品的功率監(jiān)測信號、透射閉孔數(shù)據(jù)T。、反射開孔數(shù)據(jù)%和透射開孔數(shù)據(jù)Ttj ;iv.觀察第一光電探測器的功率監(jiān)測信號曲線,當該功率監(jiān)測信號曲線是一條近似平行于橫坐標的水平直線,則裝置的光學兀件和待測樣品表面的反射光已被所述的第一光隔離器有效隔離,測量的實驗數(shù)據(jù)準確可靠,保存T。,R0, T0數(shù)據(jù)留待后續(xù)處理;否則需要重新調(diào)節(jié)光路和光隔離器,重復步驟②③④;V.調(diào)節(jié)第一 λ /2波片改變?nèi)肷浼す夤β蕿镻2,重復步驟iii和iv,獲得待測樣品在激光功率P2作用下的透射閉孔數(shù)據(jù)T。、反射開孔數(shù)據(jù)%和透射開孔數(shù)據(jù)Ty并保存;重復步驟V,測量不同激光功率作用下待測樣品的透射閉孔數(shù)據(jù)T。、反射開孔數(shù)據(jù)%和透射開孔數(shù)據(jù)Ttj,并分別保存;注意每次變換實驗條件時均要改變待測樣品的激光作用點位置,并保持待測樣品垂直于主光路;vi.調(diào)節(jié)信號發(fā)生器改變?nèi)肷浼す饷}沖參數(shù)(脈沖寬度和重復頻率),重復步驟iii, iv, V,測量不同脈沖寬度及重復頻率的脈沖光作用下,待測樣品的透射閉孔數(shù)據(jù)T。、反射開孔數(shù)據(jù)%和透射開孔數(shù)據(jù)I,并分別保存;
vii.旋轉(zhuǎn)第一 λ/4波片改變?nèi)肷浼す獾钠駪B(tài),使入射激光的偏振態(tài)處于圓偏振或橢圓偏振,重復步驟iii,iv, v, vi,測量不同偏振態(tài)激光作用下,待測樣品的透射閉孔數(shù)據(jù)T。、反射開孔數(shù)據(jù)%和透射開孔數(shù)據(jù)Ty并分別保存;viii.把光源切換為波長λ 2的第二激光器,調(diào)節(jié)光路,調(diào)節(jié)信號發(fā)生器設(shè)置為連續(xù)光CW輸出,旋轉(zhuǎn)第二 λ/2波片到所需的入射功率,旋轉(zhuǎn)第二 λ/4波片到線偏振態(tài),調(diào)節(jié)待測樣品使其垂直于主光軸,類似于步驟ii,待測樣品的初始位置為-IOztl,其中Ztl是相對于第二激光器波長λ 2的瑞利長度,按照ii中公式計算數(shù)值,重復步驟iii, iv, v, vi, vii,測量波長λ 2的激光作用下待測樣品的T。,R0, T0數(shù)據(jù)并保存;ix.在第二激光器所在分光路中插入由兩個反射鏡和一個直角棱鏡組成的時間延遲器TD,樣品后的第三分束鏡換成雙色分光鏡,用信號發(fā)生器同時調(diào)制波長λ i第一激光器和波長λ 2第二激光器的輸出脈寬,調(diào)節(jié)對應(yīng)λ/2波片分別改變兩束激光功率,調(diào)節(jié)兩光束使其在樣品上的作用點重合,可以把X1作為探測光,λ 2作為泵浦光,也可反之;把樣品移動到聚焦透鏡的焦點位置(ζ = 0),移動時間延遲器TD中的直角棱鏡,做開孔時間分辨掃描;再把樣品移動到上面閉孔測量時峰和谷對應(yīng)的ζ位置(ζ = ±0. 858ζ。),做閉孔時間分 辨掃描;分別得到不同時間延遲td下的透射開孔數(shù)據(jù)不同時間延遲td的透射閉孔峰谷差數(shù)據(jù)ATp_v、d,進而計算出不同時間延遲td下的非線性吸收系數(shù)和非線性折射率η2';X.對測量數(shù)據(jù)進行處理根據(jù)步驟iv-viii中第四光電探測器測量的反射開孔%數(shù)據(jù)曲線的變化規(guī)律,分下列三種情況討論I)當?shù)谒墓怆娞綔y器測得的反射開孔%數(shù)據(jù)曲線隨橫坐標基本沒有變化,且縱坐標接近于零,即R=0,透明樣品(如CS2)對應(yīng)于這種情況;利用Sheikbahae等提出的公式擬合測量數(shù)據(jù),首先將透射開孔數(shù)據(jù)Ttj做歸一化處理,即將曲線所有縱坐標數(shù)值除以z = +IOz0或z = -IOz0處的縱坐標數(shù)值,得到歸一化透射開孔曲線TtTS該曲線在焦點z=0處出現(xiàn)峰或谷,且峰谷左右對稱,遠離焦點處透過率為I ;將歸一化透射開孔曲線焦點Z=O處的縱坐標值T(O),帶入下式計算得到待測樣品的非線性吸收系數(shù)β β = I^llX-T(Q)ViI0Leir)[I]式中,Itl是軸上焦點處的激光強度,忍=$,Ρ是入射到樣品表面的激光功率,Leff
^wO
為待測樣品的有效厚度,Lrff = [1-exp (-Q0L)]/a0, 為待測樣品的線性吸收系數(shù);然后,對透射閉孔Tc數(shù)據(jù)做歸一化處理得到TcnOT_,再除以上面得到的TtTS得到類似于sin或則cos函數(shù)形狀的曲線,取該曲線峰和谷的差值ΛΤρ_ν,帶入下式可以算出待測樣品的非線性折射率H2 :
Δ廠W2 二---[2]
L J 2 0.4060-Λ'Π人 式中,S是小孔的透過率函數(shù)J = I-exp(-2rX),ra, wa分別為小孔的半徑和光
束截面半徑;2)當?shù)谒墓怆娞綔y器測得的反射開孔%數(shù)據(jù)曲線隨橫坐標基本沒有變化,但縱坐標明顯不為零,即R=const.,這種情況對應(yīng)半透明樣品;對于這種情況的數(shù)據(jù)處理和I)中完全相似,只需要考慮菲涅爾反射損耗;利用反射率已知的鋁膜,將R0的縱坐標值換算成絕對反射率R,用樣品內(nèi)的有效光強I/ = (I-R)Itl代替公式[I]和[2]中的Itl即可計算出非線性吸收系數(shù)β和非線性折射率112 ;3)當?shù)谒墓怆娞綔y器測得的反射開孔%數(shù)據(jù)曲線隨橫坐標有變化,在焦點處為一個峰或谷,即R=R(Z),一些半透明樣品或者不透明樣品對應(yīng)于這種情況;首先,和I)中一樣,對透射開孔Ttj和反射開孔%數(shù)據(jù)進行歸一化處理;再把歸一化后的τ<Γ_和R<T_數(shù)據(jù)相加減去1,得到消除了非線性反射的歸一化透射曲線,由該曲線焦點Z=O處的縱坐標值Ττ_κ(0)帶入公式[I],可計算得出非線性吸收系數(shù)β ;此時需要注意,公式[I]中的I。必須用Z=O處對應(yīng)樣品內(nèi)的有效光強I。" = [1-R(0)]IQ代替,R(O)為z=0處待測樣品的絕對反射率;通過非線性吸收系數(shù)β,利用下列公式計算出在ζ=0位置處,由于吸收系數(shù)變化導致的消光系數(shù)變化△ K
Ak= β ι·' (0) = ,"" (0U[3]
2k4π
~ 2 fj — I垂直入射時,反射率公式為-,其中
/7 + 1.η = ) + κ 當z/zQ ^ 10時,只需考慮線性折射率和消光系數(shù), = +IJC0 ;當Z/Z(l O時,必須加入非線性折射和非線性消光系數(shù)項,Ii = ■% + .>)■I -I- /(λ-,, -I- Δ/、-);從上面反射開孔Rq數(shù)據(jù)曲線可以得出Z/Zq=10和Z/Zq=0位置處的絕對反射率關(guān)系R(O)/R(IOztl),結(jié)合公式[3]并帶入已知的η。、κ。、λ、I。"和β的值,由下式計算出相應(yīng)的非線性折射率H2 :
「 P(Q) ["O+",人)-1 + /( 0 + Δλ;)] / [/ (1 + Il7J () -I-I+ /(AT0+Δ Y)]=_ [4]
Λ(10ζ。)|(κ0 -1+/^)//7,, + 1+/^-,,)1"本發(fā)明具有的優(yōu)點I.本發(fā)明裝置較為簡單,光路容易實現(xiàn),可以在不同模式下測量2.本發(fā)明采用兩個光源λ i和λ 2,可方便地在兩光源之間切換,以研究材料非線性吸收和非線性折射與波長的關(guān)系;還可以稍微調(diào)節(jié)光路,引入時間延遲器TD,改變兩入射光的相對強度,使其中一束強光作為泵浦光,另外一束較弱的光作為探測光,實現(xiàn)雙色時間分辨的非線性吸收和折射測量,進而區(qū)分具有不同時間響應(yīng)的非線性光學效應(yīng)3.采用可調(diào)節(jié)的λ /2波片使得激光功率從O到100%連續(xù)可調(diào),采用信號發(fā)生器可調(diào)節(jié)半導體激光器輸出脈沖寬度和重復頻率,脈沖寬度從IOns到連續(xù)光任意可調(diào),參數(shù)設(shè)置方便4.本發(fā)明可以通過旋轉(zhuǎn)其中針對波長λ i或λ 2的λ /4波片測量任意偏振態(tài)(包括線偏振、圓偏振、橢圓偏振)激光作用下材料的光學非線性吸收系數(shù)和非線性折射率;在泵浦-探測時間分辨測量中也可以分別獨立地改變泵浦光和探測光的偏振態(tài),測量不同偏振態(tài)激光作用下的樣品的時間響應(yīng)特性,這對研究材料的非線性內(nèi)部機理十分重要5.裝置中針對波長λ^Ρ λ2的自由空間磁光隔離器,可有效消除光學元件及待測樣品表面反射光對激光器輸出穩(wěn)定性的影響,使得材料非線性光學參數(shù)測量更加準確可靠6.本發(fā)明可以同時進行透射開孔、透射閉孔和反射開孔測量,不僅適用于測量透明樣品,也適用于測量半透明的樣品(如半導體薄膜)的非線性吸收系數(shù)和非線性折射率7.本發(fā)明考慮了樣品反射對非線性測量的影響,針對不同樣品提出不同的數(shù)據(jù)處理方式,更加符合實際情況,改進了傳統(tǒng)Z掃描計算方法
圖I是本發(fā)明Z掃描光學非線性測量裝置的光路結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明Z掃描光學非線性測量裝置歸一化透射開孔實驗值與理論值。圖3是本發(fā)明Z掃描光學非線性測量裝置歸一化透射開孔和歸一化反射開孔的實驗值和理論擬合隨Z位置的變化關(guān)系?!?br>
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明做進一步說明,但不應(yīng)該以此限制本發(fā)明的保護范圍請先參閱圖1,圖I是本發(fā)明Z掃描光學非線性測量裝置和測量方法的光路結(jié)構(gòu)圖。從圖可見,本發(fā)明Z掃描光學非線性測量裝置包括輸出波長為X1的第一激光器和波長為λ2的第二激光器、光源參數(shù)調(diào)節(jié)部分、光隔離部分、偏振態(tài)調(diào)節(jié)部分、反射測量和透射測量等。沿所述第一激光器2輸出激光的主光路構(gòu)成的主光軸上依次分布有(從左至右)第一濾波小孔3、λ /2波片4、第一分束鏡5、工作波長λ 的光隔離器7、λ /4波片8、透射入i反射λ 2的雙色分光鏡9、擴束鏡17、聚焦透鏡18、非偏振分束棱鏡19、待測樣品20、第一雙凸透鏡22、第三分束鏡23、小孔24、第三光電探測器25 ;另外,第二激光器10輸出的波長為λ 2的激光經(jīng)第二濾波小孔11、λ /2波片12、第二分束鏡13、工作波長λ 2的光隔離器15、λ /4波片16、透射λ i反射λ 2的雙色分光鏡9反射到主光路上;所述的第一激光器2與雙色分光鏡9之間的距離和第二激光器10與雙色分光鏡9之間的距離近似相等;所述的第一分束鏡5和第二分束鏡13都與光路成45度角放置,分光比都為1:9,即只反射10%的入射光,反射光分別用第一光電探測器6和第二光電探測器14接收;所述透射λ i反射λ 2的雙色分光鏡9與主光路成45°放置,λ i透過率以及λ 2的反射率均能達到98% ; λ /2波片4和λ /4波片8對應(yīng)的波長為X1, λ/2波片12和λ /4波片16對應(yīng)的波長為λ 2 ;擴束鏡17、非偏振分束棱鏡19可工作于入1和入2兩波長;樣品臺21可沿Z軸正負方向移動,并由計算機30通過軟件控制;待測樣品20表面的反射光經(jīng)過非偏振分束棱鏡19反射,被第二雙凸透鏡26聚焦在第四光電探測器27 ;第三分束鏡23和非偏振分束棱鏡19的分光比均為I: I,被第三分束鏡23分出來的反射光進入第五光電探測器28 ;所有五個光電探測器6、14、25、27、28的輸出端均與數(shù)據(jù)采集器29相連,然后將信號傳輸給計算機30。兩個光源入1和λ 2之間能方便地來回切換,調(diào)節(jié)信號發(fā)生器I使得半導體激光器2和10輸出所需脈沖寬度和重復頻率的脈沖光,調(diào)節(jié)λ /2波片4和12改變?nèi)肷涞酱郎y樣品表面的激光功率。旋轉(zhuǎn)λ/4波片8和16以獲得特定偏振態(tài)(線偏振、圓偏振、橢圓偏振)的激光入射在樣品表面。第一探測器6和第二探測器14主要監(jiān)測激光器輸出功率的穩(wěn)定性,在光隔離器作用下探測到的數(shù)據(jù)曲線是一條近似平行于橫坐標的水平直線。這樣,可以判斷光學元件和待測樣品表面的反射光沒有進入激光器,可忽略其對非線性測量的影響,實驗數(shù)據(jù)準確可靠;第三探測器25、第四探測器27、第五探測器28探測透射閉孔、反射開孔和透射開孔信號。本實施例中,第一激光器波長λ iSeSSnm的紅光,第二激光器波長λ2*405ηπι的藍光,聚焦透鏡18的數(shù)值孔徑NA=O. 08。待測樣品為半導體薄膜材料,樣品厚度L = 30nm,測量其非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的具體操作步驟如下I.先按圖I調(diào)節(jié)好光路,啟動波長658nm激光器2,調(diào)節(jié)信號發(fā)生器I設(shè)置設(shè)置為連續(xù)光CW輸出,調(diào)節(jié)λ/2波片4至功率P1,功率由可移動光功率計測量,旋轉(zhuǎn)λ/4波片8調(diào)到線偏振態(tài);打開數(shù)據(jù)采集器29和所有光電探測器的電源,啟動計算機;2.將待測樣品20安裝在樣品臺21上,調(diào)節(jié)待測樣品位置使得樣品表面與主光軸垂直;定義聚焦透鏡18的焦點位置為ζ=0,設(shè)置樣品臺21的運動參數(shù),使得樣品運動范圍在-IOztl到+IOztl之間,且待測樣品的初始位置為-IOztl,其中Ztl是瑞利長度,z0=kw02/2,·W0=0.61 4為束腰半徑,k=2/ λ為波矢,對于658nm波長的激光,z0=120. 18um ;
NA3.打開計算機上的數(shù)據(jù)采集軟件,設(shè)置數(shù)據(jù)通道數(shù)為5個,采樣點數(shù)2500,同時啟動樣品控制臺運動和數(shù)據(jù)采集軟件開始采集信號;光電探測器將采集到的光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器29處理后傳輸給計算機30直觀的顯示在數(shù)據(jù)采集軟件界面,縱坐標是電壓信號,橫坐標對應(yīng)于Z軸位置;所述的第一光電探測器6、第三光電探測器25、第四光電探測器27和第五光電探測器28分別收集待測樣品20的功率監(jiān)測信號、透射閉孔數(shù)據(jù)Tc、反射開孔數(shù)據(jù)%和透射開孔數(shù)據(jù)Ttj ;4.觀察第一光電探測器6的功率監(jiān)測信號曲線,當該功率監(jiān)測信號曲線是一條近似平行于橫坐標的水平直線,則裝置的光學元件和待測樣品20表面的反射光已被所述的第一光隔離器7有效隔離,測量的實驗數(shù)據(jù)準確可靠,保存T。,R0, T0數(shù)據(jù)留待后續(xù)處理;否則需要重新調(diào)節(jié)光路和光隔離器7,重復2、3、4 ;5.調(diào)節(jié)第一 λ /2波片4改變?nèi)肷浼す夤β蕿镻2,重復步驟3和4,獲得待測樣品20在激光功率P2作用下的透射閉孔數(shù)據(jù)Τ。、反射開孔數(shù)據(jù)%和透射開孔數(shù)據(jù)Ty并保存;注意每次變換實驗條件時均要改變待測樣品20的激光作用點位置,并保持待測樣品20垂直于主光路;6.調(diào)節(jié)信號發(fā)生器I改變?nèi)肷浼す饷}沖參數(shù)(脈沖寬度和重復頻率),重復步驟
3、4、5,測量不同脈沖寬度及重復頻率的脈沖光作用下,待測樣品的透射閉孔、透射開孔和反射開孔數(shù)據(jù)并保存;7.旋轉(zhuǎn)λ/4波片8改變?nèi)肷浼す獾钠駪B(tài),使入射激光處于圓偏振或橢圓偏振,重復步驟3、4、5、6,測量不同偏振態(tài)的激光作用下待測樣品的透射閉孔、反射開孔和透射開孔數(shù)據(jù)并保存;8.把光源切換為波長405nm的激光器10,調(diào)節(jié)信號發(fā)生器設(shè)置為連續(xù)光CW輸出,旋轉(zhuǎn)λ /2波片12到所需入射功率,旋轉(zhuǎn)λ /4波片16到線偏振,調(diào)節(jié)待測樣品20垂直于主光軸,調(diào)節(jié)樣品到初始位置-IOztl,對于405nm激光,z0=73. 97um,重復步驟3、4、5、6、7,測量波長405nm激光作用下待測樣品20的光學非線性數(shù)據(jù)并保存;9.在405nm激光器光路上插入由兩個反射鏡和一個直角棱鏡組成的時間延遲器TD,第三分束鏡23換成雙色分光鏡,用信號發(fā)生器同時調(diào)制405nm激光器和658nm激光器的輸出脈寬,調(diào)節(jié)兩光束使其在樣品上的作用點重合,分別調(diào)節(jié)對應(yīng)λ /2波片改變兩激光強度,可以把658nm作為探測光,405nm作為泵浦光,也可反之;選定樣品在焦點位置(ζ =
O)以及閉孔測量時的峰和谷對應(yīng)的Z位置(ζ = ±0.858ζ。),移動時間延遲器TD中的直角棱鏡,做時間分辨掃描,得到不同時間延遲td下的透射開孔曲線Tc^td和透射閉孔峰谷差曲線ATp^td,進而可以計算出不同時間延遲td下的非線性吸收系數(shù)β和非線性折射率η2;值得注意的是因為聚焦透鏡對泵浦-探測光有微小色差,上面提到的焦點位置和峰、谷對應(yīng)的Z位置是針對探測光波長來說的,這三個位置可以在步驟3-8中確定;10.對測量數(shù)據(jù)進行處理根據(jù)第四光電探測器測量的反射開孔%數(shù)據(jù)曲線的不同變化規(guī)律,分下 列三種情況討論I)當?shù)谒墓怆娞綔y器測得的反射開孔%數(shù)據(jù)曲線隨橫坐標幾乎沒有變化,且縱坐標接近于零,即R=0,透明樣品(如CS2)對應(yīng)于這種情況;利用Sheikbahae等提出的公式擬合測量數(shù)據(jù),首先將透射開孔Tq數(shù)據(jù)做歸一化處理,將曲線所有縱坐標數(shù)值除以z = +IOz0或z = -IOztl處的縱坐標數(shù)值,這樣得到的曲線在焦點Z=O處出現(xiàn)峰或谷,且峰谷左右對稱,遠離焦點處透過率為I ;由歸一化透射開孔曲線焦點Z=O處的縱坐標值T(O),帶入下式計算得到待測樣品的非線性吸收系數(shù)β / = 2V2[l-7'(0)]/(/()/^.)[I]
2 P式中,Itl是軸上焦點處的激光強度,4 ~I,P是入射到樣品表面的激光功率,Leff
肩O
為待測樣品20的有效厚度,Leff = [1-exp (-Q0L)]/α0, %為待測樣品的線性吸收系數(shù)。然后,對透射閉孔Tc數(shù)據(jù)做歸一化處理得到TcnOT_,再除以上面得到的歸一化TtTS
獲得類似于sin或則cos函數(shù)形狀的曲線,取該曲線峰和谷的差值ΛΤρ_ν,帶入下式計算出
待測樣品的非線性折射率H2 :
ΔΓ_W2 = _二二 …P]
0.406(1 - Λ ) ' AV0Zvir式中,S是小孔24的透過率函數(shù),/W〗),ra,wa分別為小孔的半徑和光束截面半徑;2)當?shù)谒墓怆娞綔y器測得的反射開孔%數(shù)據(jù)曲線隨橫坐標基本沒有變化,但縱坐標明顯不為零,即R=const.,這種情況對應(yīng)半透明樣品;對于這種情況的數(shù)據(jù)處理和I)中完全相似,只需要考慮菲涅爾反射損耗;利用反射率已知的鋁膜,將R0的縱坐標值換算成絕對反射率R,用樣品內(nèi)的有效光強I/ = (I-R)Itl代替公式[I]和[2]中的Itl即可計算出非線性吸收系數(shù)β和非線性折射率112 ;3)當?shù)谒墓怆娞綔y器測得的反射開孔%數(shù)據(jù)曲線隨橫坐標有變化,在焦點處為一個峰或谷,即R=R(Z),一些半透明樣品或者不透明樣品對應(yīng)于這種情況;首先,和I)中一樣,對透射開孔Ttj和反射開孔%數(shù)據(jù)進行歸一化處理;再把歸一化后的Τ<Γ_和R<T_數(shù)據(jù)相加減去1,得到消除了非線性反射的歸一化透射曲線,由該曲線焦點Z=O處的縱坐標值Ττ_κ(0)帶入公式[I],可計算得出非線性吸收系數(shù)β ;此時需要注意,公式[I]中的I。必須用Z=O處對應(yīng)樣品內(nèi)的有效光強I。" = [1-R(0)]IQ代替,R(O)為z=0處待測樣品的絕對反射率;由非線性吸收系數(shù)β和下列公式計算出在ζ=0位置處,由于吸收系數(shù)的變化導致的消光系數(shù)變化Λ K
權(quán)利要求
1.一種用于透明樣品和半透明樣品非線性吸收系數(shù)和非線性折射率測量的Z掃描測量裝置,特征在于其構(gòu)成包括輸出波長為X1的第一激光器(2)和輸出波長為入2的第二激光器(10),沿所述的第一激光器(2)輸出激光的主光軸方向上依次是第一濾波小孔(3)、第一 λ/2波片(4)、第一分束鏡(5)、第一光隔離器(7)、第一 λ/4波片(8)、雙色分光鏡(9)、擴束鏡(17)、聚焦透鏡(18)、非偏振分束棱鏡(19)、待測樣品(20)、第一雙凸透鏡(22)、第三分束鏡(23)、小孔(24)和第三光電探測器(25);沿所述的第二激光器(10)輸出激光的前進方向依次是第二濾波小孔(11)、第二 λ/2波片(12)、第二分束鏡(13)、第二光隔離器(15)、第二 λ/4波片(16)和所述的雙色分光鏡(9),然后反射到主光路上;所述的第一分束鏡(5)和第二分束鏡(13)都與光路成45°角放置,反射光和透射光之比都為1:9,在所述的第一分束鏡(5)的反射光的光路上設(shè)置第一光電探測器(6),在所述的第二分束鏡(13)的光路上設(shè)置第二光電探測器(14);所述的第一激光器(2)與雙色分光鏡(9)之間的距離和第二激光器(10)與雙色分光鏡(9)之間的距離近似相等; 所述的雙色分光鏡(9)與主光路成45°角放置,對所述的第一激光器(2)輸出的波長為λ 一敫光的透過率為98%,對所述的第二激光器(10)輸出的波長為入2激光的反射率為98%;所述的第一 λ/2波片(4)和第一 λ/4波片(8)對應(yīng)的工作波長為A1,所述的第二入/2波片(12)和第二 λ/4波片(16)對應(yīng)的工作波長為λ 2 ;所述的擴束鏡(17)和非偏振分束棱鏡(19)可工作于入1和入2兩波長; 所述的待測樣品(20)固定在樣品控制臺(21)上,該樣品控制臺(21)在計算機(30)的控制下帶動待測樣品(20)沿平行于光軸的Z軸方向勻速移動; 所述的待測樣品(20)表面的反射光經(jīng)所述的非偏振分束棱鏡(19)反射后,被第二雙凸透鏡(26)聚焦在第四光電探測器(27); 所述的第三分束鏡(23)和非偏振分束棱鏡(19)的分光比均為I: I,被第三分束鏡(23)分出來的反射光進入第五光電探測器(28); 所述的第一光電探測器(6)、第二光電探測器(14)、第三光電探測器(25)、第四光電探測器(27)、第五光電探測器(28)的輸出端均通過數(shù)據(jù)采集器(29)與所述的計算機(30)相連;所述的第一激光器(2)和第二激光器(10)均由信號發(fā)生器(I)調(diào)制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的Z掃描光學非線性測量裝置,其特征在于所述的第一激光器(2)和第二激光器(10)均由5V電源適配器驅(qū)動,并由信號發(fā)生器(I)輸出的電壓信號進行調(diào)制,第一激光器(2)和第二激光器(10)發(fā)出的激光光束均為高斯光束,通過調(diào)節(jié)第一入/2波片(4)和第二 λ/2波片(12)使得激光功率從O到100%連續(xù)可調(diào),通過所述的信號發(fā)生器(I)的選擇控制,第一激光器(2)和第二激光器(10)輸出連續(xù)光或者脈沖寬度和重復頻率可調(diào)的脈沖光,最小脈寬可達10ns。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的Z掃描光學非線性測量裝置,其特征在于所述裝置和測量方法可以同時進行透射開孔、透射閉孔和反射開孔測量,不僅適用于測量透明樣品的光學非線性系數(shù),也適用于測量半透明樣品(如半導體薄膜)的非線性吸收系數(shù)和非線性折射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的Z掃描光學非線性測量裝置,其特征在于在第二激光器(10)到雙色分光鏡(9)之間的光路中插入由兩個反射鏡和一個直角棱鏡構(gòu)成的時間延遲器,直角棱鏡可以一維平移運動,第三分束鏡(23)換成和(9) 一樣的分離入1和λ 2的雙色分光鏡,調(diào)節(jié)入1和λ 2的相對強度,再旋轉(zhuǎn)第一 λ/4波片(8)和第二 λ/4波片(16)調(diào)節(jié)泵浦和探測光的偏振態(tài),并使其在樣品上的作用點重合,可測量不同偏振態(tài)下的雙色時間分辨Z掃描。
5.利用權(quán)利要求I所述的Z掃描測量裝置測量樣品光學非線性的方法,其特征在于包括下列步驟 ①打開輸出波長X1的第一激光器(2),調(diào)整光路,調(diào)節(jié)信號發(fā)生器(I)設(shè)置為連續(xù)光CW輸出,旋轉(zhuǎn)第一 λ/2波片(4)調(diào)節(jié)入射功率SP1,旋轉(zhuǎn)第一 λ/4波片(8)得到線偏振態(tài);打開數(shù)據(jù)采集器(29 )和所有光電探測器的電源,啟動計算機并打開計算機上的數(shù)據(jù)采集軟件,數(shù)據(jù)采集通道數(shù)設(shè)置為5個; ②將待測樣品(20)安裝在樣品控制臺(21)上,調(diào)節(jié)待測樣品(20)的位置使待測樣品(20)的表面與主光軸垂直;并將聚焦透鏡(18)的焦點處定義為ζ=0位置,設(shè)置樣品控制臺(21)的運動參數(shù),使得待測樣品的運動范圍從-IOztl到+IOztl,且待測樣品的初始位置為-IOztl ;其中Ztl是瑞利長度,z0=kw02/2,Wo=0.611為束腰半徑,k=2 31 / λ為波矢,λ為第一激光器輸出波長,NA為聚焦透鏡(18)的數(shù)值孔徑; ③在計算機界面上同時啟動數(shù)據(jù)采集和樣品控制臺運動,運動范圍從-IOzci到+IOztl,所述的第一光電探測器、第三光電探測器、第四光電探測器和第五光電探測器將采集到的光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器(29)處理后傳輸給計算機(30)并顯示在數(shù)據(jù)采集軟件界面,縱坐標是電壓信號,橫坐標為相應(yīng)的Z軸位置;所述的第一光電探測器(6)、第三光電探測器(25)、第四光電探測器(27)和第五光電探測器(28)分別收集待測樣品(20)的功率監(jiān)測信號、透射閉孔數(shù)據(jù)Τ。、反射開孔數(shù)據(jù)%和透射開孔數(shù)據(jù)Ttj ; ④觀察第一光電探測器(6)的功率監(jiān)測信號曲線,當該功率監(jiān)測信號曲線是一條近似平行于橫坐標的水平直線,則裝置的光學元件和待測樣品(20)表面的反射光已被所述的第一光隔離器(7)有效隔離,測量的實驗數(shù)據(jù)準確可靠,保存T。,R0, T0數(shù)據(jù)留待后續(xù)處理;否則需要重新調(diào)節(jié)光路和光隔離器(7),重復步驟②③④; ⑤調(diào)節(jié)第一λ /2波片(4)改變?nèi)肷浼す夤β蕿镻2,重復步驟③和④,獲得待測樣品(20)在激光功率P2作用下的透射閉孔數(shù)據(jù)Τ。、反射開孔數(shù)據(jù)%和透射開孔數(shù)據(jù)Ttj,并保存;重復步驟⑤,測量不同激光功率作用下待測樣品(20)的透射閉孔數(shù)據(jù)Τ。、反射開孔數(shù)據(jù)%和透射開孔數(shù)據(jù)Ttj,并分別保存;注意每次變換實驗條件時均要改變待測樣品(20)的激光作用點位置,并保持待測樣品(20)垂直于主光路; ⑥調(diào)節(jié)信號發(fā)生器(I)改變?nèi)肷浼す饷}沖參數(shù)(脈沖寬度和重復頻率),重復步驟③④⑤,獲得不同脈沖寬度及重復頻率的脈沖光作用下,待測樣品的透射閉孔數(shù)據(jù)Τ。、反射開孔數(shù)據(jù)%和透射開孔數(shù)據(jù)I,并分別保存; ⑦旋轉(zhuǎn)第一λ /4波片(8)改變?nèi)肷浼す獾钠駪B(tài),使入射激光處于圓偏振或橢圓偏振,重復步驟③④⑤⑥,測量不同偏振態(tài)激光作用下,待測樣品的透射閉孔數(shù)據(jù)Τ。、反射開孔數(shù)據(jù)%和透射開孔數(shù)據(jù)I,并分別保存; ⑧把光源切換為波長λ2的第二激光器(10),調(diào)節(jié)光路,調(diào)節(jié)信號發(fā)生器(I)設(shè)置為連續(xù)光CW輸出,旋轉(zhuǎn)第二 λ/2波片(12)到所需的入射功率,旋轉(zhuǎn)第二 λ/4波片(16)到線偏振態(tài),調(diào)節(jié)待測樣品(20)使其垂直于主光軸,類似于步驟②,待測樣品的初始位置為-IOztl,其中Ztl是相對于第二激光器波長λ 2的值,重復步驟③④⑤⑥⑦,測量波長λ2激光作用下待測樣品(20)的T。,R0, T0數(shù)據(jù)并保存; ⑨在第二激光器(10)所在分光路中插入由兩個反射鏡和一個直角棱鏡組成的時間延遲器TD,樣品后的第三分束鏡(23)換成雙色分光鏡,用信號發(fā)生器(I)同時調(diào)制波長A1第一激光器(2)和波長λ2第二激光器(10)的輸出脈寬,調(diào)節(jié)對應(yīng)λ/2波片分別改變兩束激光功率,調(diào)節(jié)兩光束使其在樣品上的作用點重合,可以把X1作為探測光,λ 2作為泵浦光,也可反之;把樣品移動到聚焦透鏡(18)的焦點位置(ζ = 0),移動時間延遲器TD中的直角棱鏡,做開孔時間分辨掃描;再把樣品移動到上面閉孔測量時峰和谷對應(yīng)的ζ位置(ζ =±0. 858Ζ(Ι),做閉孔時間分辨掃描;分別得到不同時間延遲、下的透射開孔數(shù)據(jù)Tc^td和不同時間延遲td的透射閉孔峰谷差數(shù)據(jù)Λ TpvId,進而計算出不同時間延遲td下的非線性吸收系數(shù)β ^td和非線性折射率n2、d ; ⑩數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理分下列三種情況 1)當?shù)谒墓怆娞綔y器測得的反射開孔%數(shù)據(jù)曲線隨橫坐標基本沒有變化,且縱坐標數(shù)值接近于零,即R=0,透明樣品(如CS2)對應(yīng)于這種情況; 利用Sheikbahae等提出的公式擬合測量數(shù)據(jù),首先將透射開孔數(shù)據(jù)Ttj做歸一化處理,即將曲線所有縱坐標數(shù)值除以ζ = +102(|或2 = -IOztl處的縱坐標數(shù)值,得到歸一化透射開孔曲線Τ?!?,該曲線在焦點Z=O處出現(xiàn)峰或谷,且峰谷左右對稱,遠離焦點處透過率為I ;將歸一化透射開孔曲線焦點z=0處的縱坐標值T(O),帶入下式[I]計算得到待測樣品(20)的非線性吸收系數(shù)β
全文摘要
一種Z掃描光學非線性測量裝置和測量方法,本發(fā)明可以實現(xiàn)兩個激光波長的測量,光源既可以是連續(xù)光,也可以是脈沖光,且脈沖寬度和重復頻率可調(diào);入射激光功率從0到100%連續(xù)可調(diào);裝置中的光隔離器能有效消除光學元件及待測樣品表面反射光對激光器的影響,使得測量結(jié)果準確可靠;旋轉(zhuǎn)λ/4波片可以測量線偏振、圓偏振、橢圓偏振態(tài)激光作用下樣品的非線性光學參數(shù);調(diào)節(jié)光路,改變兩束光的相對強度可以實現(xiàn)雙色時間分辨的非線性吸收和折射測量;調(diào)節(jié)泵浦光和探測光的偏振態(tài)可以測量不同偏振態(tài)激光作用下樣品的時間響應(yīng)特性;能夠同時測量透射開孔、透射閉孔和反射開孔數(shù)據(jù),不僅適用于測量透明樣品,也適用于測量半透明樣品。
文檔編號G01N21/41GK102937573SQ20121048721
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月26日
發(fā)明者蔡曉林, 魏勁松 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所