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1、光学非线性实验讲义一实验目的1、了解光学非线性测量仪的基本原理2、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
2、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
3、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
4、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。光路 uO探删器 = 放大器 = A/D转换 一 计算机图32系统工作原,理框图3.2仪器基本结构图3-3位XGX-1型光学非线性测量仪的整机系统图囹3-3整机系统框图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
5、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。在运动过程中， 非线性光学性质将引起光束的汇聚或发散，从而引起透过闭孔接收器前小孔辐射量的变化。从前端光路进 入的光束，透过样品后穿过样品室进入后端光路。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
6、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。:探测器1 士 口 I
7、n三3.2.4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：侦Y =- 2 o Lff（1）式中l = 1 唧（以。乙）为样品的有效厚度，a为线性吸收系数，u为焦点处的光强，人为入射波长， fao04为光轴上的相移，v为设想的非线性吸收的相位。%为焦点处激光的束腰半径，样品则可以对于其光束衍射长度z=、=丫 l，l为样品的厚度，作为薄透镜近似，光轴上的相移有下式算出:TPVf式中|Ak ,
8、 ATpv为归一化透过率峰-谷值差，Mp V = Tp - T , f=0.406X （1-S）0.?5 S为光孔的P 2r2线性透过率，S二件=1-exp（- ）,P为通过孔的功率，P为入射功率，r为小孔的半径，为小 P 2 a0a0孔处的光束半径。由（1）式可以看出，中有类似|A4 |的形式，因而中可以由（2）式计算得到。开孔情形下n=n +yIatAn =p-f k Leff对于具有非线性吸收的材料，样品的吸收系数可以表示成a =a + P -1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:4A4 (Z / Z )T (Z) =01 + (Z / Z 0)29 +
9、 (Z / Z 0)2开孔扫描:T （Z） = 1- _q2、；21 + （ Z / Z2五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。.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
10、一最佳值，使其增益最大，而噪声最小。.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125p m和50p m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）.汪意事项确保仪器在使用环境下运行：1. 环境温度 20 5 C2. 环境湿度 65%3. 无强振动源、无强电磁场干扰。4. 室内保持清洁、无腐蚀性气体。5. 仪器不可长时间受阳光照射。6. 室内装有地线，保证仪器接地良好。7. 在使用过程中，不能擅自对仪器加以调整更不可拆卸其中的零件，尤其是光学镜面，不能随意擦拭。
