测量装置和测量方法
阅读说明：本技术 测量装置和测量方法 (Measuring device and measuring method ) 是由 储祥勇 宋瑛林 杨勇 于 2021-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于4f相位相干成像系统的非线性光学参数的测量装置,包括激光束调制系统,测量系统和分光镜,激光束调制系统与测量系统构成4f相位相干成像系统,测量装置还包括显微成像系统。激光束经所述分光镜后分别进入测量系统和显微成像系统,所述分光镜为透射-反射镜。通过设置显微成像系统观察待测样品,扩展了待测样品的尺寸范围。本发明还公开了一种测量方法。(The invention discloses a measuring device of nonlinear optical parameters based on a 4f phase coherent imaging system, which comprises a laser beam modulation system, a measuring system and a spectroscope, wherein the laser beam modulation system and the measuring system form the 4f phase coherent imaging system, and the measuring device also comprises a microscopic imaging system. And the laser beams respectively enter the measuring system and the microscopic imaging system after passing through the spectroscope, wherein the spectroscope is a transmission-reflection mirror. The sample to be detected is observed by arranging the microscopic imaging system, so that the size range of the sample to be detected is expanded. The invention also discloses a measuring method.)
技术领域
本发明涉及光学参数测量领域，具体地说，涉及非线性光学参数的测量装置和测量方法。
背景技术
光学非线性材料在光开关等光电子器件领域有着很大的应用前景，因此受到了广泛的研究。从无机材料、有机材料到半导体材料，从大尺寸材料到微小尺寸材料，各种各样的材料被应用于非线性光学研究当中。非线性光学发展至今，已经出现了十多种测量非线性折射率的方法，例如非线性干涉法、简并四波混频、自衍射、椭偏术、Z扫描等，这些方法都有各自的优缺点。
1996年，G.Boudebs等人首次提出了4F相位相干成像法来测量材料的光学非线性折射率(BOUDEBS.G,CHIS.M,BOURDIN.J.P.“Third&order susceptibility measurementsby nonlinear image processing”，J.Opt.Soc.Am.B,1996,13:1450-1456)，并于2004年引入了相位光阑从而完善了这一方法(BOUDEBS.G,CHERUKULAPPURATH.S.”Nonlinearoptical measurements usinga 4f coherent imagingsystem with phase objects”.Physical Review,2004,69(053813):1-6)。这种方法具有单脉冲测量、光路简单、无需样品移动等优点，但对被测材料样品的尺寸有一定的要求，无法确定材料样品测量的区域，也无法测量毫米级尺寸以下的材料。
发明内容
本发明提供了一种基于4f相位相干成像系统的非线性光学参数的测量装置，可以精确测量微-纳尺寸材料的非线性光学参数。
根据本发明所提供的测量装置，包括激光束调制系统，测量系统，和显微成像系统，激光束调制系统与测量系统构成4f相位相干成像系统，激光束经所述分光镜后分别进入测量系统和显微成像系统，所述分光镜为透射-反射镜。。
所述激光束经分光镜后分别进入测量系统和显微成像系统，所述分光镜为透射-反射镜，分光镜位于4f相位相干成像系统的傅里叶平面之后。
优选地，所述显微成像系统包括显微成像透镜组和成像元件，显微成像透镜组为可调节成像比例的显微成像透镜组，所述显微成像透镜组至少包含2个透镜。
优选地，所述4f相位相干测量装置傅里叶平面之前的部分为激光束调制系统，至少包括相位光阑和第一凸透镜，所述相位光阑到第一凸透镜的距离等于第一凸透镜的焦距。
优选地，所述测量系统至少包括第二透镜和数据记录元件，所述数据记录元件到第二凸透镜的距离等于第二凸透镜的焦距；所述成像元件和/或数据记录元件为CCD、LCoS、或DMD中的一种。
优选地，在所述激光束调制系统与所述分光镜之间还设置有反光镜。
优选地，所述4f相位相干测量装置傅里叶平面位置为载物平台，所述载物平台为三维可调节支架，调整精度为0.1微米，调整范围为0～20毫米，优选的，载物平台调整精度为10nm，调整范围为0～2毫米。
优选地，还包括一辅助调焦系统，辅助调焦系统包括照明光源，小孔及透反射镜，所述透反射镜设置在数据记录元件与第二凸透镜之间，小孔经透反射镜和第二凸透镜成像在所述4f相位相干成像系统的傅里叶平面位置上。
本发明还提供一种基于4f相位相干成像系统的非线性光学参数的测量方法，包括：
步骤a)，获取激光束参考信息，
步骤b)，获取待测样品调制后的激光束信息，
步骤c)，对激光束参考信息与待测样品调制后的激光束信息进行运算得到非线性光学参数。
优选地，所述步骤a)在步骤b)之前或之后。
优选地，所述测量系统至少包括第二凸透镜和数据记录元件。
优选地，所述步骤a)为未放置待测样品时，数据记录元件获取激光束参考信息，所述激光束参考信息为第一激光光斑
优选地，所述步骤b)为放置样品后，经显微成像系统选定合适位置后，数据记录元件获取待测样品调制后的激光束信息，所述待测样品调制后的激光束信息为第二激光光斑。
优选地，所述测量方法在步骤b)之前还包括步骤d)，放置样品，通过辅助调焦系统调整载物平台位置，使样品成像。
本发明在4f相位相干成像系统的基础增设了显微成像系统，可以通过显微成像系统观察待测样品可测试范围，以及激光束在待测样品上的光斑的动态过程，扩展了待测样品的尺寸范围，使得毫米以下乃至微米以下的样品的光学参数得到精确测量。由于可以观察到待测样品可测试范围，并可以选择光斑在待测样品上的位置，因此能够确保测试数据的准确性，极大的减小了测量误差。
附图说明
附图1为本发明一实施例的测量装置示意图；
附图2为本发明另一实施例的测量装置示意图；
附图3为本发明一实施例中相位光阑调制后激光束信息的光斑示意图；
附图4为本发明一实施例中待测样品调制后的激光束信息的光斑示意图；
附图5为本发明另一实施例的测量装置示意图。
其中：
1激光束；2相位光阑；3第一凸透镜；4反射镜；5载物平台；6分光镜；7第一显微透镜；8第二显微透镜；9成像元件；10第二凸透镜；11数据记录元件；12辅助调焦系统；12-1透反射镜；12-2小孔；12-3照明光源
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：
如图1所示，为本发明一实施例中基于4f相位相干成像系统的非线性光学参数的测量装置的示意图。测量装置包括相位光阑2，第一凸透镜3，载物平台5，透射-反射镜6，第一显微透镜7，第二显微透镜8，成像装置9，第二凸透镜10，数据记录元件11；第一凸透镜3和第二凸透镜10的焦距均为f，其中，相位光阑2与第一凸透镜3构成激光束调制系统；第二凸透镜10和数据记录元件11测量系统；第一显微透镜7和第二显微透镜8构成显微成像透镜组，显微成像透镜组和成像元件9构成显微成像系统，其中，显微成像透镜组的成像比例范围为1～0.1。成像元件9与数据记录元件11可分别为CCD、LCoS、或DMD中的一种，这里仅为示例，并不局限于此。
在本实施例中，激光束调制系统、测量系统共同构成4f相位相干成像系统，且4f所指为相位光阑2到第一凸透镜3光程为f，第一凸透镜3到载物平台5上的待测样品的光程为f，载物平台5上的待测样品到第二凸透镜10的光程为f，第二凸透镜10到数据记录元件11的光程为f。载物平台5位于4f相位相干成像系统的傅里叶平面上，载物平台5是三维可调节支架，调整精度为0.1微米，调整范围为0～20毫米，在其他实施例中，调整精度可根据需求调整为10nm或更小，调整范围为0～2毫米。激光束1在傅里叶平面后经透射-反射镜6分别进入测量系统和显微成像系统，透射-反射镜6的透射反射比为1：9。
在进行非线性光学参数的测量时，需获取激光束参考信息，获取待测样品调制后的激光束信息，通过对激光光束参考信息与待测样品调制后的激光束信息进行运算得到非线性光学参数。获取激光束参考信息的步骤可在获取待测样品调制后的激光束信息的步骤之前或之后。具体来说，获取激光束参考信息即在不放置待测样品的情况下，直接通过数据记录元件11记录经相位光阑2调制后的激光束信息的光斑；在载物台5上放置待测样品，通过成像元件9观察激光光斑在待测样品表面的位置，调节载物台5位置，从而使激光束打在待测样品合适的位置，数据记录元件11记录此时的待测样品调制后的激光束光斑，此时的激光束光斑记录了经历相关光阑2与待测样品的调制后的信息。在一实施例中，激光光束为650nm激光，脉宽190fs，激光能量为270nj，样品为ZnSe晶体，获得的激光参考信息的激光光斑可参考图3，获得的ZnSe晶体对激光光束调制后的激光光斑信息可参考图4，对图3和图4中激光束光斑信息进行运算，包括分别对图3和图4中的中心光斑和四周光斑进行数据处理，得到未经过ZnSe晶体和经过ZnSe晶体后打在数据记录元件11上的激光光斑的能量分布图，对比两个实验结果图，得到ZnSe晶体对激光光斑的调制结果，经过拟合即可得到ZnSe晶体的光学非线性折射系数的大小和符号。
如图2所示，为本发明另一实施例中测试装置的示意图。本实施例中与图1标号相同的为相同元件，与图1所示实施例不同之处在于，本实施例还包括反射镜4，反射镜4设置在第一凸透镜和载物平台5之间，本实施例中，激光束调制系统、反射镜4及测量系统共同构成4f相位相干成像系统。通过改变光轴方向，使测试装置的各部件位置更加紧凑，缩小了整个装置的尺寸。
如图5所示，为本发明另一实施例中测试装置的示意图。本实施例中与图2标号相同的为相同元件，与图2所示实施例不同之处在于，本实施例还包括辅助调焦系统12，所示辅助调焦系统12包括透反射镜12-1，小孔12-2及照明光源12-3，小孔12-2整体为黑色材料制成，中间设有小孔。所述透反射镜12-1设置在测量系统的光路上，具体的来说，透反射镜12-1设置在数据记录元件11与第二凸透镜10之间，小孔12-2设置在测量系统光路之外，且小孔12-2的位置相当于载物平台5测量时理论位置在显微成像系统中虚像位置。照明光源12-3照射小孔12-2，将小孔12-2经透反射镜12-1及第二透镜10成像在4f相位相干成像系统的傅里叶平面上。测试时，样品放置载物平台5上，将载物平台5移向小孔12-2所成像位置，此时载物平台5上的样品出现在显微成像系统的视野内，然后精细调节载物平台5位置，以达到理想成像效果，此时精确定位待测样品位置。
本发明在4f相位相干成像系统的基础增设了显微成像系统，可以通过显微成像系统观察待测样品可测试范围，以及激光束在待测样品上的光斑的动态过程，扩展了待测样品的尺寸范围，使得毫米以下乃至微米以下的样品的光学参数得到精确测量。由于可以观察到待测样品可测试范围，并可以选择光斑在待测样品上的位置，因此能够确保测试数据的准确性，极大的减小了测量误差。
以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即所有依本发明权利要求书及说明内容所作的简单的等效变化与修改，都仍属本发明专利覆盖的范围内。另外，本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要和发明名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。
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