Техника Z-сканирования

Схема установки z-сканирования

В нелинейной оптике метод z-сканирования используется для измерения нелинейного индекса n ₂ ( керровская нелинейность) и коэффициента нелинейного поглощения Δα «закрытым» и «открытым» методами соответственно. Поскольку нелинейное поглощение может повлиять на измерение нелинейного показателя, открытый метод обычно используется в сочетании с закрытым методом для корректировки вычисленного значения. Для измерения действительной части нелинейного показателя преломления установка z-сканирования используется в ее форме с закрытой апертурой. В этой форме, поскольку нелинейный материал действует как слабая линза, зависящая от z, апертура дальнего поля позволяет обнаруживать небольшие искажения луча в исходном луче. Поскольку фокусирующая способность этой слабой нелинейной линзы зависит от нелинейного показателя преломления, ^[1]можно было бы извлечь его значение, анализируя зависящие от z данные, полученные детектором, и осторожно интерпретируя их с использованием соответствующей теории. ^[2]Для измерения мнимой части нелинейного показателя преломления или коэффициента нелинейного поглощения используется установка z-сканирования с открытой апертурой. При измерениях с открытой апертурой апертура в дальней зоне удаляется, и весь сигнал измеряется детектором. При измерении всего сигнала небольшие искажения луча становятся несущественными, а изменение сигнала в зависимости от z полностью связано с нелинейным поглощением. Несмотря на свою простоту, во многих случаях исходная теория z-сканирования не является полностью точной, т.е. когда нелинейный отклик среды на лазерное излучение нелокален в пространстве. Всякий раз, когда индуцированный лазером нелинейный отклик в определенной точке среды определяется не только его интенсивностью в этой точке, но также зависит от интенсивности лазера в окружающих областях,он будет называться нелокальным нелинейно-оптическим откликом. Обычно в нелинейность могут вносить вклад различные механизмы, некоторые из которых могут быть нелокальными. Например, когда нелинейная среда диспергирована внутри диэлектрического раствора, переориентация диполей (постоянных или индуцированных молекулярных диполей) в результате действия оптического поля нелокальна в пространстве и изменяет электрическое поле, испытываемое нелинейной средой. Теория нелокального z-сканирования,переориентация диполей (постоянных или индуцированных молекулярных диполей) в результате действия оптического поля нелокальна в пространстве и изменяет электрическое поле, испытываемое нелинейной средой. Теория нелокального z-сканирования,переориентация диполей (постоянных или индуцированных молекулярных диполей) в результате действия оптического поля нелокальна в пространстве и изменяет электрическое поле, испытываемое нелинейной средой. Теория нелокального z-сканирования,^[3] может использоваться для систематического анализа роли различных механизмов в создании нелокального нелинейного отклика различных материалов.

Z-сканирование с закрытой апертурой [ править ]

В этой установке имеется отверстие для предотвращения попадания света на детектор. Расположение оборудования показано на схеме. Линза фокусирует лазер в определенную точку, и после этой точки луч естественным образом расфокусируется. По прошествии некоторого расстояния помещается отверстие с детектором за ним. Апертура обеспечивает попадание в детектор только центральной области светового конуса. Обычно значения нормализованного коэффициента пропускания находятся между . ${\ Displaystyle 0,1 <S <0,5}$

Детектор теперь чувствителен к любой фокусировке или расфокусировке, которую может вызвать образец. Образец обычно помещается в точку фокусировки линзы, а затем перемещается по оси z, расстояние до которой определяется длиной Рэлея : ${\ displaystyle \ pm z_ {0}}$ ${\ displaystyle z_ {0}}$

${\ displaystyle z_ {0} = {\ frac {\ pi W_ {0} ^ {2}} {\ lambda}}}$

Приближение тонкого образца утверждает, что толщина образца должна быть меньше длины Рэлея. ${\ displaystyle L}$ ${\ displaystyle L <z_ {0}}$

Z-сканирование с открытой апертурой [ править ]

Этот метод аналогичен описанному выше, однако отверстие удалено или увеличено, чтобы весь свет попадал в детектор. По сути, это устанавливает нормированный коэффициент пропускания равным S = 1. Он используется для измерения коэффициента нелинейного поглощения Δα. Основная причина нелинейного поглощения связана с двухфотонным поглощением.

Техника двойного сканирования по оси Z [ править ]

При измерении нелинейных свойств молекул в растворе двухфотонное поглощение растворителя обычно невелико, и определение для растворенного вещества не представляет проблем. Однако это не относится к нелинейной рефракции (NLR). Как правило, NLR на молекулу растворителя намного меньше, чем у растворенного вещества, но большая плотность молекул растворителя дает большой чистый NLR, который может доминировать в сигнале из-за растворенного вещества. Кроме того, есть вклад в измеряемые значения из-за ячеек, используемых для хранения образцов. В случаях, когда ${\ displaystyle \ alpha _ {2}}$ ${\ displaystyle n_ {2}}$ ${\ displaystyle n_ {2}}$ растворенного вещества мало, могут возникнуть большие расхождения при сообщении о нелинейности растворенного вещества, поскольку NLR растворителя и клеток необходимо вычесть из этого раствора. Таким образом, определение нелинейностей растворенного вещества в областях, где NLR подобен или намного меньше, чем у растворителя или ячеек, было трудным. Точно так же эта проблема возникает для тонких пленок, нанесенных на подложку, где и пленка, и подложка демонстрируют двухфотонное поглощение и нелинейное преломление. Двухканальное Z-сканирование - это модифицированная версия обычного Z-сканирования, которая может решить эту проблему, одновременно измеряя и вычитая влияние растворителя (или субстрата) из исследуемого образца. ^[4] ^[5]

Затмевающее сканирование по оси Z [ править ]

Этот метод аналогичен методу закрытого z-сканирования, однако чувствительность системы увеличивается, если смотреть только на внешние края луча, блокируя центральную область. Это достигается заменой проема на диски, перекрывающие центральную часть луча. Метод получил свое название от способа, которым свет проходит вокруг диска к детектору, подобно затмению .

Еще одним усовершенствованием метода затменного z-сканирования является добавление линзы за апертурой, чтобы свет фокусировался на детекторе, это также может уменьшить потребность в более крупном детекторе.

Ссылки [ править ]

^ Р.Вазири, MRR (2015). "Комментарий к" Измерения нелинейной рефракции материалов с помощью муаровой дефлектометрии " ". Оптика Коммуникации . 357 : 200–201. Bibcode : 2015OptCo.357..200R . DOI : 10.1016 / j.optcom.2014.09.017 .
^ Шейк-Bahae, М (1990). «Чувствительное измерение оптических нелинейностей с использованием одного луча» (PDF) . Журнал IEEE по квантовой электронике . 26 (4): 760–769. Bibcode : 1990IJQE ... 26..760S . DOI : 10.1109 / 3.53394 .
^ Rashidian Р.Вазири, MR (2013). «Теория Z-сканирования для нелокальных нелинейных сред с одновременным нелинейным преломлением и нелинейным поглощением». Прикладная оптика . 52 (20): 4843–8. Bibcode : 2013ApOpt..52.4843R . DOI : 10,1364 / AO.52.004843 . PMID 23852196 .
^ Фердинандус, Мануэль Р. (2012). «Двухканальный метод Z-сканирования для извлечения нелинейностей разбавленных растворенных веществ из измерений раствора» . Оптические материалы Экспресс . 2 (12): 1776–1790. DOI : 10.1364 / OME.2.001776 .
^ Энсли, Трентон R (2019). «Нелинейные измерения преломления и поглощения тонких пленок методом двойного Z-сканирования» . Прикладная оптика . 58 (13): D28 – D33. DOI : 10,1364 / AO.58.000D28 . PMID 31044817 .

Внешние ссылки [ править ]

Z-сканирование измерений оптических нелинейностей
Резюме измерений Z-сканирования Рюдигера Пашотта

[1] Р.Вазири, MRR (2015). "Комментарий к" Измерения нелинейной рефракции материалов с помощью муаровой дефлектометрии " ". Оптика Коммуникации . 357 : 200–201. Bibcode : 2015OptCo.357..200R . DOI : 10.1016 / j.optcom.2014.09.017 .

[2] Шейк-Bahae, М (1990). «Чувствительное измерение оптических нелинейностей с использованием одного луча» (PDF) . Журнал IEEE по квантовой электронике . 26 (4): 760–769. Bibcode : 1990IJQE ... 26..760S . DOI : 10.1109 / 3.53394 .

[3] Rashidian Р.Вазири, MR (2013). «Теория Z-сканирования для нелокальных нелинейных сред с одновременным нелинейным преломлением и нелинейным поглощением». Прикладная оптика . 52 (20): 4843–8. Bibcode : 2013ApOpt..52.4843R . DOI : 10,1364 / AO.52.004843 . PMID 23852196 .

[4] Фердинандус, Мануэль Р. (2012). «Двухканальный метод Z-сканирования для извлечения нелинейностей разбавленных растворенных веществ из измерений раствора» . Оптические материалы Экспресс . 2 (12): 1776–1790. DOI : 10.1364 / OME.2.001776 .

[5] Энсли, Трентон R (2019). «Нелинейные измерения преломления и поглощения тонких пленок методом двойного Z-сканирования» . Прикладная оптика . 58 (13): D28 – D33. DOI : 10,1364 / AO.58.000D28 . PMID 31044817 .

[1]