(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210698151.3 (22)申请日 2022.06.20 (71)申请人 中国科学院上海光学精密机 械研究 所 地址 201800 上海市嘉定区清河路390号 (72)发明人 王俊　王梓鑫　陈晨端　董宁宁　 (74)专利代理 机构 上海恒慧知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 31317 专利代理师 张宁展 (51)Int.Cl. G01N 21/01(2006.01) G01N 21/84(2006.01) (54)发明名称 一种测量材料非线性光学性质的系统及方 法 (57)摘要 本发明提供了一种测量材料非线性光学性 质的系统及方法， 其中， 测量方法是将 Z扫描技术 和共焦显微成像集成在一起， 采用显微物镜进行 激发光聚焦、 信号光收集、 样品表面形貌成像以 及光斑同步成像， 实现光斑大小的实时监测； 使 用三维精密 平移台控制样品位置， 可以实现对微 米级样品非线性光学性质的测量。 本发明方法可 以同步测量材料非线性吸收和非线性折射数据， 同时适用于均匀和非均匀、 宏观和微观样品的测 量， 解决了非均匀不规则小尺 寸样品非线性性质 测试难题， 扩 展了Z扫描技 术的应用及测试 范围。 权利要求书2页 说明书5页 附图1页 CN 115128002 A 2022.09.30 CN 115128002 A 1.一种测量材料非线性光学性质的系统， 其特征在于， 包括脉冲激光器、 沿所述脉冲激 光器的输出光束方向依 次设置的第一镀膜全反镜、 第二镀膜全反镜、 圆形金属膜中性密度 渐变滤光片、 第一小孔光阑、 第一分光平片、 第二分光平片、 聚焦物镜、 待测样品、 收集物镜、 第二小孔光阑、 第三分光平片、 第二中型密度滤光片和 第二探测器； 沿所述第一分光平片的 反射光方向依次设置有第一中性密度滤光片和 第一探测器， 沿所述第一分光平片的反射方 向的另一侧设置有照明光源氙灯； 沿所述第二分光平片的反射方向的另一侧设置有成像相 机； 沿所述第三分光平片的反射方向依 次设置有第三小孔光阑、 第三中性密度滤光片和第 三探测器； 还包括与所述第一探测器、 第二探测器和第三探测器 分别电连接的计算机； 所述 待测样品设置在三维精密平移台上， 所述三维精密平移台通过控制器与所述计算机电连 接； 所述成像相机与所述计算机电连接 。 2.根据权利要求1所述测量材料非线性光学性质的系统， 其特征在于， 所述圆形金属 膜 中性密度渐变滤光片设置在电动旋转台上， 所述电动旋转台通过控制器与所述计算机电连 接。 3.根据权利要求1所述测量材料非线性光学性质的系统， 其特征在于， 还包括与所述计 算机电连接的能量计和光束质量分析仪 。 4.根据权利要求1所述测量材料非线性光学性质的系统， 其特征在于， 所述第 一镀膜全 反镜、 第二镀膜全反镜、 第一分光平片、 第二分光平片、 第三分光平片与光轴夹角均为 45°。 5.根据权利要求1所述测量材料非线性光学性质的系统， 其特征在于， 所述第 一分光平 片对所述照明光源氙灯的分光比为5 0％。 6.一种基于权利要求1 ‑5任一所述系统测量材料非线性光学性质的方法， 其特征在于， 包括步骤： 打开脉冲激光器， 根据测量需要， 选择激光波长、 重复频率以及 初始能量； 通过调整第一镀膜全反镜和第二镀膜全反镜使激光方向经过等高度第一小孔光阑和 第二小孔光阑的中心； 调整所述收集物镜使其焦点和聚焦物镜的焦点重合， 同时保证所述 聚焦物镜和收集物镜的中心与主光路重合； 将能量计放置在聚焦物镜之后测量待测样品处 激光能量； 将所述 光束质量分析仪放置在聚焦物镜焦点处测量激光束腰半径w0； 将待测样品放置在样品架上， 调节待测样品使其表面与主光路垂直， 调节三维精密平 移台z轴使待测样品在成像相 机处形成清晰像， 调节三维精密平移台x轴和y轴找到测试目 标； 定义激光传播方向为z轴正方向， 聚焦物镜焦点位置为z＝0， 沿负方向移动待测 样品至 光斑边缘与待测样品边缘重合， 位置记为 ‑z0， 通过计算机设置所述电动旋转台的转动参 数， 包括初始角度θ0、 终止角度θ和转动 步长Δθ， 所述电动旋转台每转动一个角度θi对应一 个能量E1θi,其中， θi＝θ0+i*Δθ， i＝0,1,2, …,[( θ‑θ0)/Δθ]， E1θi随着θi的增大逐渐减小， 利用公式 和 计算得到 z1θ i， 所述第一探测 器、 第二探测器和第三探测器将探测到的能量信号输入到所述计算机中， 测 量完毕后电动 旋转台的角度重新回到初始角度 θ0； 通过计算机启动三维精密平移台， 设置z轴移动参数， 使待测样品移动范围在 ‑z0到z0之 间， 所述精密平移台z轴每移动一定距离zi， zi＝‑z0+i*Δz， i＝0,1,2, …,[2z0/Δz]， 所述权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115128002 A 2第一探测器、 第二探测器和第三探测器将探测到的能量信号输入到所述计算机中， 测量完 毕后所述精密平 移台使样品移动到 z0位置； 通过计算机设置所述电动旋转台的转动参数， 包括初始角度θ0、 终止角度θ和转动步长 Δθ， 所述电动旋转台每转动一个角度θi对应一个能量E2θi， 其中， θi＝θ0+i*Δθ， i＝0,1, 2,…,[( θ‑θ0)/Δθ ]， 利用公式 和 计算得到 E2θi， 所述第一探测器、 第二探测器和第三探测器将探测到的能量信号输入到所述计算机 中； 第一探测器得到的能量信号为参考光信号， 第 二探测器与第 一探测器的能量信号比值 为透射开孔信号， 第三探测器与透射开孔信号的比值为透射闭孔信号； 以上述步骤中记录 的z1θi、 zi、 z2θi为横坐标， 以所述透射开孔信号为纵坐标， 所绘曲线为待测样品的开孔非线 性透过率曲线Topen(z)， 即非线性吸收信号； 以移动距离zi为横坐标， 以所述透 射闭孔信号为 纵坐标， 所绘曲线为样品的闭孔非线性透过率曲线 Tclosed(z)， 即非线性 折射信号； 利用公式 x＝ z/z0， 对所述开孔非线性透过率曲线Topen(z)进行拟合， 得到待测样品的非线性 吸收系数β， 其中k为波数， L为待测样品厚度， α0为线性吸收系数， z0为瑞利长度， I0为焦点处 的轴上强度， w0为高斯光束的束腰半径； 利用公式 ΔΦ0 ＝k·Δn(0， 0)·Leff， 对所述闭孔非线性透过率曲线Tclosed(z) 进行拟合， 得到待测样品的非线性 折射率n2， 其中n0为线性折射率。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115128002 A 3