实验十三材料非线性光学性能测试.docVIP

实验十三 材料非线性光学性能测试 一、实验目的 了解非线性光学效应的基本概念 掌握Maber条纹法测试材料非线性光学效应的基本原理 二、实验原理 所谓非线性光学效应是指，当强光通过介质时，波的线性叠加原理不在成立，这种强光光学效应便被称为非线性光学效应。非线性光学材料是指在强光作用下能产生非线性效应的一类光学介质。ε0xE，其中x称为极化系数（极化率），ε0称为真空介电常数。 理论和实验都证明，当E较小时，P＝ε0xE的关系与实验符合得很好，但当E很大时，P、E就偏离线性关系，而呈现出一种非线性关系P=f(E)。这种非线性关系一般无法用显函数形式表示出来，通常都把它们展成E的幂极数形式，即： P=ε0 (xE+xEE+xEEE+…)，其中x为原来的线性极化系数，x、x…均为非线性极化系数，称为二阶、三阶……非线性极化系数，分别对应于SHG等二阶非线性光学效应。 普通光是一种弱光，它所能提供的光波场强与原子内部场强相比很小，因此极化强度公式中除了第一项外，其余项可忽略，与此相应，如果采用量子理论，则把入射光视为极弱的微扰，而取一级近似就可以了。而激光与物质的相互作用，属于强光与物质的相互作用，激光所产生的光波场强可达到与原子内部场强相比拟的程度。此时电极化强度公式中的非线性项已不能忽略，必须视具体情况，保留至二次项或三次项。在采用量子理论处理时，一般均需考虑二阶以上的微扰。这些非线性项正是产生各种非线性光学现象的根源。 1962年，Maker等人在不能实现相位匹配的倍频效应实验中，发现倍频光强度随着样品转动而出现近于周期性的条纹，并称为Maker条纹。通过对这些条纹的分析，可以测定材料的非线性光学系数。1970年J.Jerphagnon和S.K.Kurtz重新推导了倍频光功率随转角(而变化的Maker公式，即 其中，R0表示激光束束斑大小；T((()和T2((()分别为基频光和倍频光的透射因子；R(()为反射修正因子；p (()为投影因子；(()为相干长度；(为入射角。连接(即P2(的诸峰值)的曲线就是Maker条纹的包迹，可以得到在(=0点是的包迹的最大值。如选石英晶体作为参考，则待测样品的非线性光学系数的相对值(其中表示石英晶体的非线性系数)为 其中 由此可见，只要测得Maker条纹包络极大值和相干长度，并将有关折射率，等代入式(3—12)式中，即可得到，从而求得值。 由于玻璃在宏观上各向同性，而具有反演对称中心的介质，偶阶非线性电极化率应为零,不具有二阶非线性极化率（ ＝0），即在理论上玻璃中是不会出现二阶非线性光学效应的, 因此在较长时间内被认为不会产生二阶非线性效应，只有压电和铁电晶体才会出现这种效应。1986年，Osterberg和Margulis在强激光诱导的掺Ge和P的石英单模光纤中首次发现了异乎寻常的倍频现象，加之玻璃具有在大部分波段透明、较好的化学稳定性和热稳定性、较高的光损伤阈值、较高的非线性光学系数、较快的光响应时间、易于成纤成膜、易于机械光学加工等优点，而使其作为一类新型的二阶非线性光学材料具有重要的学术价值和潜在的应用前景，受到研究者的普遍关注，掀起了国内外学者的研究热潮。目前主要有三种方法用以在玻璃中产生 SHG 效应激光诱导极化、电场/温度场极化法和电子束辐射极化。SHG：Second-harmonic Generation），SHG性能测试是在武汉理工大学大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室的非线性光学性能测试仪上进行测试的，实验装置如图所示。 光学二次谐波强度测试的设备框图，各数字所代表的仪器如下所示： 1. Nd:YAG激光器；2.滤波器；3.光阑；4.偏振片；5.样品台；6.棱镜；7.红外镜截止滤光片；9.透镜；10.532nm 单色仪；11.光电倍增管；12.样品旋转控制器；13.计算机；14: Boxcar 积分器 其中，Nd:YAG 脉冲激光器作为光源输出基频光，其输出的基频光波长为1064(m，脉冲宽度为10ns，光束直径为1mm。基频光作为入射光通过极化样品后，产生二次谐波，然后通过红外镜截止滤光片将基频光和倍频光分离开，以配有光电倍增器的单色仪探测谐波信号的大小，最后经过盒式激光光度计积分器，用记录仪自动记录。基频光入射角 ( 的大小范围为－50(～50(。入射基频光和最后探测到的倍频光的偏振方向均为p，即平行于入射面(由玻璃表面法线方向和基频光入射方向决定的一个平面)。另外，在如上所述同样条件下测定了石英晶片的SHG作为计算 材料的二阶非线性光学系数的参考标准。 (二) 非线性光学性能测试仪操作步骤 将样品置于样品室，接通激光器，Boxcar示波器电源。 启动激光器冷却水源，调整激光发射旋纽于合适位置，调整激光能