Измерения нелинейно-оптических свойств оптически прозрачных материалов методом z-сканирования

Внедрение: 2012 г.

В подробном отчёте о проведённой НИР от коллектива авторов из Казанского федерального университета [1] мы находим описание применения АЦП E20‑10 в экспериментальной установке для измерения нелинейно-оптических свойств оптически прозрачных материалов методом z‑сканирования. 

В методе z‑сканирования измерение нелинейного коэффициента преломления среды проводится при ограниченной апертуре в дальней зоне, используя сфокусированный линзой гауссов пучок (рисунок 1). В эксперименте измеряется зависимость энергии лазерного излучения, прошедшего через диафрагму, от положения образца относительно фокуса линзы. Величина и знак зависимости нормированного пропускания (отношение сигнала с фотодиода 1 к сигналу с фотодиода 2) в зависимости от положения образца относительно фокуса линзы определяются величиной и знаком нелинейного показателя преломления. Если для коэффициента нормированного пропускания наблюдается следующая последовательность: предфокальный максимум (пик) следует за постфокальным минимумом (впадина), – то это говорит об отрицательном знаке нелинейного преломления. Положительной величине соответствует противоположная последовательность: впадина-пик.

Рисунок 1. Схема установки для измерения нелинейно-оптических коэффициентов методом z‑сканирования.

В экспериментальной установке (рисунок 2) для исследования нелинейно-оптических эффектов методом z‑сканирования в качестве источника света используются лазеры, работающие в режиме модуляции добротности или режиме синхронизации мод, что позволят проводить измерения нелинейных эффектов при различной длительности зондирующего излучения.

Пиковая мощность лазерного излучения должна быть достаточно большой, что существенно облегчает проведение измерений, поскольку измеряемые величины имеют сильную нелинейную зависимость от мощности зондирующего излучения. Средняя мощность лазерного излучения должна быть достаточно мала, чтобы не допускать нагрев образца.

Для корректной обработки полученных результатов и определения нелинейных коэффициентов необходимо, чтобы лазер работал на основной поперечной моде TEM_00q . В этом случае лазерное излучение можно рассматривать как гауссов пучок с известным распределением интенсивности излучения в любой плоскости, после фокусирующей линзы.

Рисунок 2. Блок-схема установки для измерения нелинейно-оптических характеристик методом z‑сканирования.

В качестве источника зондирующего излучения был использован промышленный лазер LQ 129 фирмы SolarLS. Для оптимальной настройки задающего генератора и измерения пространственных характеристик излучения лазера на красителе использовалась камера на базе ПЗС‑матрицы с USB‑интерфейсом Ophir SP620U.

Длительность лазерных импульсов измерялась при помощи быстродействующего фотодетектора DET10A/M. Выходная энергия лазера на красителе и энергия лазерного излучения, падающего на исследуемый образец, измерялись пироэлектрическим измерителем лазерной энергии РЕ9 фирмы Ophir. 

Для фокусировки лазерного излучения в установке использовалась линза с фокусным расстоянием 18 см (на длине волны 532 нм).

Образец располагается на трансляторе с шаговым двигателем (см. рисунок 2). Модуль управления шаговым двигателем по интерфейсу USB контролируется компьютером. Величина одного шага двигателя составляет ~2 мкм для полношагового режима. 

В качестве фотодетекторов в установке использовались фотодиоды BPW20RF, обладающие повышенной линейностью. Часть падающего на образец света направляется на фотодиод 2 с помощью делителя. Делитель представляет собой толстую стеклянную пластину. Необходимость применения этого фотодиода обусловлена нестабильностью энергии импульсов лазера. Интенсивность света, прошедшего через образец, измеряется фотодиодом 1.

Сигналы с фотодиодов 1 и 2 оцифровываются с помощью 14‑битного АЦП L‑Card E20‑10. Запуск измерений АЦП осуществляется сигналом синхронизации, формируемым в момент открывания электрооптического затвора лазера накачки LQ 129. Применение 14‑битного АЦП существенно расширило диапазон линейности измерений, и, соответственно, повысило точность определения нелинейно-оптических коэффициентов. Для уменьшения погрешности измерений нормировка сигнала с фотодиода 1 на сигнал с фотодиода 2 осуществляется в каждом лазерном импульсе, далее происходит накопление и усреднение полученных результатов. Применение быстродействующего АЦП позволяет обрабатывать сигналы с частотой следования лазерных импульсов до 100 Гц. Если в измерительном тракте диафрагма не установлена (установка настроена на измерение нелинейного поглощения), то при нормировке и усреднении по 1000 импульсам разброс нормированного пропускания не превышает ±0,2 %.

Для проведения экспериментов и обработки полученных данных была написана программа в среде LabView (рисунок 3).

Рисунок 3. Окно программы измерений, вкладка «среднее».

В результате проведенных работ создана экспериментальная установка для измерения нелинейного поглощения и нелинейной рефракции оптически прозрачных образцов методом z‑сканирования. Данная установка в настоящее время используется для проведения исследований нелинейно-оптических свойств различных композитных материалов с металлическими наночастицами. Также на данной установке выполняются лабораторные работы магистрантами Казанского федерального университета, обучающимися по направлению «Квантовая радиофизика». Для выполнения лабораторных работ подготовлено учебно-методическое пособие «Исследование нелинейного поглощения кварцевого стекла с наночастицами меди методом z‑сканирования».

Источник:
Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009‑2013 годы по теме: «Синтез и исследование физических свойств перспективных материалов для электроники на основе металлических и полупроводниковых наночастиц» государственного контракта от 24 апреля 2010 г. № 02.740.11.0797. – Казань. – 2012. – 88 с.

Разработчик: ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет»