一种提高薄膜态材料非线性光学系数测量精度的方法

摘要

本发明公开了一种提高薄膜态材料非线性光学系数测量精度的方法，通过选用厚度超薄、非线性光学系数超低的材料作为薄膜元件的基底，并应用双臂Z扫描技术同时测量包含基底的薄膜器件和裸基底的非线性信号，由于基底的非线性响应很小甚至可以忽略，薄膜态材料的非线性信号在薄膜与基底的总信号中占有主导地位，由此提高Z扫描技术在薄膜态材料非线性光学系数测量过程中的测量精度。

权利要求

1.一种提高薄膜态材料非线性光学系数测量精度的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1.薄膜元件的基底的选择：采用基底的厚度≤0.1mm，且基底的非线性光学系数小于薄膜材料的非线性光学系数；

步骤2.通过双臂Z扫描技术测量包含基底的薄膜元件和裸基底的非线性信号，具体是：步骤2.1.用Z扫描装置测量基底的非线性信号，改变入射激光能量，观察不同能量下基底的透射信号，并标定基底开始显现出非线性信号所对应的能量，即能量A，当入射能量低于能量A时，该基底无非线性信号产生；

步骤2.2.用Z扫描装置测量薄膜样品的非线性信号，改变入射激光能量，观察不同能量下薄膜样品的透过信号，标定在某一能量范围内，即能量B1～能量B2，该薄膜材料的非线性信号明显出现；

步骤2.3.比较能量B2与能量A的大小：若能量B2小于能量A，则表示在该薄膜样品的测试过程中，此基底的非线性响应近似于无，即步骤2.2获得了薄膜材料的非线性信号；

若能量B2大于或等于能量A，则表示在该薄膜样品的测试过程中，此基底的非线性响应已经产生，应用双臂Z扫描技术则消除基底的影响，获得薄膜态材料对应的非线性信号；

步骤2.4.利用公式(1)对薄膜非线性吸收信号进行拟合，得到双光子吸收系数β；利用公式(2)对薄膜非线性折射信号进行拟合，得到非线性折射率系数n2：其中I00为焦点处激光能量密度，Leff为薄膜有效厚度，z0为共焦参数。

2.如权利要求1所述提高薄膜态材料非线性光学系数测量精度的方法，其特征在于，所述双臂Z扫描测试过程中两臂的基底具有相同的厚度和光学常数。

3.如权利要求1或2所述提高薄膜态材料非线性光学系数测量精度的方法，其特征在于，所述基底材料为MgF2或GaF2。

4.如权利要求1或2所述提高薄膜态材料非线性光学系数测量精度的方法，其特征在于，所述薄膜态材料为ZnSe、ZnO、HfO2、SiO2或Al2O3。

说明书

一种提高薄膜态材料非线性光学系数测量精度的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及非线性光学、材料学、光电子学的交叉学科技术领域，具体涉及薄膜态材料非线性光学系数的测定方法。

背景技术

[0002] 自1960年激光被发明以来，非线性光学迅速发展，人们对材料的非线性光学特性的关注度也越来越高。测定材料非线性光学系数的技术方法主要有三次谐波法，非线性干
涉法、简并四次谐波法，以及Z扫描法等。

[0003] 在1989年，M.Sheik‑bahae课题组首次报道了Z扫描法，由于其简便性和高灵敏度，Z扫描技术被广泛应用于材料的非线性特性表征实验中。2019年，该课题组首次提出了薄膜
态材料非线性光学系数测试方法——利用双臂Z扫描技术去除了基底的非线性信号，仅留
下薄膜的非线性信号，从而实现了薄膜态材料非线性光学系数的测定。

[0004] 双臂Z扫描技术测定薄膜态材料非线性光学系数的关键在于薄膜基底的薄膜器件的非线性信号与裸基底的非线性信号有一定分辨度。在已报道的研究【Appl.Opt.58(13):
D28(2019)】中，通过应用双臂Z扫描技术，实现了对镀制在1mm石英基底上的3μmZnO薄膜的
非线性系数测定。在该研究中，通过两臂信号对比，分离出了薄膜材料的非线性信号，然而
裸基底的非线性信号过大，使得两臂信号十分接近，这一现象对最终薄膜材料的测量精度
存有一定影响。另外，对于如SiO2等低非线性系数薄膜材料，通常情况下由于薄膜材料与基
底的物理厚度相差较大，或者二者的非线性系数相近，使得薄膜元件与裸基底二者的非线
性信号强度过于接近甚至重叠，从而无法保证测量结果的精确性。因此针对于薄膜态材料，
除了应用双臂Z扫描技术之外，还应该选用合适的基底厚度、材料类型，有效提升测量精度。

发明内容

[0005] 本发明提出了一种提高薄膜态材料非线性光学系数测量精度的方法，通过选用厚度超薄、非线性光学系数超低的材料作为薄膜元件的基底，并结合双臂Z扫描技术同时测量
包含基底的薄膜元件和裸基底的非线性信号，由于基底的非线性响应很小甚至可以忽略，
使得薄膜态材料的非线性信号在薄膜器件中的总信号中占有主导地位，实现提高测量精度
的目的。

[0006] 本发明的技术解决方案：

[0007] 一种提高薄膜态材料非线性光学系数测量精度的方法，选用厚度超薄、非线性光学系数超低的材料作为薄膜元件的基底，并应用双臂Z扫描技术同时测量包含基底的薄膜
元件和裸基底的非线性信号，由于基底的非线性响应很小甚至可以忽略，从而抑制基底非
线性效应对薄膜态材料非线性系数测量的影响，提升测量精度。

[0008] 所述双臂Z扫描测试过程中两臂的基底材料具有相同厚度和光学非线性系数。

[0009] 所述基底的厚度≤0.1mm。

[0010] 所述基底的非线性光学系数小于薄膜材料的非线性光学系数。

[0011] 所述基底材料为MgF2、GaF2等。

[0012] 所述薄膜态材料为ZnSe、ZnO、HfO2、SiO2、Al2O3等。

[0013] 测量步骤如下：

[0014] 步骤一：用Z扫描装置测量基底的非线性信号，改变入射激光能量，观察不同能量下基底的透射信号，并标定基底开始显现出非线性信号所对应的能量(能量A)。当入射能量
低于能量A时，该基底无非线性信号产生。

[0015] 步骤二：用Z扫描装置测量薄膜样品的非线性信号，改变入射激光能量，观察不同能量下薄膜样品的透过信号，标定在某一能量范围内(能量B1～能量B2)该薄膜材料的非线
性信号明显出现。

[0016] 步骤三：比较能量B2与能量A的大小，若能量B2小于能量A，则表示在该薄膜样品的测试过程中，此基底的非线性响应近似于无，可以直接忽略其影响，由步骤二直接获得了薄
膜材料的非线性信号。

[0017] 步骤四：若能量B2大于或等于能量A，则表示在该薄膜样品的测试过程中，此基底的非线性响应已经产生。由于应用了厚度超薄、非线性光学系数超低的材料作为薄膜的基
底，薄膜材料的非线性信号仍然在薄膜和基底的总信号中占主导地位，应用双臂Z扫描技术
则可以消除基底的影响，获得薄膜态材料对应的非线性信号。

[0018] 步骤五：利用公式(1)对薄膜非线性吸收信号进行拟合，得到双光子吸收系数β；利用公式(2)对薄膜非线性折射信号进行拟合，得到非线性折射率系数n2：

[0019]

[0020]

[0021] 其中I00为焦点处激光能量密度，Leff为薄膜有效厚度，z0为共焦参数。

[0022] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

[0023] 通过选用厚度超薄、非线性光学系数超低的材料作为薄膜元件的基底，使得在双臂Z扫描实验过程中，基底的非线性响应很小甚至可以忽略，从而抑制基底非线性效应对薄
膜态材料非线性系数测量的影响，实现提高测量精度的目的。

附图说明

[0024] 图1为基底与薄膜态材料示意图

[0025] 图2为双臂Z扫描示意图

[0026] 图3为入射能量为1.8μJ，50μmMgF2空白基底归一化透过率曲线图

[0027] 图4为入射能量为1.3μJ，200nmSiO2薄膜态材料归一化透过率曲线图

具体实施方式

[0028] 下面结合附图对本发明具体实例进行详细说明。

[0029] 本实施例选用基底材料为50μmMgF2基底，薄膜材料为SiO2。运用电子束蒸发技术将200nmSiO2薄膜镀制在50μmMgF2基底上，如图1所示。

[0030] 运用Z扫描技术测试薄膜材料的非线性光学系数，图2为双臂Z扫描装置示意图。其中入射激光为飞秒脉冲激光，波长为515nm，脉宽为230fs，脉冲重复频率为1kHz，聚焦前束
腰半径为4mm，凸透镜焦距为150mm。

[0031] 下面以薄膜材料双光子系数测定为例，测量200nmSiO2薄膜的非线性信号：

[0032] 1.测定50μmMgF2空白基底发生非线性吸收效应的能量范围，如图3所示，当入射单脉冲能量为1.8μJ时，基底材料的归一化透过率近似为一条直线。因此，可以判定，当入射能
量＜1.8μJ时，基底材料基本无非线性信号，可以忽略其对薄膜态材料测量的影响。

[0033] 2.测量200nmSiO2薄膜样品的非线性信号。当入射能量为1.3μJ时，其归一化透过率曲线如图4所示。

[0034] 3.由于步骤2中测试的能量远小于基底产生非线性响应的能量范围，因此在该能量下可以忽略基底的影响，直接获得了薄膜材料的非线性信号，即图4所示。

[0035] 4.利用公式 (Leff为薄膜有效厚度，z0为共焦参数)，当能量3 2
密度I00为1.64×10GW/cm时，拟合得到SiO2薄膜的双光子吸收系数为1.64cm/GW。

[0036] 本发明对于薄膜态材料非线性系数的测量有重要意义，有助于推动薄膜态材料在非线性光学领域中的应用。

[0037] 以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。