基于衍射理论的Z扫描技术分析与数值模拟

以菲涅耳-基尔霍夫衍射理论为基础,对通过非线性介质的高斯光束传输行为进行理论分析,分别给出了强吸收、无吸收情况下开孔、闭孔Z扫描曲线公式;对不同条件下非线性介质的归一化透过率进行数值模拟计算,发现Z扫描曲线透射峰和透射谷表现出3种新的特性:随着入射激光峰值光强的增加,Z扫描曲线透射峰的高度受到抑制,而透射谷则加强变得更深;非线性相移的增加对Z扫描曲线透射峰和透射谷均有增高和加深的作用;激光束束腰半径越大,Z扫描曲线的峰谷特征越明显。     

GaN晶体在飞秒紫外波段激发下的可变非线性吸收效应和光动力学过程研究

采用Z扫描和泵浦-探测技术研究了GaN薄膜在370 nm时的非线性光学效应和非线性光动力学过程。首先,基于GaN薄膜的透射光谱,结合线性光学理论分析得到了其在370 nm的线性折射率n₀、线性吸收系数α₀、光学带隙E_g等线性光学性质。采用飞秒激光Z扫描技术,得到了不同光强激发下的Z扫描实验响应结果,结合非线性光学理论提取出GaN薄膜可变的光学非线性吸收效应。在激发光子能量接近GaN带隙情况下,低光强时材料表现为饱和吸收而高光强时为反饱和吸收,这是因为低光强下单光子吸收占主导而高光强下以单光子感应自由载流子吸收为主。闭孔Z扫描测量得到了GaN薄膜的三阶非线性折射系数为n₂=-(1.0±0.1)×10-3 cm2·GW-1,它几乎比传统非线性介质的高出一个数量级。为了探究上述非线性过程的动力学弛豫时间以及进一步探究GaN薄膜非线性光动力学过程的深层物理机制,采用了交叉偏振飞秒退相泵浦探测技术观察GaN薄膜的光激发载流子动力学弛豫过程。实验结果表明,在低光强下,饱和吸收效应来源于瞬态单光子吸收,高光强下单光子感应自由载流子吸收为非瞬态光动力学过程,其自由载流子弛豫时间约为17 ps。该工作将为GaN薄膜在紫外非线性纳米器件应用以及GaN薄膜非线性过程的机制分析理解提供新的思路。     

任意光束形状和介质厚度的Z扫描技术

利用分步傅里叶算法结合坐标变换理论,建立了在光致折射率改变介质中任意形状光束的传输、聚焦模拟方法,能够用于计算任意光束形状、任意介质厚度的Z扫描开孔和闭孔拟合曲线。在薄介质和高斯光束条件下,该方法的拟合曲线与经典算法相吻合。在平顶光束情况下,该方法的拟合结果与实验数据基本一致。利用此方法测量了LiTaO3晶体的非线性吸收和非线性折射率系数,并对高斯光束和涡旋光束在厚介质中的Z扫描过程进行了分析。     

克尔介质中瞬态热光非线性效应的作用

研究了介质中瞬态热光非线性效应对于克尔效应Z扫描测量结果的影响，观察到了Z扫描峰谷特性的转变，相应的数值模拟结果与实验结果很好地吻合.实验也发现，克尔效应和瞬态热光非线性效应相互抵消时Z扫描曲线呈现出新奇的单峰或平台状曲线.对于用纳秒脉冲激光进行的Z扫描测量结果的正确分析具有重要意义. 关键词： 瞬态热光非线性效应 克尔效应 Z扫描     

利用Z扫描技术确定非局域非线性介质的非线性折射率

采用高斯分解法,分析并讨论了非局域非线性介质的Z扫描特性.基于介质的非线性响应函数为高斯型,给出了用于确定非局域非线性介质的非线性折射率系数的透过率表达式,分析了非局域非线性介质的非局域程度对透过率曲线的影响,得到了计算非局域非线性介质的非线性折射率系数以及非局域程度的方法,讨论了由于非局域性条件所带来的对实验上的一些参数的调整,提出了测量介质非局域程度的可行的实验方法并说明了其他注意事项.同时还数值模拟了在介质的响应函数为双曲正割型情况下通过薄样品的远场Z扫描曲线,并与高斯响应情况下的结果进行了比较.     

基于衍射模型的Z扫描理论

以菲涅耳－基尔霍夫衍射理论为基础，建立了非线性光学介质对高斯光束的衍射模型，从一种新的角度解释了Z扫描现象，这种理论不仅在小非线性相移的情况下与传播Z扫描理论的结果完全一致，而且还适用于大非线性相移的情况。数值计算表明，随着非线性相移的增大，原来近似对称的Z扫描曲线发生畸变，谷的透过率被饱和抑制而峰的透过率被增强。通过开孔的光功率随着入射激光功率的增加会出现振荡衰减现象。     

大非线性相移下光学非线性Z扫描特性的研究

采用高斯分解法(GD)对大非线性相移下的Z扫描特性进行了分析,通过对数值算法的优化,将GD推广到对脉冲入射激光下大非线性相移下的Z扫描理论分析.对不同条件下大非线性相移Z扫描曲线峰谷结构的比较,发现在大非线性相移的情况下,Z扫描曲线的峰和谷随透过光阑或入射光强变化表现出某些新的特性.随着透过光阑孔径的增加,Z扫描曲线峰的变化要明显快于谷的变化,而且在谷明显存在的情况下,峰很快消失.采用皮秒脉冲激光下的纯二硫化碳实验对理论结果加以验证,实验结果和理论分析相一致.我们的分析结果对大非线性相移下Z扫描测量有一定的指导性意义,避免在大非线性相移下对Z扫描结果产生错误的分析.     

大非线性相移下光学非线性Z扫描特性的研究

采用高斯分解法(GD)对大非线性相移下的Z扫描特性进行了分析，通过对数值算法的优化，将GD推广到对脉冲入射激光下大非线性相移下的Z扫描理论分析.对不同条件下大非线性相移Z扫描曲线峰谷结构的比较，发现在大非线性相移的情况下，Z扫描曲线的峰和谷随透过光阑或入射光强变化表现出某些新的特性.随着透过光阑孔径的增加，Z扫描曲线峰的变化要明显快于谷的变化，而且在谷明显存在的情况下，峰很快消失.采用皮秒脉冲激光下的纯二硫化碳实验对理论结果加以验证，实验结果和理论分析相一致.我们的分析结果对大非线性相移下Z扫描测量有一定的指导性意义，避免在大非线性相移下对Z扫描结果产生错误的分析. 关键词： 大非线性相移 高斯分解法 Z扫描     

厚高阶光学非线性介质Z扫描的变分法分析

利用变分法对具有五阶光学非线性介质的Z扫描特性进行了研究。通过比较，发现当介质在具有较大的五阶非线性系数或较大光强的情况下，五阶非线性项的作用是不可忽略的。这对光限制器的设计和Z扫描实验都具有一定的指导意义。     

富勒烯衍生物中的自散焦、自聚焦及其相互转化

用Z扫描方法研究了富勒烯有机铬衍生物fac- and mer- [bis (1,2-diphenylphosphino) ethane] (tricarbonyl) (η²-fullerene-C₆₀) chromium的非线性折射特性;用速率方程理论分析了激发态光学非线性材料非线性折射行为,以及大光强下高阶激发态折射度如何引起材料自散焦-自聚焦相互转化.计算出了转变光强.并数值模拟了不同光强下Z扫描实验曲线的变化过程.理论计算与实验符合得较好. 关键词： 自散焦 自聚焦 富勒烯衍生物 Z扫描     

A precise data processing method for extracting χ from Z-scan technique

We present a precise data processing method, in the Z-scan experiments using a Gaussian beam and trimmed Airy beam, for directly extracting nonlinear refraction from the closed aperture Z-scan trace with the aid of the open aperture Z-scan trace when the materials exhibit nonlinear refraction and nonlinear absorption simultaneously. This method is still applicable when the nonlinear absorption is dominant and the closed aperture Z-scan curve degenerates into a single valley configuration, which is a salient advantage over other methods. In addition, we give gracefully empirical formulas with very high precision, which have good practicability for characterizing the optical nonlinearities of materials by use of the Gaussian beam and trimmed Airy beam Z-scan technique, respectively.     

Z-扫描技术与非线性光学材料性质的测量

介绍了Z-扫描技术的基本原理，以及Z-扫描技术在测量非线性光学介质的非线性折射率、非线性吸收系数和光学限制器等方面的应用，以细菌视紫红质(bR膜)、碘的酒精溶液和偶氮材料CN2为例，分别介绍了它们的测量结果，给出了提高Z-扫描灵敏度的改进方法，介绍了其发展装状况。     

基于单光束Z-scan技术的非线性测量技术的发展

介绍了由Sheik-Bahae等人提出的、用于测量材料三阶非线性的单光束Z-scan技术。该技术能同时测量材料的非线性折射和非线性吸收,并能给出非线性折射的符号。介绍了以该技术为基础并经改进的几种测量技术:遮挡Z-scan,I-scan和微分Z-scan。引出了近10年来新发展的相位4f相干成像技术,并对其基本原理进行了阐述,分析了其应用特点。该技术具有使用单脉冲进行测量,光路简单,测量灵敏度高,无样品移动等特点。     

强非线性吸收下高斯光束Z-扫描衍射理论模型

 摘要：在同时考虑非线性折射和非线性吸收的情况下，借助光的衍射理论，研究了Z-扫描技术的衍射理论模型，分析了非线性折射和非线性吸收同时存在时Z-扫描曲线的形状特征和变化规律。数值计算表明，非线性吸收相移和非线性折射相移的比值是影响接收小孔输出光功率的重要因素。要想得到好的光限幅效果，应选取非线性相移比值远小于1或远大于2的非线性材料。     

反饱和吸收激发态非线性材料的Z扫描分析

本文用速率方程理论分析了激发志光学非线性材料非线性吸收和折射,通过数值模拟讨论了激发态和基态吸收截面、折射度相互关系等参数对非线性吸收和折射性质的影响。并从理论上分析了C₆₀甲苯溶液的Z扫描实验曲线,它具有强非线性吸收和弱非线性折射。     

偶氮分散红聚合物薄膜的Z扫描研究

采用单光束Z扫描技术对新型光学存储材料偶氮分散红聚合物的薄膜样品进行了测量。实验结果表明 ,该样品的非线性折射率为负值。为消除非线性吸收的影响 ,将实验所得有孔Z扫描曲线除以开孔Z扫描曲线进行了处理。从Z扫描曲线的实验数据处理得到这种新型偶氮分散红聚合物薄膜材料的非线性折射率为 :- 5 .5× 10 -6cm2 /W ,其值比常见无机非线性光学材料大 8～ 9个数量级 ,是一种很有应用前景的新型光学存储材料。最后 ,对这种偶氮聚合物薄膜具有大的非线性折射率的物理机制进行了分析。初步认为 :在线偏振光照射下 ,偶氮分子变为各向异性。这些类似液晶相的分子很好地关联在一起 ,分子的取向对外界扰动的响应是一种集体的效果 ,所以他们具有很大的非线性响应。     

Z-扫描技术的灵敏度分析

单光束激光Z-扫描技术是利用光束的横向特性来研究材料的光学非线性的,其灵敏度的提高有助于测量微弱折射率变化。从入射光束、调制方式、光束检测等方面论述了Z-扫描技术的灵敏度。顶环光束入射相对于标准Z-扫描技术的高斯光束入射其灵敏度可提高2.5倍,但要求光源的输出能量达到一定值,仅适用于测定较小的非线性相移;在光路中插入调制元件后放大因子可达到780,但调节光路难以调节焦移效应。利用CCD作为探测器的TPDZ-扫描技术能够测量小于λ/15000的非线性相位畸变,CCD能够充分获得光束的横向信息,有望成为另一种测量光学非线性的常用方法。     

Investigation of astigmatic Gaussian beam Z scan with simultaneous third- and fifth-order nonlinear refraction

Based on Gaussian decomposition method, we present a theoretical investigation on the astigmatic Gaussian beam Z-scan when materials possess the simultaneous third- and fifth-order nonlinear refraction effects, and obtain an analytic expression of normalized transmittance of the Z-scan trace for the case of pinhole. The influences of ellipticity and waist separation on the Z-scan curves are analyzed. We find that normalized transmittance difference between the peak and the valley in Z-scan curves decreases gradually with the increment of the waist separation or with the decrement of the ellipticity.     

Nonlinear optical properties of polyaniline composite materials

The nonlinear optical properties of polyaniline composite materials (PANI/Au) were studied using the single-beam Z-scan technique.