（物理电子学专业论文）激光z扫描自动检测系统的设计.pdf

丝壅窑堡厶堂亟 上竺丝迨塞生童擅塞 中文摘要 1 9 8 9 年s h e i k b a h a e 等人提出了单光束z 扫描技术，由于该测试技术具有装 置简单，单光束测量、灵敏度高、结果易于分析等特点，冈此该方法一经提出便 受到广泛犬注。现在z 扫描技术已经发展成为测量非线性光学特性的一种重要手 段。 我们首先对单光束z 扫描技术及其原理进行了简单的介绍。于以前在研究 和测帚光学材料非线性光学特性时存在许多弊端，所以并在该原理的基础上开发 了一套激光z 扫描自动检测系统。该系统主要包括石史件和软件两人部分。硬件包 括光路部分和电路部分，任务主要完成电路部分。电路系统由卜位机p c 机和下位 机单片机a t 8 9 s 5 2 两层控制单元组成，包括步进电机、驱动电路、单片机控制电 路、串口通信电路、数据采集卡、p c 机等。电路设计使t j 了软件p r o t e l9 9 。软 件部分土要使用了开发软件k e i lc 5 1 和v i s u a lc + + 6 0 ，分别对单片机系统和p c 机主控系统进行了软件设计，主要完成步进电机的状态控名4 ，串口通信，指令编 码和传输、数据采集和处理、数据存储和图形显不等功能。 完成软硬件设计的基础上，我们对该系统进行了功能测试和验证，同时对系 统的搭建、测试方法和结果进行了阐述。最后对测试结果进行分析，得出结论： 该系统基本满足了设计任务提出的指标，初步实现了系统的基本功能，能够完成 非线性光学树料的基本测试，进而对z 扫描技术进行了验证。 关键词：z 一扫描检测系统；单片机；p c 机 分类号：t p 2 1 6 + 1 韭塞窑适厶宝亟主丝监塞曼s ! 基! a b s t r a c t s h e kb a h a ci n t r o d u c e dah i 曲s e n s i t j v es i n g l e - b e a r nz - s c a nt c c h n i q u ej nl9 8 9 1 t r e q u i 他s 佗l a t i v e l ys i m p l ee x p e r i m e m a la p p a r a t i l sa n ds i m p l e 锄a l y s i s z s c a nt e c h n i q u e h a sb c 朋w i d e l ye m p l o y e ds i n c ej “s 他p o m d n o w ，i th a sb e c o m e 鲫i m p o r t a n tm e t h o d u s e di ns t l u d y i n gt h en o n l i n e a ro p t i c a lc h a r a c t e r s t l c s w ed e s 州b es i m p i yt h es i n g l e b e 锄z - s c a nt e c h n i q u e 硼dm e t h o d b e c a u s et h e r e a r es o m ea b u s e sw h e nw es t u d i e d 柚dd e t c c t e dn o n l i n e a ro p t i c a ip r o p e r t i e so fm a t c “a l s p r e v i o u s i y ，w ed e s i g nal a s e rz - s c 彻a u t o m a t i cd e t e c t i o ns y s t 锄o n 廿l eb a s eo ft h e s i n g l e - b c a l l lz s c a nm e t h o d t 1 1 eh a r d w a r ca n dt h es o 仃w a a r ci n c l u d c d nt h ez s c a n d e 6 e c t i o ns ) r s t e t n t h eh a r d w a r eh a s8o p t i c a lp a r ta n dac i 邝u i tp 矾o u rm i s s i o ni st h e d e s i g no f ac r c u i tp a r tm a i n l y t h e r ea r et w oc o n t r o lu n i t s ， ap e r s o na lc o m p u t e ra n da s i n g i e - c h i pm i c r o c o m p u t e r ，i n c i u d i n gs t e p p i n gm o t o r 、d r i v ec i r c u i t 、s i n g i e c h i p m j c r o c o m p u t e rc o n t r o lc i r c u i t 、s e r i a ic o m m u n i c a t i o nc i r c u i t 、d a t aa c q u i s i t i o nc a r d 、 p e r s o n a lc o m p u t e r i nt h ec i r c u i ts y s t e m i nc i r c u i td e s i g n ，w eu s et h ed e s 谵ns o 觚a r eo f p r o t e i9 9 m o r e o v w cu s em a i n i yt i l ed e v e l o pt o o l so f k e i lc 5l 锄dv i s u a ic + + 6 oi n t l l ed e s i g no ft l l ep e r s o n a lc o m p u t c ra 1 1 ds i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t c i s y s t e ms o f h v a r e 1 t i su s e dt or e a l i z et h ef u n c t i o n ss u c ha st h es t a l ec o n t r o io fs t c p p i n gm o t o r 、s e r j a l c o m m u n i c a t i o n 、i n 蛐n j c d o n sc o d i n g 孤dt 啪s f 打s 、d a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ，d a t a a c c e s s i n g 卸dg r a p h i c sd i s p l a y b a s c do na c h i e v i n gt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f w a r c ，w et e s t 柏dv a l i d a t et h e w h o l e 如n c t i o no ft h ed c t e c ts y g t e m nt h es a m et i m e ，w ed e s c r i b et h em e t h o do f b u i i d i n gt h es y s t e m 、t h ew a yo f t e s t i n ga n dt h ei a s tr e s u l t f i n a l l y ，w ea n a l y s e st i i e 陀s u i t o ft e s t i n g 卸dd m wac o n c l u s i o n ：w eh a v ec o m p l e t e dm ed e s i g nm i s s i o na n dm e e tt h e t a 曙e t ：t h es y s t e mh 髂r e a i l z e dt h ef u n c t i o nb a s i c a l l y 卸df i n i s h e dt h en o m a lt c s t i n go f n o n l i n e a ro p t i c a lm a t e r i a i s m o r e o v e r w eh a v ev a i i d a t e dt h es i n 圳e b e 锄2 一s c a n t e c h n i a u ea n df n e t l l o d k e y w o i t d s ：s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r ；p e r s o n a lc o m p u t e r ；z - s c a nd e t e c “o n s y s t e m c l a s s n o ：t p 2 1 6 + 1 致谢 奉论文的工作是在我的导师成正维教授的悉心指导下完成的，成正维教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在工作中悉心地指导 我们完成了实验窒的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助， 对于我的课题研究和论文都提出了许多的棠贵意见，在此衷心感谢三年来成止维 老师对我的关心和指导。 在实验室t 作及撰写论文期间，赵红娥老师、赵鑫、吴思进、韩强、张明庆 等同学对我论文中的实验及研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激 之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 业 壅塞 适 厶堂 亟 上 堂 堑论塞缝逾 1 1引言 1 绪论 随着光通信、光学信息处理及光学 算机的研究越来越受到人们的重视，对 光双稳开关、光限幅器等全丸学非线性器件的研制提出了更为迫切的要求，相应 的材辩光学非线性系数的测量技术也得以不断发展和完善。目前，测量光学非线 性材料的性质的方法主要有：非线性干涉法、近简并三波混频、自衍射、椭圆偏 振法、光束畸变测量、简并四波混频和z 一扫描法。前四种方法采用非线性干涉原 理，灵敏度高但得不出j r 线件系数的正负，仪器复杂；光束畸变测量较为简单， 能得出非线性系数的正负，佃需要详细分析光束在非线性介质中的传播过程，测 量灵敏度较低；简并四波混频技术虽然有较高的灵敏度，但需要使用两个较准确 的延迟器使三柬光没有时间延迟，且较难得到理论上要求的三束光强以及三束光 交于样品的位置。z 一扫描是1 9 8 9 年s h e i k - b a h a e 等提出了一种测置材料非线性光 学性质的实验方法。在粟用该方法的测量中，被钡9 试材料样品沿光束传输的光轴 方向移动，因而将该方法称之为z 一扫描法。1 9 9 0 年，s h e i k b a h a e 等又将该方法 应用于测量材料的非线性吸收系数。1 9 9 2 年，s h e i k b a h a e 等还提出了双色z 一扫 描法，并将之应用于测量非简并非线性折射率和菲简并非线性双光子吸收系数。 在短暂的几年内，z 扫描技术不断地得到完善，并被相继应用于其他方面的测试和 研究，例如热透镜效应的研究、激光束质量的测试及高斯光柬的传播特性的研究、 非线性髑双折射、光折变效应和测晕电光系数等等。现在z 扫描技术已经成为非 线性光学特性研究的一种具有荤要实际应用价值的实验方法和手段。z 一扫描法具 有装置简单、单光柬测量、灵敏度高等特点，可以分析高分子和有机材料的光学 非线性性质，包括非线性吸收( 饱和吸收与反饱和吸收) 、非线性折射等，也可用 十半导体材料的非线性分析，以及确定线性吸收系数，因f l b 应用越来越广泛，并 在实验与理论两方面取得了较大的进展。z 一扫描技术已经发展成为非线性光学特 性研究的一种具有重要实际应用价值的实验方法和手段。 1 2 非线性光学简介 在诸多新兴领域中，非线十聿光学( n o n l i n e a ro p t i c s ) 具有最广泛的应用范 围。该领域的丌创- t 作是1 9 6 1 年f r a n k e n 及其同事所做的二次谐波实验。从此开 些 峦窑适厶 堂亟皇堂丝逾皇堑盈 始，非线性光学领域一直以惊人的速度向前发展，剪在很多学科中得到广泛的应 片4 。讣线性光学的研究内容十分丰富，但总的柬说可以概括为两个方面：方面 是非线性光学现象与效应的发现及它们广生的机理和规律性的研究、非线性光学 新技术的发展和新材料的发现。这方面的内容极为车富，例如：光学倍频、光学 和频与若频、受激拉曼散射与布里渊散射、自聚焦、光学参量振荡、饱和与反饱 和吸收，双光子吸收、多光子吸收、三波混频、四波混频、光学双稳效应等。另 一方而是把非线性光学效应与技术应用到各有关领域中。这方丽的内容也很多， 例如：倍频技术在激光核聚变研究中的麻用、光学相位共轭技术在改善激光束质 量l p 的应用、自适应光学技术，集成光学，光学信息存储与实时全息显示技术、 光学孤子通信技术等。 在线性光学范畴中，入射光作用于介质引起的光学效应( 如：反射、折射、 散射等) 与入射光强成正比。这时不同频率的入射咒同时相交于介质中的某一点 时，彼此互不影响( 即遵循光的独方传播原理) 。而布非线性光学范畴内，入射光 与介质作用时产生的光学效应与入射光强小成正比( 例如与入射光强的平方或i 次方成比例) 。此时不同频率的入射光相交于介质中的某点时，相互之间能够产 生能量转换( 即相互耦合) 。 光作用于介质产牛的各种光学效应都来源于介质在光场中的极化“。通常认 为极化是线性的，这时极化强度p 与光波电场e 的一次方成正比例，即p = z e ， 它是各种线性光学效应的来源，其中比例系数z 为介质的线性极化率。但事实上， 极化强度尸并不与光波的电场e 成正比，尤其当光强较大时更是如此，这时称介 质产生了非线性极化，极化强度p 与光场e 之间的关系可表示为： 尸= z m e + z 。巨岛+ z 口五；易+ ( 1 1 ) 其中z ”为一阶极化率；z 2 和z 3 分别为_ 阶和三阶非线性极化率。各种非 线性光学效应分别来自上述这些非线性极化项。非线性极化率的大小反映了介质 对光场非线性响应的强弱，也反映了介质对入射光场反作用的大小。根据对称性 要求，在极化强度表达式中，电场的偶次方项在具有中心对称的介质中必须为零； 向与奇次方项相关的带线性效应如三阶非线性效应在所有介质中都存在。d 1 于三 阶非线性效应具有普遍性，冈此人们对大多数材料的非线性特性的研究主要足对 材料的二阶_ 线件特性的研究。 1 3 非线性光学性质的测量方法 韭 奎塞疆 厶堂亟=堂僮 逾 皇缝迨 测量材料的非线性折射率足研究材料的非线性光学性质的重要手段。在以往 的非线性折射率的测量中，人们已采片j 了多种方法，简介如下： ( 1 ) 三波混频卜m 三波混频( t h r e e - w a v em ix t n g ) 是指曲束入射光波徂介质中相互作用产生第 三个出射光的非线性j j ； 1 学过程。通常两柬入射光中，有一束强光作为激励光，其 频率记为婢，而另一束弱的光作为探测光，其频率记为脚。，两束入射光波在介质 中相互作用产生第三个出射光。般而言，三波混频源于介质的二阶非线性极化。 如果相互作用的三个光波的频率相同，则称为简并三波混频。 ( 2 ) 四波混频睁引 所谓四波混频( f o u r _ w a v em i x i n g ) 是指= 个入射光波在介质中相互作用产 生第四个出射光的现象。通常采用两束频率分别为乱、他的强泵浦光和一束频率 为毡的弱探测光，其中q = 鳓+ 毡+ 毡，i + 乏；+ 丘。在相位共轭情况下，两 束强的反向传播的泵浦光，一束弱的和前向泵浦光有一定夹角的探测光同时相交 于样品池，由i 阶非线性极化牢产生的第四束信号光的传播方向和探测光的传播 方向相反。对于三阶非线性光学过程，相位共轭信号正比丁( z 1 3 ) 2 ，3 ，2 ，即相位共 轭信号和泵浦光强，仁、旭厶) 的i 次方成上e 比。 如果上述相互作用的四个光波的频率相同，则称为筒并四波混频。简并四波 混频产生的信号光是其中一个入射光的相位共轭光波。 ( 3 ) 光束畸变法p ”3 光束畸变法( b e 椰d i s t o r t i o n ) 即利用光束与物质相互作用而产生的波前畸 变来测量介质的非线性折射率的方法。较前几种手段而言，该实验方法所需装置 简单，但对激光束的质量要求较岛。 ( 4 ) 单光束z 扫描技术”“” 单光束z 扫描的实验光路如图卜1 所示。在透镜前面用一分光束板将入射光分 为两柬。一束光通过一会聚透镜后入射到样品上，透过样品的光强由位于远场小 孔屏后的探测器d 记录。另一束光用d 。探测器接收，作为参考光用来修正由于激光 器输出能量波动引起的误差。当样品沿z 轴丰f 对于焦平面移动时，通过位于远场的 一个有限的小孔来测量非线性介质的透过率，该透过率为样品位霄z 的函数。 丝 峦奎适厶堂 亟=堂僮堡垒鳖迨 口 探测器 图1 一l 单光束z 扫描丈验光路图 f i gl ls i n 9 1 eb e a mz s c a ne x p e r i m e n t a lo p t i c a lt r a j e c t o r yf i g u r e 下面我们通过一个例了简单说明z 扫描曲线和样品的非线性折射率之间的关 系。先假定介质的非线性折射率为负值( 即 o ) ，样品从远离焦点的左方( 一z 方向) 向焦点移动过程中，f b 于开始时样品远离焦点，光束辐射强度较低。样品 非线性折射率的改变可以忽略。此刚的透过率d d 。保持为。常数。当样品接近焦 点时。辐射强度增加，导致样品内出现自感应透镜现象。一个位于焦点前的负自 感应透镜将对光束进行准直，这样传至远场小孔屏处的光束将变窄，从而导致透 过率d ，d ：增大。样品继续向右( + z 方向) 移动并越过焦点，则出现自散焦，光束 发散，传至远场中小孔屏处的光束变宽，导致透过率d ，d ：减小。这表明当样品在 焦点或其附近移动时，就同在焦点或其附近放一个薄透镜一样，并不改变光束在 远场q j 的模式。样品远离焦点时( + z 方向) ，山于光束辐射强度降低，透射率d 。d ： 又变为”。常数，则z 扫描已基本完成。 奎垒适厶堂亟土 堂鱼 迨 皇缝途 罔1 2z 扫插曲线( n 。 0 表示非线性折射率为正。) f i gl 一2z s c a nc u r v e ( n 2 0 如图卜2 中，z o 的 曲线所示。z 扫描技术的突出优点是可以立即从实验数据中得出非线性折射率的符 号，并容易通过对样品的简单分析，估算出非线性折射率坞的大小。 ( 5 ) 双色z 扫描技术” 双色( t w oc 0 1 0 r ) z 扫描是在单色z 扫描光路中再引入一束波长不同的入射 激光，使得两种不同波长的激光同时入射到测试样品上。其中一束强光作为激励 光场，其频率记为m ，而另一束很弱的光作为探测光，其频率记为m 。，非线性效 应由强激励光场产生。双色z 扫描技术的。个独特的优点是可以比较力便地测量 非简并非线性系数的变化觚 。，。) 和 f 简并非线性吸收系数的变化口劬。，。) 等。实现双色z 扫描测试的。种简单的方法是采用倍频探测光，即在单色z 扫描 光路中加入一个倍频晶体h g 和偏振器p 。选取倍频晶体的倍频效率在1 左右，这 样使得基频光和倍频光的咒强比值较高，此时的激励光场就是基频光场( 即 啡= ) ，而探测光场则是其倍频光场( 即。= 2 脚。) 。 当然，蒂线性折射率的测量逊可以采用1 f 线性干涉法”、椭圆偏振法等方法， 这里不再一一详述。在上述这几种非线性系数测量方法中，前两种方法即三波混 e塞 盆 适厶雯亟=堂 丝盈 皇 缝监 ， 频、四波混频往的灵敏度高，但需要相对复杂的仪器设备。丽光束畸变法测量灵 敏度相对较低，对光束质量要求较高。且需要对光束在非线性介质中的传播过程 进行详细的分析。z 扫描技术所需实验设备简单，测毫精度岛，而且能自接给m 非 线性折射率的符号。双色z 扫描是在单光束z 扫描的基础上发展起来的，它同样只 有单色z 扫描的优点。因此在下章巾我们将仅对单光束z 扫描的基奉原理迸行分 析。 6 e 塞盆道厶堂亟堂僮盈幺望盥塞圣妇笾垫垄鳆塾垒亟塑 2 单光束z 扫描技术的基本原理 2 1单光束z 扫描原理 s h e i k b a h a e 及其合作者通过对强激光在非线性材料中的传播”以及伴随强 光作用非线性材料中发生的自折射现象。删做了大鼍的研究，并在当时已有理论的 基础”州上建立了一套简甲方法来分析z 一扫描的实验数据。下面我们就该方法进行 介绍。 一般来说，光与介质发生作用时任何阶的非线性光学效应都应该考虑在内， 但为了方便我们先仪考虑三阶非线性效应。此时在激光场的作用下，非线性介质 的折射率大小可用非线性折射率( 甜“) 或，( 脚2 矽) 表示： 胛= ，+ 冬l e l 2 = ，+ ， ( 2 1 ) 其中为线件折射率，为入射光场振幅( c 黟单位制) ，j 为样品内的光强 ( 膨醛单位制) ，慢( 刚) 和y 2 矽) 分别是p 翩和膨醛单位制下的非线性折射率， 和y 换算关系为： 他( 一) = 急砌2 胛) ( 2 _ 2 ) f 沏s ) 为真卒中的光速。 假设+ 基模( 惩m 。模) 高斯光束( 束腰半径为) 沿+ z 方向传播( 如图卜1 中所示) 则其光场可写作： 斯，f ) 嘣，) 荔唧( 一南一罴“) c z 国2 c z ，= 出； ，+ ( 朝2 为z 点的光束半径 r c z ，= z ，+ ( 书2 为z 点的光束曲率半行 _ i = 2 万五为波矢，旯为激光波长 气= 西，2 为光束的衍射长度 e ( f ) 为焦点处含时间的光场 p 1 7 为z 点波面的相位因子 7 丝毫盆亟厶堂亟土堂筵迨塞整逝塞兰翅攒垫垄丝墨垒厦翌 由丁运用缓慢包络近似法( s v e ) 计算时仅考虑杼向相位的变化量n ，) ，因 此在径向r 中所有相位相同的部分可以略去。 如果样品足够薄，以至于在样品内由于衍射或折射对光束半径的改变可以忽 略，则称此样品为薄样品。在这种情况下，自折射过程被称为“外在的自相互作 用”。对于线性衍射，样品足够薄意味着 矗。而对于非线性折射，则指 白a 矿( o ) 。在大多数z 扫描实验中，因为a 很小，“z 。，a ( o ) 很容易满足， 大量z 扫捕实验发现“= 。对于线性衍射限制过强，而用 就足够了。 s h e i k b a h a e 及其同事对同材料采用不同的瓦进行澳4 量，采用相同的分析方法， 结果获得相同的坞值。采用三气代替工 z 0 ) 得到满足，r ( z ) 的大小和形状与所用波长和实验结构无关。当然s 是一个非常重要 的参数，它对峰的作用非常明显，能导致透射率的峰点不超过( 1 一j ) 。当小7 l 过大 或撤去小孔时( 即j = 1 ) ，谷峰交替的效益将消失，对于任何2 和a 戎，r ( z ) 恒为l 。 当扛磊i 很小时，峰和谷的位置关于焦点0 = o ) 对称。对于三阶非线性效应， 由 h 孙舻卜两蓑 ( 其帆一) ( 2 - 1 3 ) 可求得z 扫描透过率极值( 峰值和谷值) 的位置为： pu曼_g计量t口sij霄c芒口乙 韭立窒适厶堂殛= 堂僮逾皇整匙基z 扫地这鲞曲基查题理 、孚锄s s s 伢 由( 2 1 4 ) 式可知峰、谷离焦点的足p 离近似为o 8 6 2 0 。对于较大的相位畸变 ( i a 吮| 1 ) ，数值计算表明峰和谷不再具有对称性，谷峰都将随其非线性折射率的 正、负一同向一：或+ z 方向移动，而它们的间距保持小变。即： z ，z 1 7 z o 为了便于测量，定义一个新的变量o ，代替z ，0 ，= 乙一z ，它表示 峰和谷的归一化透过率之差。，为i o 磊i 的函数，对于小同尺寸的小孔，二者关 系 如图2 2 所示。从图2 2 我们可以获得一些有益的信息。首先，对于一个给 定的非线性效应，它具有普遍性，换句话说，它不依赖所用的激光的波长和实验 结构( 只要远场条件满足) 及j 线性折射率的符号。其次，对于不同尺度的小孔， 丁0 ，和l n 丸i 基本上呈线性关系。把( 卜1 4 ) 式代入( 卜1 3 ) 式得出小相位畸变与 小孔较小( s * o ) 时的关系为： 0 ，= o 4 0 6 b 死i ( 2 1 6 a ) 数值计算表明，当| 丸峰石时，此关系是精确的，误差在5 以内。如图2 2 所示，对于大的小孔，( 2 一1 6 a ) 中的线性系数将减少。例如： 当s = o 5 时它变为0 3 4 当s = o 7 时它变为o 2 9 丝塞盆道厶堂亟堂僮地塞墼出壅圣扫描挂垄艘塾奎塑理 o 6 q 乒o ，j 钐夕 g 。7 j钐 7 夕。 ， m 6 巾i 图2 - 2 t r v 随焦点处相移中。的变化曲线 f i g2 2n l ec u r v eo fak ，c h a i l g e db yp h a s ed i s p l a c e m e n t 审oa tt h ef o c u s 因此，只要满足z 扫描条件，由下面的( 2 一1 6 b ) 式计算给出t ，的误差将不 超过2 。 瓦一，= o | 4 0 6 ( 1 一j ) ”f 残i ( 2 1 6 b ) 要求| 死峰厅 这就表明，在宄成z 扫描以后我们完全可用( 2 一1 6 ( a ) 和( 2 1 6 ( b ) ) 估 算出非线性折射率刀2 的大小，且精度很高。这显示了z 扫描技术具有很高的灵敏 度。例如，如果我们采用适当的实验仪器和合适的数据计算系统，使它能探测到 瓦一，的改变量的1 ，我们就能测量出波前失真好十a 丸s 五2 5 0 的相位变化。口丁 是，要想获得这么商的精确度，样品必须具备优良的光学性质。 2 2 存在非线性吸收时的z 扫描理论 上面我们介绍了纯非线性折射率情况下的z 扫描理论。所谓的纯非线性折射 率是假设样品不存缸廿线件吸收( 如多光子吸收、饱和吸收) 。对于存在廿线件吸 收的样品。开孔z 扫描对非线什吸收是灵敏的。非线性吸收系数可以从开孔的z 扫描实验获得。 1 2 匙壅垒煎厶堂亟= 堂丝丝塞望出塞圣扫描毽苤酸垫坐匝堡 下面介绍如何利用z 扫描技术对同时具自非线性折射和非线性吸收材料的非 线性折射率和非线性吸收系数进行测量。很多具有大的1 f 线性折射率的材料常和 单光子、多光子芡振吸收想联系。这种非线性吸收可以由饱和吸收、多光子吸收、 单光子吸收或者自由载流子吸收引起。它们对于利用z 扫描测量廿线卡牛折射率会 产生较大的影响。但在开孔( s = 1 ) 的z 扫描测量巾，z 扫描曲线对非线性折射率 的变化是不灵敏的，此时z 扫掐曲线关于焦点( z = o ) 是对称的。在z = o 点，对 于反饱和吸收和多光子吸收的情况，透过牢达到最小：而对于存在饱和吸收的样 品，其透过率达到最大。冈此，我们可以利用开孔z 扫描曲线得到样品的非线性 吸收系数。 对丁存在双光子吸收( 2 p a ) 的样品，设e 2 壳搿 2 t ，其中e 为样品的带 隙能量( b a n g g a pe n e r g y ) ，缈为入射光子的频率。此时，三阶非线住极化系数z 应为一个复数： z ”= z + ，z 3 ( 2 一1 7 ) 实部与y 相关 裙= 2 霄岛 ( 2 一1 8 a ) 虚部与双光子吸收( 2 p a ) 系数相关， ；堑芷 ( p 1 8 b ) 这里我俐只考虑低激发模式，其中的自由载流子效应( 折射和吸收) 可以忽 略不计。在这种近似情况下，( 2 4 ) 和( 2 5 ) 式需要在( 2 一1 9 ) 式的条件下进行 修正。 口( ，) = 盯+ ， ( 2 一1 9 ) 枷= 篱筹 浯z 坝玑垆等l n 【】+ 犯，训 ( 2 - 2 1 ) ( 2 2 0 ) 和( 2 2 1 ) 式则分别给出了光束在样品出射表面的辐射度分布及相 位变化。式中的g ( ：，f ) = ( z ，f ) 上d ，其中z 为样品位置。合并( 2 2 0 ) 和( 2 2 1 ) 式，可以得到在样品出射表面的复合场的表达式。 e = 占( z ，f ) p 吨( 1 + g ) 膻，7 p 抛 ( 2 2 2 ) 匙立盆逼厶堂亟堂笪建皇璺盥壅圣鱼塑堡苤的垫垒亟理 在不存在双光子吸收的极限情况下时，( 2 2 2 ) 式可以简化为( 2 8 ) 式。对 ( 2 2 2 ) 式进行零阶汉可尔( h a n k e l ) 变换可水得复合场住小孔屏处的分布，然 后利用( 2 1 1 ) 和( 2 一1 2 ) 式可求得透射率。 在i g l l 时，对( 2 2 2 ) 式进干一二项式展开。则( 2 2 2 ) 式可以表示为与2 2 节纯折射串情况雷同的无数个高斯光束的和的形式。即： e 毗叫严熹巫等等i 珥c 警川) 伢z s ， 式中的口( z ，f ) 和e ( z ，r ，f ) 隐含表达了高斯光束的轮廓。而复合场在远场小孔 屏处的分布可用和前面相同的方法获得，如果用和式 厶= 警竽吼坪川，南) c z z t ， 来代替( 2 2 3 ) 式中的垒亟垒盟，则( 2 2 3 ) 式仍可用( 2 1 0 ) 式表示。 当五= l ，耦合囚数卢2 砂是三阶极化系数z 3 虚部和实部的比率。 存在非线性吸收时，z 扫描透射率的变化仍可按照前而所述的步骤进行计算。 但从( 2 2 4 ) 式可以看出，吸收和折射对于远场中光束的轮廓是有影响的，冈此 也就对闭孔z 扫描折射率也有影响。可是，当移去小孔屏，即为开扎z 扫摘时，z 扫掐的透射率对光束的改变不再敏感，而仅仅对非线性吸收敏感。因此开孔z 扫 描曲线仪为非线性吸收的函数。在开孔时，光束的整个传播过程的影响可以通过 对( 2 2 0 ) 式进行空间积分求得，而不必列光束在自由空间的传播过程进行分析。 在z 点对( 2 2 0 ) 式中的r 进行积分，可以得到传播功率p ( z ，f ) ， 蹦h ( 酽掣 ( 2 _ 2 6 ) 其中，吼匕d = 风( f 南，只( ，) 在( 2 - 1 2 ) 式中已被定义过。对于一个 瞬时的高斯脉冲，通过对( 2 - 2 5 ) 式的时间( t ) 进行积分，可求得归一化透射率 丁( z ，s = 1 ) ， m 炉1 ) - 赤小 1 + g o ( z 胁”2 p 伢2 6 ) 当l 吼j l 时，归一化透射率可以表示为对峰值光强的求和的形式，这就更易于 数值计算， m 舻肛羹帮 治z ， 1 0l ”i - 1 ， 业立垒适厶堂亟= 堂丝丝裒望盥基至翅地基垄的垫垒豆塑 阕此，一旦一个开孔( s = i ) 的z 扫描完成，非线性吸收系数就可以求出。 当已知时，可以崩闭孔的z 扫描去获得未知的因数，即带线性折射率y 。 对于存在非线性吸收的材料其纯的非线性折射率可以通过闭孔z 扫描曲线 除以开孔z 扫描曲线得到的新曲线( 即纯非线件折射的z 扫描曲线) ，并结合2 1 节的理论计算得m 。 e 塞盆堙厶堂亟茔丝迨幺塑直至扫描自磕控型丕缝盟逡让 3 1引言 3 激光z 扫描自动检测系统的设计 自从1 9 9 0 年m a n s o o rs h e i k b a h a e 及其合作者建立起一套完善的z 扫描理论 后，短短几年内z 扫描技术已在全世界范围内得到广泛应用，其应用领域也在不 断扩大。现在z 扫描技术已经成为测量各种光学材料非线性光学特性的一种简便、 岛效的方法。 以前在研究和测量各种光学材料非线性光学特性时，采用手动位移和测量， 无法对半导体激光器输出能量的波动进行较好的修萨，同时无法读取快速变化的 光强值，给实验结果带来了较大的误差。因此，需要对样品进行精确位移、多次 高速采集测量的数据，同时形象地绘出图形，方便测试者对测量结果进行观察和 处理。为了快速、方便的研究和测壁各种光学材料非线性光学特性，我们开发了 一套激光z 扫描自动检测系统。 3 2设计任务的提出 这里我们主要研究l i n b o ，晶体非线件光学特性，l i n b o 。晶体是一类具有光折变 效应的晶体，光折变材料是指那些由光照一起了折射率变化的材料，不同的掺杂 对其光学特性由不同的影响。我们将采用5 3 2 n m 激光通过l i n b o ，晶体对z 扫描技术 方法进行论证。根据实际研究和测量的要求，我1 f j 提出如下系统设计指标： a 、实现载物台往返直线运动，运动范围在3 0 m 内，单步运动5 姗，同时能够 精确定位； b 、由探测器读取光强参量的数据，并输入计算机处理； c 、用p c 机处理位移和光强参骨= 的数据，形成图形。 针对上述设计指标，经过调研和讨论，我们提出以下设计方案：采用基于 a t m e l 8 9 s 5 2 单片机和p c 机的架构设计z 一扫描自动检测系统。z 一扫描自动检测系 统原理框图如图3 1 所示。激光器输出的高斯光束经分光束板后分为两束- 一束 由光探测器d l 接收，用于确定光源功率p 1 ，另束经会聚透镜进入样品，由光探 测器d 2 在小孔后接收。光束截面最小处作为z 轴的。点；s 为被测样品，它置于 z 轴0 点附近；a 为限制孔径，d 1 、d 2 为光探测器。当样品南一z 向焦点移动时， 光强逐渐增强，导致样品光学非线性效心变大，且愈靠近光轴，非线性效膨愈强。 若样品为负光学讣线性效应，其相当十个发散透镜，使得光束发散，焦点也移， 光阑处的光斑变小，进入d 2 的光能帚增加：而当样品移过焦点后，其发散作用使 1 6 韭峦垒通厶堂亟堂丝迨幺塑出圣担蕉自弛拴型丞缝的建进 光斑变大，导致进入d 2 的能量变小。d l 和d 2 的读数p 1 和p 2 的比值与样品的位 首关系如图卜2 所示。得到呈先峰后谷形状的曲线，是z 一扫描负折射1 f 线性效应 的重要标志，正非线性折射与之丰n 似，峰一谷构成正好相反。z 一扫描最实用的特点 是通过观察实验数据，可以快速观察到1 i 线性系数的标志。根据z 扫描测量得到 的光强度数据，还可以计算m 材料的非线性折射率的其体数值t 图3 1z 一扫描自动检测系统原理框图 f i g3 一lz s c a na u t 伽a t l cd e t e c t i o ns y s t e mp r i n c i p l ef r a m ef i g u r e 系统的基本工作原理是：由p c 机发出指令给单片机，单片机控制电机带动样 品进行相应运动，重点实现精确位移定位；同时p c 机通过探测器、采集电路采集 光强数据以及单片机返回的位移控制数据，进行采集、处理、存储、图形显示。 整个系统设计分为两大部分：硬件部分和软件部分。 3 3 硬件部分的设计 硬件部分根据实际检测的要求，可选定激光器、n 透镜，光阑、光探测器( 具 体参数参见系统测试部分) ，从而确定了光路系统，重点需要设计的是电路系统。 硬件电路系统设计原理框图如图3 2 所示，电路系统由上位机p c 机和下位机单片 机a t 8 9 s 5 2 两层控制单元组成，包括步进电机、驱动电路、单片机控制电路、串 口通信电路、探测器、光功率计、u s b 数据采集卡、p c 机等。系统执行时，由上 位机p c 机通过串口发出控制指令给单片机，单片机引起中断发出相应的脉冲控制 信号，经驱动电路控制步迸电机带动样品执行相应的运动，单片机将位移数据通 t 立窑适厶堂亟堂丝造塞丝出墨扫地自功捡翊墨缝煎邈让 过枣u 反馈给p c 机；同时，由探测器经光功率计麸得光强的数据，经过数据采集 # 通过u s b 口传输给p c 机，p c 机将获得两组数据进行处理形成图形。 数 光 探 据 采 功 集 盘 测 电 路 计 器 p c 机 l 、 串 盟驱步 负 口 通 动进 信 片 电 电电 路 机 路 机 载 图3 2 电路设计原理框图 f i g3 2c i r c u 缸d e s 咖p r i n c i p l ef r 硼ef l g u r e 3 3 1步进电机及驱动电路 由于本系统无需反馈控制而要求有精确的位置挣制。步进电机是一种将电 脉冲转化为角位移的执行机构，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达 到准确定位的目的：同时可以通过控制脉冲频率来摔制电机转动的速度和加速度， 从而达到调速的目的。因此，步进电机是本装置的最佳选择。步进电机是数字控 制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个 角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机( 简称v r ) 、 永磁式步进电机( 简称p m ) 和混合式步进电机( 简称h b ) 。下面以反应式步进电 机为例，说明步进电机的原理和相关指标。 ( 一) 反应式步进电机原理 由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原 理。 l 、结构： 电机转子均匀氖布着很多小齿，定子齿存三个励磁绕阻，其几何轴线依次分 别与转子齿轴线错开。 o 、l 3 ( 、2 ，3t ，( 相邻两转子齿轴线问的距离为齿距以t 表示) ，即a 与衡 1 相对齐，b 与齿2 向也错开l 3 【，c 与齿3 向也错开2 3 ( ，硝与齿5 相对齐， ( a f 就是a ，齿5 就是齿1 ) 下面是定转子的展开图： 些塞垒适厶：羔塑土星位迨塞邀出圣妇擅自功捡趔丞缍盟噬目 图3 3 定转子的艘开图 p ，g3 3s t a t o ra n dr o t o re x p a n d l n gf i g u r e 2 、旋转： 如a 相通电b ，c 相不通电时，d 1 十磁场作用，齿1 与a 对齐，( 转了不受 任何力以下均1 口j ) 。 如b 相通电，a ，c 相不通电时，齿2 应与b 对齐，此时转子向右移过i 躬c ， 此时齿3 与c 偏移为i 3 ( ，齿4 与a 偏移( ( 1 3 【) = 2 3 。 如c 相通电，a ，b 相不通电，齿3j 避与c 对齐，此时转子义向右移过l 3 ， 此时齿4 与a 偏移为i ，3 ( 刘齐。 如a 相通电，b ，c 相不通电，齿4 与a 对齐，转子义向右移过l ，3t 。 这样经过a 、b 、c 、a 分别通电状态，齿4 ( 即齿1 前一齿) 移到a 相，电 机转子向右转过个齿跑，如果不断地按a ，b ，c ，a 通电，电机就每步( 每 脉冲) l 3 【，向右旋转。如按a ，c ，b ，a 通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数( 脉冲数) 和频串成一一对应关系。 而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方而考虑。往往采用a a b b b c c c a a 这种导电状念，这样将狠来每步l 3t 改变为l 6 【。甚至丁通过二相 电流不同的组合，使其1 3 【变为l 门2 ，l 2 4 ( ，这就是电机细分驱动的摹本 埋论依据。 不艚推出：电机定子上有m 相励磁绕阻。其轴线分别与转子齿轴线偏移 1 ，m ，2 ，m ( m 1 ) ，m ，i 。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步 进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电 机，出于成本等多方而考虑，市场上一般以二、i 、四、五相为多。 3 、力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场( 磁通量中) 当转子与定子锚开一定 角度产牛力f 与( d 中d 日) 成正比 9 一4 抨 l 匙塞垒适厶堂亟土堂鱼诠垒塑澎圣扫邋自垫控趔丞缠鲍遮进 ( 2 ) 失步： 电机运转时运转的步数，不等十理论上的步数。称之为失步。 ( 3 ) 失调角： 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存n 失调角，由失调角产生 的误筹，采用细分驱动是不能解决的。 ( 4 ) 最大空载起动频率： 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下。在小加负载的情况下，能够直接 起动的最大频率。 ( 5 ) 最大字载的运行频率： 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 ( 6 ) 运行矩频特性： 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频事关系的曲线称为运行矩频 特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如图3 4 所示： 图3 4 电机力矩一频率关系图 f i g3 4e l e c t r o 琊o t o rm o m e n ta n df r e q u e n c yr e l a t i 彻f i g u r e 其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。 电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取 决于电机运行时的平均电流 而非静态电流) ，平均电流越人，电杌输出力矩越大， 即电机的频率特性越硬。 如图3 5 所示： l 图3 5 电机动态力铷一频率关系图 f i g3 5e l e t r0 i i l o t o rd y na i l 1 cm o m e n ta n df r e q u e n c yr e l a t i o nf i g u r e 丝裹盆适厶堂亟：堂鱼盈塞煎出墨扫描自垫捡型曩笪的送吐 乓中，曲线3 也流最大、或电压最高：益线l 电流最小、或电压最低，曲线i 负载的交点为负载的最大速度点。 要使平均电流大，尽可能提岛驱动电压，使采用小电感大电流的电机。 ( 7 ) 电机的共振点： 步进电机均有固定的共振区域，一，四相感应子式步边电机的共振区一般在 1 8 0 一2 5 0 p p s 之间( 步距角1 8 度) 或在4 0