Z-扫描光学非线性表征技术

Z-扫描光学非线性表征技术2.Z-扫描表征技术的基本原理

内容提要:4.瞬态与非瞬态Z-扫描表征技术

3.几种改进型Z-扫描表征技术

5.饱和吸收与多光子吸收饱和Z-扫描表征技术

6.多光子感应激发态Z-扫描表征技术

0.研究背景

7.总结11.光学非线性效应

2.Z-扫描表征技术的基本原理

内容提要:4.瞬态与非瞬态Z-扫描表征技术

3.几种改进型Z-扫描表征技术

5.饱和吸收与多光子吸收饱和Z-扫描表征技术

6.多光子感应激发态Z-扫描表征技术

0.研究背景

7.总结11.光学非线性效应

上转换激射

Nature415,767(2002).光学微制作Nature398,51(1999).荧光成像

Science300,1434(2003).光通讯

JLightwave

Technol

24,4750(2006).光孤子

PRL100,030402(2008).全光开关

OE16,7693(2008).非线性吸收非线性折射22.Z-扫描表征技术的基本原理

内容提要:4.瞬态与非瞬态Z-扫描表征技术

3.几种改进型Z-扫描表征技术

5.饱和吸收与多光子吸收饱和Z-扫描表征技术

6.多光子感应激发态Z-扫描表征技术

0.研究背景

7.总结1.光学非线性效应

3当介质受到光波作用时，介质被极化无极分子的位移极化有极分子的取向极化取向极化极化强度矢量P是线性极化率，表征介质对光场相应的大小4当介质受到强激光作用时，介质被极化举例：倍频效应

其中和分别是二阶和三阶非线性极化率。入射光波：满足条件时即可产生频率为2w

的倍频光波。三阶非线性光学效应

三次谐波产生

入射光波：折射率随光强变化

可得介质的折射率为

其中n2

称为非线性折射率。

5自聚焦和自散焦效应透镜聚焦平行光线---各光线的光程相等

自聚焦（Self-focusing）凸透镜聚焦光束凹透镜散焦光束自散焦（Self-defocusing）6非线性折射的物理机理

电子云畸变

分子取向

电致伸缩、Raman感应克尔效应、布局重新分布等。

热贡献

组成介质的分子或原子的外层电子云在电场作用下发生畸变。响应时间飞秒量级。介质（主要指溶液）中的各向异性分子在外界光场作用下，重新作规则再取向运动而导致的感应电极化的附加贡献。响应时间皮秒量级。介质吸收了外加光场的能量后，其中一部分将转化为介质增加的热能。温度升高使介质密度改变，进而产生热非线性效应。7非线性吸收的物理机理

饱和吸收

双光子吸收

多光子吸收

在外场作用下处在基态的电子同时吸收两个光子，电子跃迁到激发态的过程。多能级吸收。介质的激发态吸收截面小于基态的吸收截面时，材料的透过率随着光强的增加而增加，该过程称为饱和吸收。自由载流子吸收

在半导体中，载流子可以帮助导带（价带）吸收更高（低）激发态的光子，该过程称为自由载流子吸收。82.Z-扫描表征技术的基本原理

内容提要:4.瞬态与非瞬态Z-扫描表征技术

3.几种改进型Z-扫描表征技术

5.饱和吸收与多光子吸收饱和Z-扫描表征技术

6.多光子感应激发态Z-扫描表征技术

0.研究背景

7.总结1.光学非线性效应

描述非磁材料的Maxwell方程

9描述非线性介质的波动方程

非线性

Schrödinger方程通常,这样矢量波动方程

缓变包络近似

---假设电场幅度E(r,t)相对于r和t的变化缓慢。波沿波矢方向传播，电场对空间和时间的高阶导数可以忽略。衍射项10薄样品近似：样品很薄，样品内由于衍射和折射率改变对光束直径改变不产生影响。出射场11仅考虑薄样品具有三阶非线性折射效应时，样品内的电场为自聚焦样品（）探测器

+z

探测器

+z

探测器样品

+z光阑

透镜

探测器

+z

自散焦样品（）探测器样品

+z光阑

透镜

探测器

+z

12双光子吸收（）饱和吸收（）薄样品仅具有三阶非线性吸收效应时，样品内的电场为开孔Z-扫描样品

+z透镜

探测器透镜

13非线性薄样品内的电场开孔Z-扫描闭孔Z-扫描入射场出射场远场M.Sheik-Bahae

etal.,IEEEJ.QuantumElectron.26,760(1990).探测器样品

+z光阑

透镜

14非线性吸收系数非线性折射系数开孔Z扫描闭孔Z扫描提取开孔Z扫描实验图DetectorSample+z闭孔Z扫描实验图DetectorSample+z15Z-扫描技术是基于空间光束畸变原理，空间光强横向分布变化感应类透镜效应，样品沿光轴移动改变了类透镜效应的强度，进而探测远场图样变化。162.Z-扫描表征技术的基本原理

内容提要:4.瞬态与非瞬态Z-扫描表征技术

3.几种改进型Z-扫描表征技术

5.饱和吸收与多光子吸收饱和Z-扫描表征技术

6.多光子感应激发态Z-扫描表征技术

0.研究背景

7.总结1.光学非线性效应

改变入射光束—提高测量灵敏度和信噪比A.Top-hat光束Z-扫描A1A2ffzLSampleTopowermeterDetectorSpatialProfileofInputBeamAPL63,1613(1993).B.Gaussian-Bessel光束Z-扫描

PRA56,R1103(1997).S1CLSampleS2zffC.准一维狭缝光束Z-扫描JOSAB21,968(2004).D.椭圆高斯光束Z-扫描APB77,71(2003).E.离轴高斯光束Z-扫描AfzLSampleDetectorOC107,415(1994).F.Flat-topped光束Z-扫描

APB95,773(2009).17改进测量光路—拓展测量内容A.双色光Z-扫描Maetal.,APL59,2666(1991).B.双光束时间分辨Z-扫描Kawazoeetal.,OC160,125(1999).C.非线性椭圆旋转Z-扫描LiuZBetal.,OE15,13351(2007).18D.反射Z-扫描Martinelli

etal.,APL72,1427(1998).E.白光Z-扫描Balu

etal.,OE12,3820(2004).F.热处理遮挡Z-扫描Gomesetal.,OE15,1712(2007).192.Z-扫描表征技术的基本原理

内容提要:4.瞬态与非瞬态Z-扫描表征技术

3.几种改进型Z-扫描表征技术

5.饱和吸收与多光子吸收饱和Z-扫描表征技术

6.多光子感应激发态Z-扫描表征技术

0.研究背景

7.总结1.光学非线性效应

1）Z-扫描技术表征瞬态非线性效应

B.Gu

etal.,Appl.Opt.47,1187(2008).样品的非线性响应时间<<激光脉冲宽度

非线性效应依赖于样品内的瞬态光强

Z-扫描归一化透过率的解析式:当时，开孔Z-扫描表达式为

20在弱非线性效应时，闭孔Z-扫描表达式为

(a)丙酮和

(b)3TC/丙酮溶液的飞秒脉冲

Z-扫描实验曲线.212）Z-扫描技术表征非瞬态光学Kerr非线性效应

B.Gu

etal.,Opt.Lett.34,2769(2009).瞬态非线性效应非线性效应不明显非瞬态非线性效应样品的折射率变化满足Debye弛豫方程：

时脉冲宽度依赖的折射率变化.21Z-扫描实验中满足经验公式：脉冲宽度依赖的Z-扫描曲线随脉冲宽度变化的232.Z-扫描表征技术的基本原理

内容提要:4.瞬态与非瞬态Z-扫描表征技术

3.几种改进型Z-扫描表征技术

5.饱和吸收与多光子吸收饱和Z-扫描表征技术

6.多光子感应激发态Z-扫描表征技术

0.研究背景

7.总结1.光学非线性效应

1）开孔Z-扫描技术表征非线性饱和吸收

B.Gu

etal.,Phy.Rev.A73,065803(2006).激光束在薄的饱和吸收材料中传播，光强的演变为

Adomian分解法**G.Adomian,J.Math.Anal.Appl.135,501(1988).非线性饱和吸收模型:

(均匀展宽M-1)(非均匀展宽M-2)24Z-扫描解析表达式:

侧链偶氮苯薄膜的开孔Z-扫描实验曲线.

截取误差为1%时最佳求和上限M随a0L的变化关系.252）双光子吸收饱和的Z-扫描理论B.Gu

etal.,J.Appl.Phys.102,083101(2007).双光子饱和吸收模型:

(M-1)(M-3)(M-2)263）Z-扫描表征共存的饱和吸收和双光子吸收J.Wangetal.,Opt.Commun.283,3525(2010).*唯象理论:*Y.Gao

etal.,Opt.Commun.251,429(2005).274）三光子吸收饱和的Z-扫描技术

B.Gu

etal.,J.Appl.Phys.103,073105(2008).三光子吸收饱和理论:

282.Z-扫描表征技术的基本原理

内容提要:4.瞬态与非瞬态Z-扫描表征技术

3.几种改进型Z-扫描表征技术

5.饱和吸收与多光子吸收饱和Z-扫描表征技术

6.多光子感应激发态Z-扫描表征技术

0.研究背景

7.总结1.光学非线性效应

1）Z-扫描表征激发态增强三阶光学非线性效应

B.Gu

etal.,Opt.Express18，26843（2010）.29S0ShsSs0S1tSb(c)S0s0S1tStTsTT1Th(d)S0Sh(b)bS0ShsSs0S1tS1~100pstT~0.1

msbsTtisc~2nstTh~50fstSh~50fsT1Th(a)302）Z-扫描表征两光子感应激发态非线性效应

薄样品内的光强演变:其中B.Gu

etal.,Opt.Lett.35,417(2010).(a)S0ShħωS1tT-1tS-1ThT1ħωħωħω(b)S0ħωS1tT-1tS-1ThT1ħωħω(c)S0ShS1tS-1ħωħωħω31两光子感应激发态吸收导致透射脉冲光束在时间和空间上发生了畸变.*B.Gu

etal.,Appl.Phys.Lett.92,091118(2008).

薄样品具有两光子感应激发态效应时我们获得了开孔Z-扫描解析式为*其中32快捷方法:

三阶和五阶非线性系数可以用如下表达式快速而准确地获得**B.Gu

etal.,Opt.Express16,17745(2008);OE17,1126(2009).S0Shħω2ħωS1τh~2.5ps33B.Gu

etal.,Opt.Express16,10208(2008).3）表征两步四光子吸收

能级示意图:4PAS0S1ħωħωħωħωVirtualStateS0ShħωħωħωVirtualState2-step4PAS1ħω有效四光子吸收系数:解析解:34三光子和有效四光子吸收共存时的Z-扫描表达式其中B.Gu

etal.,Appl.Phys.Lett.96,081104(2010).352.Z-扫描表征技术的基本原理

内容提要:4.瞬态与非瞬态Z-扫描表征技术

3.几种改进型Z-扫描表征技术

5.饱和吸收与多光子吸收饱和Z-扫描表征技术

6.多光子感应激发态Z-扫描表征技术

0.研究背景

7.总结

1.光学非线性效应

首先介绍了非线性光学效应和Z-扫描光学非线性表征技术的基本原理,其后简要回顾了几种改进的Z-扫描技术。主要内容是介绍了Z-扫描技术表征以下几种非线性效应：

（A）瞬态和非瞬态光学非线性效应；

（B）非线性饱和吸收、两光子吸收饱和和三光子吸收饱和效应；

（C）激发态增强三阶光学非线性、两光子感应激发态非线性和两步四光子吸收效应。36

科学研究的途径--一个指导老师的札记25ApproachtoScientificResearch--AcademicNotesofanAdvisor周立伟著北京理工大学出版社（2007）（一）科学研究方法谈

（二）学习方法谈

（三）治学与为人谈

（四）科技学术论文写作与科学基金申请谈目录

内容提要:11.研究生须知

2.提高专业论文阅读能力1.研究生须知

选择读研是你人生的一个重大决定。不管你读研的目的是什么，现在，你都应该思考一下怎样才能成为一个成功的研究生。

（1）让激情成为你成功的动力

明确什么样的论文课题是有意义的，值得去做的。只有当你对所从事的工作充满激情时，你才能全心全意投入其中。

研究生学习是一项长达3-6年约定的投资，它在你生命中占有重要的地位。所以要学会聪明地利用时间。

做研究同简单的上课很不一样。如果你对做研究和所选的课题不感兴趣，真的不要做了；并重新审视一下你的职业决定。

(2)选择合适的导师、课题和实验室找到合适的导师是很困难的，因为或许直到你已经开始做研究了，才可能知道导师的指导方式是不是最适合自己的。一些人喜欢独立工作，而其他人则喜欢导师对他们的工作做出有效反馈并督导他们。

一个关键的因素在于你导师在她/他科学研究领域的名望。因为当你研究生毕业后，在申请博士/博士后时，无论是学术界、工业界、还是其他领域，你所毕业的实验室都将起到至关重要的作用。你所看中的导师应该对你讨论的课题非常有热情。如果他/她不是这样，你则选择了一个错误的导师或者错误的课题。同时，无论你的导师有多么高水平，你都要防止这种热情可能与你的兴趣所在不相符。

（3）独立思考—真正科学家的标志不管你开始时的工作习惯怎样，也不管你多么依赖你的导师，最后你将不得不比开始读研时更加独立，并且越早开始独立思考越好。

作为一个创新型的科学家，独立思考的能力对于你的科研生涯是至关重要的。所以，你必须从为科学做出重大且独一无二贡献的角度，尽可能地详细明确你自己的研究课题。

（4）生活处处要保持平衡一定要花时间去满足自身的需要。研究生学习对心理和身体上的要求都很高。所以，健康是第一位的，注意保持身体健康，否则你可能会花更多的时间来生病。

努力工作应该同其他你喜欢的活动保持平衡，这样可以给自己休息的时间。因为，这些活动对于你以后的科研生涯经常会变得很重要。一段合作关系的开始有时并不是因为最初有一个共同的科研兴趣，而是因为你们有共同的爱好或者其他兴趣。

（5）提前思考，并尽早投入到专业学习中一方面与专业发展有关，想成为一名成功的科学家，仅仅做好科学研究是不够的，还要写出优秀的论文，获得奖学金，申请科研基金，进行强有力的演讲，并与其他研究者进行交流合作。另一方面是指如何运用这些技巧，找出与获得更高的研究生学位有关的内容。不要等到毕业后才考虑下一步该怎么做。如果可能的话，敲定个职位和一项基金，提前做好准备。

（6）在避免受阻的同时坚持自己的假设

当发觉自己迷失于研究的细节中时，你需要回头想想自己课题的整体框架；然后，时不时地重新评价你的假设，从而判断它是否仍然有意义。因为，这样你可能会发现自己需要一个新的假设。

在同导师讨论时，你要一直把自己的假设记在心里。因为与导师讨论时，你只是廉价劳动力；并且，如果你足够优秀的话，你就会成为导师成功的资源。而这样的诱惑会使得你的导师愿意尽可能长时间的把你留在他身边。所以，你必须要尽早同导师详细地说明自己课题的研究范围，并表态这就是你为了获得学位愿意尝试完成的。

（7）尽早解决问题

如果读研与你原来想象的不一样，不像你想的那样科学严谨等等。你需要找出解决这个问题的办法。同导师讨论一下这些问题，一名好的导师应该不仅在科研上进行指导，在学生的个人发展方面也是一样。记住：导师就在那里，并且他们可能在以前的学生身上遇到过相似的问题。如果需要，停手头的工作，反思一下你的未来。一名优秀的导师会理解的，因为学生身心的健康发展是首要的。

（8）同世界分享你的科研成就

在你所在的机构、国家乃至国际上，被同行认同你的优秀研究是非常重要的。所以当有机会给其他机构开讨论会和演讲时，要抓住机会。各种科研会议是交流兴趣和成果的地方。你要勇敢交流，不要总是同熟人待在一起。因为在你的科研领域里认识一些同行是很重要的，这些人可能成为你日后的合作者、朋友、拥护者甚至老板。

（9）树立信心成功之路充满挫折，例如实验失败，亦或实验虽然顺利完成，但是并没有得到有意义的结果，使得你浪费了宝贵的时间。在读研究生期间的学习通常是很有组织结构的，它并没有使你准备好面对这些挫折。所以，你需要从科研过程和自身的挫折中尽可能多地吸取教训，继续前进。

2.提高专业论文阅读能力请每位学生每周关注本学科重要科技杂志论文。如果时间有限，每周花一个小时读读这两种周刊里的文章标题以及与自己研究领域相关的科研论文的abstra