Техника Z-сканирования

Схема установки z-scan

В нелинейной оптике метод z-сканирования используется для измерения показателя нелинейности n ₂ ( керровской нелинейности ) и коэффициента нелинейного поглощения Δα «закрытым» и «открытым» методами соответственно. Поскольку нелинейное поглощение может повлиять на измерение показателя нелинейности, открытый метод обычно используется в сочетании с закрытым методом для корректировки расчетного значения. Для измерения реальной части нелинейного показателя преломления используется установка z-scan в закрытоапертурном исполнении. В этой форме, поскольку нелинейный материал реагирует как слабая z-зависимая линза, апертура в дальнем поле позволяет обнаруживать небольшие искажения исходного луча. Поскольку фокусирующая способность этой слабой нелинейной линзы зависит от нелинейного показателя преломления, его значение можно было бы получить, анализируя зависящие от z данные, полученные детектором, и осторожно интерпретируя их с использованием соответствующей теории. Для измерения мнимой части нелинейного показателя преломления или коэффициента нелинейного поглощения используется установка z-scan в ее открытой апертурной форме. При измерениях с открытой апертурой апертура в дальней зоне удаляется, и весь сигнал измеряется детектором. При измерении всего сигнала небольшие искажения луча становятся незначительными, а изменение сигнала в зависимости от z полностью обусловлено нелинейным поглощением. Несмотря на свою простоту, во многих случаях исходная теория z-сканирования не является полностью точной, например, когда исследуемый образец имеет неоднородные оптические нелинейные свойства, или когда реакция нелинейной среды на лазерное излучение нелокальна в пространстве. Всякий раз, когда нелинейный отклик, индуцированный лазером в определенной точке среды, не определяется только интенсивностью лазера в этой точке, но также зависит от интенсивности лазера в окружающих областях, его будем называть нелокальным нелинейным оптическим откликом. Как правило, на нелинейность могут влиять различные механизмы, некоторые из которых могут быть нелокальными. Например, когда нелинейная среда диспергирована внутри диэлектрического раствора, переориентация диполей (постоянных или индуцированных молекулярных диполей) в результате действия оптического поля нелокальна в пространстве и изменяет электрическое поле, испытываемое нелинейной средой. Нелокальная теория z-сканирования, может быть использован для систематического анализа роли различных механизмов в создании нелокального нелинейного отклика различных материалов.

Метод z-сканирования с закрытой апертурой

В этой установке имеется апертура, предотвращающая попадание части света на детектор. Расположение оборудования показано на схеме. Линза фокусирует лазер в определенную точку, а после этой точки луч естественным образом дефокусируется. На дальнейшем расстоянии размещается апертура, за которой находится детектор. Благодаря диафрагме детектор достигает только центральная часть светового конуса. Обычно значения нормированного коэффициента пропускания находятся между $0.1<S<0.5$.

Детектор теперь чувствителен к любой фокусировке или дефокусировке, которую может вызвать образец. Образец обычно помещается в точку фокусировки линзы, а затем перемещается вдоль оси Z на расстояние $\pm z_{0}$ которая определяется длиной Рэлея $z_{0}$:

$z_{0}={\frac {\pi W_{0}^{2}}{\lambda }}$

Приближение тонкого образца утверждает, что толщина образца $L$ должно быть меньше длины Рэлея $L<z_{0}$

Метод z-сканирования с открытой апертурой

Этот метод аналогичен описанному выше, однако апертура удаляется или увеличивается, чтобы весь свет мог достичь детектора. Фактически это устанавливает нормализованный коэффициент пропускания равным S = 1. Это используется для измерения коэффициента нелинейного поглощения Δα.Основная причина нелинейного поглощения связана с двухфотонным поглощением.

Техника z-сканирования с двумя руками

При измерении нелинейных свойств молекул в растворе двухфотонное поглощение растворителя обычно невелико и определение $\alpha _{2}$ для растворенного вещества это не проблема. Однако это не относится к нелинейной рефракции (НЛР). Обычно NLR на молекулу растворителя намного меньше, чем у растворенного вещества, но большая плотность молекул растворителя приводит к большому чистому NLR, который может доминировать над сигналом растворенного вещества. Кроме того, имеется вклад в измеренное $n_{2}$ из-за ячеек, используемых для хранения образцов. В тех случаях, когда $n_{2}$ растворенного вещества невелико, при сообщении о нелинейности растворенного вещества могут возникнуть большие расхождения, поскольку NLR растворителя и клеток необходимо вычитать из NLR раствора. Таким образом, определение нелинейностей растворенных веществ в областях, где NLR аналогично растворителю или клеткам или намного меньше, чем растворитель или клетки, затруднено. Аналогично эта проблема возникает для тонких пленок, нанесенных на подложку, где и пленка, и подложка демонстрируют двухфотонное поглощение и нелинейное преломление. Z-сканирование с двумя плечами представляет собой модифицированную версию обычного Z-сканирования, которая может решить эту проблему путем одновременного измерения и вычитания влияния растворителя (или субстрата) из исследуемого образца.

Затмевающее z-сканирование

Этот метод аналогичен методу закрытого z-сканирования, однако чувствительность системы повышается за счет наблюдения только за внешними краями луча за счет блокировки центральной области. Это достигается за счет замены диафрагмы дисками, перекрывающими центральную часть луча. Метод получил свое название из-за того, как свет проходит вокруг диска к детектору, подобно затмению .

Дальнейшим усовершенствованием метода затменного z-сканирования является добавление линзы за апертурой, чтобы свет фокусировался на детекторе. Это также может уменьшить потребность в детекторе большего размера.

Внешние ссылки

• Измерения оптических нелинейностей с помощью Z-сканирования
• Сводка измерений Z-скана Рюдигера Пашотты