(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210818290.5 (22)申请日 2022.07.13 (71)申请人 南开大学 地址 300071 天津市南 开区卫津路94 号 (72)发明人 齐鹏飞　钱文启　曾茜　孙昌林　 林列　张楠　刘伟伟　 (74)专利代理 机构 天津耀达律师事务所 12 223 专利代理师 侯力 (51)Int.Cl. G01N 21/41(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种测量强散射介质非线性折射率系数的 谱域z扫描方法 (57)摘要 一种测量强散射介质非线性折射率系数的 谱域z扫描方法。 首先使用Matlab软件对脉冲在 介质中的传输过程进行模拟， 建立待测样品出射 光谱的展宽 大小与z轴上最大 非线性相移Δφmax 之间的关系曲线， 然后实验中入射光束首先经过 高反镜， 微弱的透射光入射至功率计用于监测激 光器抖动， 另一束较强反射光经透镜聚焦到待测 样品， 待测样品放置于电动平移台之上在焦点附 近以固定步长移动， 与 样品非线性相互作用后的 出射光场由透镜聚焦耦合至积分球再传输至光 谱仪， 探测自相位调制引起的光谱展宽， 根据光 谱展宽的大小及所建立的关系曲线确定介质的 非线性折射率系数， 本发明具有装置简单、 高灵 敏度、 高信噪比等优点， 可用于强散射介质的非 线性折射率系数测量。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 115266642 A 2022.11.01 CN 115266642 A 1.一种测量强散射介质非线性 折射率系数的谱域z扫描方法， 其特 征在于， 包括 第1步、 建立待测样品出射光谱的展宽大小与z轴上最大非线性相移Δφmax之间的关 系； 第2步、 将激光器输出的激光经由第 一透镜汇聚于待测样品上， 由电动平移台带动待测 样品在第一透 镜焦点附近以固定的步长沿光路方向亦即z轴方向前后移动； 第3步、 由待测样品所产生的出射光， 由第二透镜汇聚后由积分球收集， 再经光纤耦合 由光谱仪 接收并测量所述输出光的光谱； 第4步、 使用计算机根据出射光谱的展宽大小计算归一化透过率曲线T(z)的大小， 从而 得到所定义归一 化透过率曲线变化幅度Tv的大小； 根据归一化透过率曲线T(z)、 归一化透过率曲线变化幅度Tv与z轴上最大 非线性相移Δ φmax的关系曲线以及克尔公式Δφmax＝kn2I0Leff， 从而计算得到待测样品的非线性折射率 系数n2。 2.如权利要求1所述的测量强散射介质非线性折射率系数的谱域z扫描方法， 其特征在 于， 第1步所述建立待测样品出射光谱的展宽大小与z轴上最大非线性相移Δφmax之间关系 的方法如下： 第1.1步： Matlab软件 模拟输入高斯 光束光场表达式E(z,t)： 其中， A(z)＝A0w0/w(z), t是时间， z是样品在z 轴上的位置， w0是束腰半径， zr是光束瑞利衍射长度， λ是真空中的激光波长， τ0是激光脉冲 在1/e峰值强度处的半时间宽度， k0＝2 π/ λ是真空中的波矢量； 当介质足够 “薄”， 即介质厚度L小于瑞利衍射长度zr， 则介质内由衍射和非线性折射率 引起的光束直径变化可以忽略不计， 在慢变包络近似(SVEA)下， 光 强I和非线性相位变化Δ φ随着光场在 介质中的传播深度z'的变化由如下 方程描述： α 为线性吸 收系数， k 为介质中的波矢量； 为简单起见， 只考虑克尔非线性， 即k＝n0k0是介质中的波矢量， n0是线性折射率系数， Δn＝n2I是由克尔效应引起的非线性折射率， n2为样品的非线性折射率系数， 可得非线性相 移如下： 其中， Δφmax为传播方向最大的非线性相移， Δφmax＝kn2I0Leff， Leff＝(1－e‑α L)/α， α 为 线性吸收系数， L为待测样品的实际厚度， I0为焦点处的峰值光强； 激光脉冲通过介质后的 光场包含由自相位调制(S PM)引起的非线性相位畸变， 可写为：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115266642 A 2Eout(z,t)＝E(z,t)exp( ‑α L/2)exp( ‑iΔφ)                  (5) 出射光场通过傅里叶变换， 可以得到从介质输出的激光脉冲的光谱： 其中ω为频率； 第1.2步： 首先定义滤波器线性透过率S： 其中, 表示当样品远离焦点时， 光谱仪测量的整个带宽上的积分， λ1 ～λ2是积分范围， λ1和 λ2关于中心波长对称， 滤波器线性透过率S用于量化计算归一化透过 率曲线T(z)的光谱窗口λ1～ λ2的范围大小； 其次量化出射光谱的展宽大小， 定义 一个归一 化透过率曲线 T(z)： 其中， F( λ,z)是样品放置在z位置时的出射光谱， F( λ,z →∞)是样品远离焦点处时的出 射光谱， 等效于没有样品的出射激光 光谱， λ1～ λ2是积分范围， λ1和 λ2关于中心波长对称； 再建立归一 化透过率曲线 T(z)与z轴上最大非线性相移Δφmax的关系： 定义归一 化透过率曲线变化幅度Tv： Tv＝1‑Min(T(z))                                    (9) 最大非线性相移Δφmax与归一化透过率曲线变化幅度Tv的关系： 至此出射光谱的展宽大小与z轴上最大非线性相移Δφmax之间的关系已建立完毕。 3.如权利要求1或2所述的测量强散射介质非线性折射率系数的谱域z扫描方法， 其特 征在于， 所述扫描方法使用的装置包括激光器、 反射镜、 功率计、 第一透镜、 电动平移台、 第 二透镜、 积分球、 光纤、 光谱仪和计算机； 所述激光器输出的激光经由所述反射镜反射后， 由第 一透镜将反射的激光汇聚于待测 样品上， 微弱的透射光入射至功率计用于监测激光器抖动， 待测样品放置在电动平移台上 并由电动平移台带动待测样品在第一透镜焦点附近以固定的步长沿光路方向前后移动， 经 由待测样品所产生的出射光， 由所述第二透镜汇 聚后由所述积分球收集， 再经光纤耦合由 光谱仪接收并测量所述输出光的光谱并送入计算机， 所述计算机根据样品处于不同位置时 光谱展宽的大小计算样品归一化透过率曲线T(z)， 再由归一化透过率曲线T(z)计算得到所 定义的归一化透过率曲线变化幅度Tv， 最后根据归一化透过率曲线T(z)、 归一化透过率曲 线变化幅度Tv与z轴上最大非线性相移Δφmax的关系曲线以及克尔公式Δφmax＝kn2I0Leff， 从而计算得到待测样品的非线性 折射率系数n2。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115266642 A 3