В нелинейной оптике метод z-сканирования используется для измерения нелинейного показателя преломления n 2 ( нелинейность Керра ) и нелинейного коэффициента поглощения Δα с помощью «закрытого» и «открытого» методов соответственно. Поскольку нелинейное поглощение может влиять на измерение нелинейного показателя преломления, открытый метод обычно используется в сочетании с закрытым методом для коррекции вычисленного значения. Для измерения действительной части нелинейного показателя преломления установка z-сканирования используется в форме закрытой апертуры. В этой форме, поскольку нелинейный материал реагирует как слабая z-зависимая линза, апертура дальнего поля позволяет обнаружить небольшие искажения пучка в исходном пучке. Поскольку фокусирующая способность этой слабой нелинейной линзы зависит от нелинейного показателя преломления, [1] можно было бы извлечь его значение, проанализировав z-зависимые данные, полученные детектором, и осторожно интерпретировав их с помощью соответствующей теории. [2] Для измерения мнимой части нелинейного показателя преломления или коэффициента нелинейного поглощения используется установка z-сканирования в форме открытой апертуры. При измерениях с открытой апертурой апертура дальнего поля удаляется, и весь сигнал измеряется детектором. При измерении всего сигнала небольшие искажения пучка становятся незначительными, а изменение сигнала, зависящее от z, полностью обусловлено нелинейным поглощением. Несмотря на свою простоту, во многих случаях исходная теория z-сканирования не совсем точна, например, когда исследуемый образец имеет неоднородные оптические нелинейные свойства, [3] или когда нелинейный отклик среды на лазерное излучение нелокален в пространстве. Всякий раз, когда вызванный лазером нелинейный отклик в определенной точке среды определяется не только интенсивностью лазера в этой точке, но также зависит от интенсивности лазера в окружающих областях, его будут называть нелокальным нелинейным оптическим откликом. Как правило, в нелинейность могут вносить вклад 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 является нелокальной в пространстве и изменяет электрическое поле, испытываемое нелинейной средой. Нелокальная теория z-сканирования [4] может быть использована для систематического анализа роли различных механизмов в создании нелокального нелинейного отклика различных материалов.
В этой установке апертура размещается для предотвращения попадания части света на детектор. Оборудование расположено так, как показано на схеме. Линза фокусирует лазер в определенной точке, и после этой точки луч естественным образом расфокусируется. После дальнейшего расстояния размещается апертура с детектором за ней. Апертура заставляет только центральную область конуса света достигать детектора. Обычно значения нормализованного пропускания находятся в диапазоне .
Детектор теперь чувствителен к любой фокусировке или расфокусировке, которую может вызвать образец. Образец обычно помещается в фокусную точку линзы, а затем перемещается вдоль оси z на расстояние, которое задается длиной Рэлея :
Приближение тонкого образца утверждает, что толщина образца должна быть меньше длины Рэлея.
Этот метод похож на метод выше, однако апертура удаляется или увеличивается, чтобы весь свет достигал детектора. Это фактически устанавливает нормализованный коэффициент пропускания S = 1. Это используется для измерения нелинейного коэффициента поглощения Δα. Основная причина нелинейного поглощения связана с двухфотонным поглощением.
При измерении нелинейных свойств молекул в растворе двухфотонное поглощение растворителя обычно мало, и определение для растворенного вещества не является проблематичным. Однако это не относится к нелинейной рефракции (NLR). Обычно NLR на молекулу растворителя намного меньше, чем у растворенного вещества, но большая плотность молекул растворителя дает большую чистую NLR, которая может доминировать над сигналом из-за растворенного вещества. Кроме того, в измеренное вносят вклад ячейки, используемые для хранения образцов. В случаях, когда растворенного вещества мало, могут возникнуть большие расхождения при сообщении нелинейности растворенного вещества, поскольку NLR растворителя и ячеек необходимо вычесть из NLR раствора. Таким образом, определение нелинейностей растворенного вещества в областях, где NLR аналогичен или намного меньше, чем у растворителя или ячеек, было затруднено. Аналогично эта проблема возникает для тонких пленок, нанесенных на подложку, где и пленка, и подложка демонстрируют двухфотонное поглощение и нелинейную рефракцию. Двухрукавное Z-сканирование представляет собой модифицированную версию обычного Z-сканирования, которая может решить эту проблему путем одновременного измерения и вычитания эффекта растворителя (или субстрата) из исследуемого образца. [5] [6]
Этот метод похож на метод закрытого z-сканирования, однако чувствительность системы увеличивается за счет того, что мы смотрим только на внешние края луча, блокируя центральную область. Это достигается путем замены апертуры дисками, которые блокируют центральную часть луча. Метод получил свое название от способа, которым 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 снизить потребность в более крупном детекторе.
