不同光束下Z扫描测量技术灵敏度的研究开题报告

1、背景：在激光器发明之前，人们主要利用线性光学的理论来描述光在介质中的传播和与物质相互作用，激光器的诞生使得人们走进了非线性光学这个神奇的领域。随着研究的不断深入，非线性光学在基本原理、新效应的发现与应用、非线性光学材料的研究与应用等方面都得到了巨大的发展，并逐渐发展成为光学的一个重要的分支。

非线性光学领域的飞速发展离不开对光学非线性材料的研究。寻找各种用途的理

想光学非线性材料是非线性光学领域的一个非常重要的任务。对于大量的光学非线性材料，为了筛选及进行进一步研究，需要较方便准确的非线性测量技术，在研究材料的三阶非线性光学效应中，常常几种非线性机制同时存在，就给测量结果的分析带来了一定的困难。区别于传统方法，Z-scan技术由于其具有实验装置简单、灵敏度高、可以同时测量非线性吸收和非线性折射的大小和符号等优点，应用最为广泛。高斯光Z-扫描是目前最常用的一种光路，后来在此基础上发展了多种改进的Z-扫描技术。一些改进技术使系统测量的灵敏度有了很大的提高，另一些拓展了Z-扫描技术测量的内容。

Top-hat Z-扫描，这种方法是利用top-hat光代替原来的高斯光，可以使得系统的非线性折射的测量灵敏度提高2.5 倍。此外，由于top-hat光是将激光器出射的光束扩束以后再通过一个小孔得到的，因此它对原始的光束质量的要求不高。

反射式Z-扫描是通过测量样品表面反射光能量的改变，可以用来研究高吸收介质表面的光学非线性的方法。在这种Z-扫描方法中，如果将样品的法线方向与光束传播方向成布儒斯特角，使得测量信号对非线性样品引起的光束角度的偏折最灵敏。

双色Z-扫描是首先将从激光器出射的光束经过倍频晶体，然后将含有原来频率的光和倍频光形成的混合光束入射到Z-扫描系统中，可以用来研究非简并情况下介质的光学非线性。双束时间分辨Z-扫描是在双色Z-扫描系统中，将某一频率的光束中增加一个时间延迟装置，可以用来研究材料光学非线性时间响应特性。

Dark-field Z扫描是基于暗场微观结构和Z扫描相结合的方法，暗场显微镜能呈现出暗背景图像，其中小结构的观察突出，明显增加NL衍射能量的对比度。因此，可以获得在空间上解析的诱导相移的图像，而不需要引入复杂的干涉，具有较高的灵敏度。本文重点研究几种具有代表性的Z扫描技术及获取分析其相关灵敏度。

2、目的：仿真近top-hat光束下的Z扫描曲线，获得最佳灵敏度时的实验配置；基于暗场微观的新光学测量技术对具有相对较高对比度的暗场图像实现Z扫描，获得并分析所得的测量灵敏度。

3、意义：研究不同光束下的在Z扫描测量技术，利用程序仿真获取不同光束下的测量灵敏度。

研究内容:

（1）通过本科所学知识及查阅文献资料，全面地了解非线性光学测量技术的发展与研究概况。

（2）熟悉Z扫描测量技术的实验装置以及涉及的光学非线性测量技术的原理。

（3）重点研究近top-hat光束下的Z扫描曲线特征，通过对其进一步进行理论分析，获得最佳灵敏度时的实验配置。

（4）研究证实基于Dark-field Z扫描的新光学测量技术的可行性并进行实验采集与相关的数值模拟进行比较，获得该技术下的测量灵敏度增益。

预期目标：

（1）学习Z-scan的理论及技术研究进展。

（2）能够利用程序仿真不同入射光束下的Z扫描结果，并对其灵敏度进行分析。

（3）掌握实验采集和数据模拟的程序方法.

研究方法：

查阅文献资料掌握相关Z扫描技术的实验装置及其原理，利用matlab、origin程序仿真图像，获取不同光束下的测量灵敏度。

步骤：

（1）查找相关文献，熟悉研究领域。

（2）根据参考文献制定相应研究方法。

（3）熟悉Z扫描测量技术的实验装置以及涉及的相关理论分析。

（4）学习相关程序应用对不同光束下的Z扫描测量技术进行仿真模拟。

（8）记录实验数据，绘制分析各实验数据曲线图。

（9）获取并对比不同光束下的测量灵敏度。

(10)完成论文的初稿，并按指导教师的修改意见认真修改论文，论文格式、引言正文内容、英文摘要上规范、正确，顺利完成毕业设计。

(11)完成论文终稿。

(12)完成汇报，准备答辩。

(13)答辩后，按答辩老师要求修改论文，并整理资料，上交。

[1]Ferdinandus M R, Reichert M, Ensley T R, et al. Dual-arm Z-scan technique to extract dilute solute nonlinearities from solution measurements[J]. Optical Materials Express, 2012, 2(12): 1776-1790.

[2]Wang H, Cassagne C, Leblond H, et al. Dark-field Z-scan imaging technique[J]. Optics Communications, 2016, 366: 148-153.

[3]Zhao W, Palffy‐Muhoray P. Z‐scan technique using top‐hat beams[J]. Applied physics letters, 1993, 63(12): 1613-1615.

[4]Sheik-Bahae M, Said A A, Wei T H, et al. Sensitive measurement of opticalnonlinearities using a single beam[J]. IEEE journal of quantum electronics, 1990, 26(4): 760-769.

[5]Xia T, Hagan D J, Sheik-Bahae M, et al. Eclipsing Z-scan measurement of λ/10

4wave-front distortion[J]. Optics letters, 1994, 19(5): 317-319.

[6]Yang J, Wu X, Shi M, et al. Sensitivity enhancement for measurement of nonlinearrefraction using top-hat beams[J]. Applied Physics B, 2013, 110(4): 591-594.

[7]杨新江, 臧维平, 田建国, 等. 近 top-hat 光束 Z 扫描理论分析[J]. 物理学报, 2005, 54(6): 2735-2738.

(1) 2022-11-26～2022-02-24

复习光学原理及激光原理的知识；学习使用基本的Matlab命令；学习如何用Origin作简单的数据分析和数据处理；

(2) 2022-02-25～2022-03-10

了解非线性光学基本概念和常用的非线性光学测量技术；调研有关Z扫描的理论和实验的文献资料，熟悉Z扫描实验的研究进展；提出研究方案，完成开题报告。

(3) 2022-03-11～2022-03-24

了解Z扫描实验的基本实验装置和实验原理，利用Matlab软件模拟仿真Z扫描实验结果。

(4) 2022-03-25～2022-04-28

总结分析近年来发展的基于Z扫描光路的改进的实验方法，分析不同入射光束下的Z扫描结果和灵敏度，实现测量技术的优化。

(5) 2022-04-15～2022-04-28

中期检查，学生汇报课题进展情况，回答教师提问。

(6) 2022-03-11～2022-05-19

撰写、修改毕业论文，完成论文初稿。

(7)2022-05-20～2022-05-31

与指导教师讨论修改论文内容及格式，定稿。

(8) 2022-06-01～2022-06-14

请其他教师评阅、准备答辩ppt、进行预答辩、答辩。