Zスキャン技術
Zスキャンセットアップの概略図

非線形光学 では、Zスキャン技術を用いて、非線形屈折率n 2（カー非線形性）と非線形吸収係数Δαをそれぞれ「クローズド」法と「オープン」法で測定します。非線形吸収は非線形屈折率の測定に影響を与える可能性があるため、通常、オープン法はクローズド法と組み合わせて使用​​され、計算値を補正します。非線形屈折率の実部を測定するには、Zスキャン装置をクローズドアパーチャ形式で使用します。この形式では、非線形材料が弱いZ依存レンズのように反応するため、遠視野アパーチャによって元のビームの小さなビーム歪みを検出できます。この弱い非線形レンズの集光力は非線形屈折率に依存するため、[1]検出器によって取得されたZ依存データを分析し、適切な理論を用いて慎重に解釈することで、その値を抽出することが可能です。[2]非線形屈折率の虚数部、すなわち非線形吸収係数を測定するために、Zスキャンセットアップを開口型で使用します。開口型測定では、遠方場開口が除去され、信号全体が検出器で測定されます。信号全体を測定することで、ビームの小さな歪みは無視でき、Zに依存する信号変動は完全に非線形吸収によるものになります。その単純さにもかかわらず、多くの場合、元のZスキャン理論は完全に正確ではありません。例えば、調査対象のサンプルが不均一な光学非線形特性を持つ場合、[3]や、レーザー放射に対する非線形媒体の応答が空間的に非局所的である場合などです。媒体の特定の点におけるレーザー誘起非線形応答が、その点におけるレーザー強度のみによって決定されるのではなく、周囲領域のレーザー強度にも依存する場合、それは非局所非線形光学応答と呼ばれます。一般に、非線形性にはさまざまなメカニズムが寄与する可能性があり、その中には非局所的なメカニズムもあります。例えば、非線形媒質が誘電体溶液中に分散している場合、光電場作用の結果として生じる双極子（永久双極子または誘導分子双極子）の再配向は空間的に非局所的であり、非線形媒質が受ける電場を変化させます。非局所Zスキャン理論[4]は、様々な物質の非局所非線形応答を生成する様々なメカニズムの役割を体系的に解析するために使用できます。

閉開口Zスキャン技術

この構成では、光の一部が検出器に到達するのを防ぐために開口部が配置されます。装置は図に示すように配置されています。レンズはレーザーをある一点に集光し、その点を超えるとビームは自然に焦点がぼけます。さらに離れた場所に開口部が配置され、その後ろに検出器が配置されます。開口部によって、光円錐の中心領域のみが検出器に到達します。通常、正規化透過率はから の間になります。 0.1 < S < 0.5 {\displaystyle 0.1<S<0.5}

検出器は、試料によって引き起こされるあらゆる焦点のずれや焦点ずれを感知します。試料は通常、レンズの焦点位置に配置され、レイリー長で与えられる距離だけZ軸に沿って移動します。 ± z 0 {\displaystyle \pm z_{0}} z 0 {\displaystyle z_{0}}

z 0 = π W 0 2 λ {\displaystyle z_{0}={\frac {\pi W_{0}^{2}}{\lambda }}}

薄いサンプル近似は、サンプルの厚さがレイリー長より小さくなければならないことを述べている。 L {\displaystyle L} L < z 0 {\displaystyle L<z_{0}}

オープンアパーチャZスキャン技術

この方法は上記の方法と似ていますが、開口部を取り除くか拡大することで、すべての光が検出器に到達できるようにします。これにより、正規化透過率は実質的にS = 1に設定されます。これは、非線形吸収係数Δαを測定するために使用されます。非線形吸収の主な原因は、二光子吸収です。

デュアルアームZスキャン技術

溶液中の分子の非線形特性を測定する場合、溶媒の二光子吸収は通常小さく、溶質の非線形特性の測定は問題になりません。しかし、非線形屈折（NLR）の場合はそうではありません。通常、溶媒分子あたりのNLRは溶質のNLRよりもはるかに小さいですが、溶媒分子の密度が高いため、正味のNLRは大きくなり、溶質に起因する信号を支配する可能性があります。さらに、サンプルを保持するセルも測定値に寄与します。溶質のNLRが小さい場合、溶媒とセルのNLRを溶液のNLRから差し引く必要があるため、溶質の非線形特性を報告する際に大きな矛盾が生じる可能性があります。そのため、NLRが溶媒またはセルと同程度か、はるかに小さい領域における溶質の非線形特性の測定は困難でした。同様に、この問題は基板上に堆積された薄膜においても発生します。薄膜と基板の両方が二光子吸収と非線形屈折を示します。デュアルアームZスキャンは従来のZスキャンの改良版であり、研究対象のサンプルから溶媒（または基質）の影響を同時に測定し、差し引くことでこの問題に対処できます。[5] [6] α 2 {\displaystyle \alpha _{2}} n 2 {\displaystyle n_{2}} n 2 {\displaystyle n_{2}}

日食Zスキャン

この方法はクローズドZスキャン法に似ていますが、ビームの中心領域を遮断し、ビームの外側のエッジのみを観測することでシステムの感度を高めています。これは、開口部をビームの中心部分を遮るディスクに置き換えることで実現されます。この方法は、光がディスクを迂回して検出器に到達する様子が日食に似ていることから、この名前が付けられました。

食 Z スキャン法のさらなる改良点は、光が検出器に集中するように開口部の後ろにレンズを追加することです。これにより、より大きな検出器の必要性も軽減されます。

参考文献

  1. ^ Vaziri, MRR (2015). 「モアレ偏向測定法を用いた材料の非線形屈折測定に関するコメント」「光学通信. 357 : 200–201 .書誌コード:2015OptCo.357..200R. doi :10.1016/j.optcom.2014.09.017.
  2. ^ Sheik-Bahae, M (1990). 「単一ビームを用いた光非線形性の高感度測定」(PDF) . IEEE Journal of Quantum Electronics . 26 (4): 760– 769. Bibcode :1990IJQE...26..760S. doi :10.1109/3.53394.
  3. ^ Belashov, Andrei V.; Chau-Jern Cheng; Nikolay V. Petrov (2021). 「不均質な光学非線形特性を持つサンプルにおける非共線的縮退位相変調 [招待講演]」(PDF) .応用光学. 60 (10): B14. Bibcode :2021ApOpt..60B..14B. doi :10.1364/AO.415102. S2CID  232773439.
  4. ^ Rashidian Vaziri, MR (2013). 「非線形屈折と非線形吸収を同時に有する非局所非線形媒質のZスキャン理論」.応用光学. 52 (20): 4843–8 . Bibcode :2013ApOpt..52.4843R. doi :10.1364/AO.52.004843. PMID  23852196.
  5. ^ Ferdinandus, Manuel R. (2012). 「溶液測定から希薄溶質の非線形性を抽出するためのデュアルアームZスキャン技術」. Optical Materials Express . 2 (12): 1776– 1790. doi : 10.1364/OME.2.001776 .
  6. ^ Ensley, Trenton R (2019). 「デュアルアームZスキャン法による薄膜の非線形屈折および吸収測定」.応用光学. 58 (13): D28 – D33 . doi : 10.1364/AO.58.000D28 . PMID  31044817.
  • 光学的非線形性のZスキャン測定 Archived 2010-06-12 at the Wayback Machine
  • Rüdiger PaschottaによるZスキャン測定の概要
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