Die Z-Scan-Technik ist eine hochempfindliche und vielseitige Methode, mit der der nichtlineare Brechungsindex gemessen wird (N
2 ) und nichtlinearer Absorptionskoeffizient (β) von Materialien. Es ist eine Einzelstrahlmethode, dh nur ein einzelner Laserstrahl erforderlich ist, um die Probe zu untersuchen. Diese Einfachheit steht im Gegensatz zu komplexeren Techniken, die mehrere Strahlen erfordern.
Hier ist eine Aufschlüsselung darüber, wie es funktioniert:
* Das Setup: Eine Probe wird in einen dicht fokussierten Gaußschen Laserstrahl gelegt. Die Probe wird dann entlang der Ausbreitungsrichtung des Strahls (der Z-Achse) übersetzt, daher der Name "Z-Scan". Ein Detektor misst die übertragene Lichtintensität als Funktion der Position der Probe (Z).
* Die Messung: Der Schlüssel zur Empfindlichkeit des Z-Scans liegt darin, wie sich der nichtlineare Brechungsindex und die Absorption auf die Ausbreitung des Strahls auswirken.
* nichtlineare Brechung (n 2 ): Ein Material mit einem nichtlinearen Brechungsindex ändert seinen Brechungsindex proportional zur Intensität des durch ihn geleiteten Lichts. Wenn sich die Probe durch den Fokus (hohe Intensitätsregion) bewegt, erfährt der Strahl aufgrund der intensitätsabhängigen Änderung des Brechungsindex einen Lensing-Effekt. Dies führt zu einer charakteristischen normalisierten Transmissionskurve mit einem Peak, gefolgt von einem Tal (oder umgekehrtversa, abhängig vom Vorzeichen von n 2 ). Die Trennung zwischen dem Peak und dem Tal hängt direkt mit dem Rayleigh -Bereich des fokussierten Strahls zusammen. Die Größe des Peaks und des Tals ist direkt proportional zu n 2 .
* nichtlineare Absorption (β): Nichtlineare Absorptionsprozesse wie die Absorption von Zwei-Photonen erhöhen die Absorption des Materials mit zunehmender Intensität des Lichts. Dies führt zu einer normalisierten Transmissionskurve mit einem Dip, das im Fokus zentriert ist. Die Tiefe dieses Einbruchs hängt mit dem nichtlinearen Absorptionskoeffizienten (β) zusammen.
* Datenanalyse: Die normalisierte Transmissionskurve wird an theoretische Modelle angepasst, um die Werte von n 2 zu extrahieren und β. Das spezifische Modell hängt von der Art der Messung der Nichtlinearität ab (z. B. geschlossener Atertur z-scan für n 2 , Open-Afertur-Z-Scan für β und kombinierte offene und geschlossene Blende für beide).
Vorteile der Z-Scan-Technik:
* Einfachheit: Benötigt nur einen einzelnen Strahl und ein relativ einfaches optisches Setup.
* Empfindlichkeit: Hochempfindlich sowohl für nichtlineare Brechung als auch absorbierende Effekte.
* Vielseitigkeit: Anwendbar auf eine Vielzahl von Materialien und Wellenlängen.
* nicht zerstörerisch: Im Allgemeinen nicht zerstörerisch für die Probe, insbesondere wenn niedrige Laserkraft verwendet wird.
Arten von Z-Scan:
* Open-Aperture z-scan: Misst nur nichtlineare Absorption. Der gesamte übertragene Strahl wird vom Detektor gesammelt.
* geschlossener Aertur z-scan: Misst nur nichtlineare Brechung. Vor dem Detektor wird eine kleine Blende platziert, wodurch der äußere Teil des Strahls blockiert wird.
* kombiniertes offenes und geschlossenes Apertur z-scan: Bietet gleichzeitig Messungen sowohl der nichtlinearen Brechung als auch der Absorption.
Zusammenfassend ist die Z-Scan-Technik ein leistungsstarkes und weit verbreitetes Werkzeug zur Charakterisierung der nichtlinearen optischen Eigenschaften von Material und β. Diese Informationen sind für Anwendungen in Bereichen wie optischer Begrenzungsbeschränkung, optischer Umschaltung und all-optischer Signalverarbeitung von entscheidender Bedeutung.
