تکنیک Z-Scan

مقدمه

روش های معتبری به منظور تعیین خواص غیرخطی مواد ( مانند جذب غیرخطی و شکست غیر خطی) برای گستره وسیعی از کاربردها همچون محدود کننده اپتیکی، بسپارش چندفوتونی و همچنین سوئیچ نوری وجود دارد. از میان این روش ها، روش زد اسکن (z-scan)  که توسط Eric Van Stryland توسعه یافته، تا کنون به عنوان یک تکنیک استاندارد باقی مانده است.

تکنیک زد اسکن با  جابه جایی یک نمونه از میان کمر باریکه­ ی یک باریکه­ی کانونی شده و اندازه گیری توان انتقال یافته از نمونه انجام می شود. سیستم زد اسکن شکل بندی های متفاوتی دارد از جمله زد اسکن E و زد اسکن نور سفید.

در این نوشتار تنها سیستم زد اسکن با دهانه باز و دهانه بسته مورد بررسی قرار خواهند گرفت. دو کمیتی که توسط این سیستم قابل اندازه گیری هستند ضریب جذب غیر خطی و ضریب شکست غیر خطی می باشند. این پارامترها مربوط به بخش موهومی و حقیقی ضریب پذیرفتاری مرتبه سوم غیر خطی می باشند و اطلاعات قابل توجهی از خصوصیات ماده به دست می­ دهند.

هدف از این نوشتار چگونگی اجرای سیستم زد اسکن است به گونه ­ای که بتوان توسط آن مواد اپتیکی نسبتا نازک(mm5> ) را مشخصه یابی نمود.

طریقه عملکرد

شکل 1-2 سیستم زد اسکن توصیف شده در این نوشتار را نمایش می دهد. یک باریکه لیزر پرشدت از میان یک عدسی با فاصله کانونی بزرگ عبور می­کند. نمونه مورد آزمایش با ضخامت کم در طول کمر باریکه توسط یک جابه جاگر موتوردار حرکت می­کند. باریکه پس از کانونی شدن توسط یک باریکه شکن  به دوبخش تقسیم می­شود و کسری از باریکه به سمت آشکارساز فوتونی(1) فرستاده می­شود.

کسر دیگر باریکه به یک دیافراگم فرستاده می­شود که حدودا نیمی از شدت باریکه را شامل می شود. بعد از دیافراگم، آشکارساز فوتونی دیگری وجود دارد که باقیمانده باریکه عبوری از دیافراگم را آشکار می­کند. خروجی هر دو آشکارساز به یک توان سنج فرستاده شده و در نهایت به کامپیوتر منتقل می­گردد.

در این سیستم هر دو تکنیک زد اسکن دهانه باز و دهانه بسته را می توان همزمان و تنها با یک اندازه­گیری اجرا نمود.

در چیدمان شرح داده شده هر دو آشکارساز را می توان با یک  CCDجایگزین نمود. نتیجه حاصل از آشکارساز دهانه باز را می­توان با انتگرال­گیری روی کل آرایه  CCDبدست آورد. در صورت حذف دیافراگم مقابل آشکارساز، اطلاعات مشابه نتایج به­دست آمده از دهانه بسته را می­توان با تعیین تغییرات شعاعی باریکه هنگام عبور نمونه از ناحیه کانونی باریکه بدست آورد.

تصویر چیدمان آزمایشگاهی Z-Scan
شکل1) تصویر چیدمان آزمایشگاهی Z-Scan

نمادها و معادلاتی که در ادامه مورد استفاده قرار می­ گیرند به صورت زیر می­ باشند:

معادلات z-Scan

l

معادلات Z-Scan

توضیحات ارائه شده در بخش ­های بعدی بر مبنای فرض ­های زیر می­ باشند:

1-پوش پالس در مقیاس زمانی بسیار طولانی­ تری نسبت به فرکانس اپتیکی تکامل می ­یابد.( تقریب تغییر آهسته پوش ).

2- طول نمونه باید کوچک­تر از مقیاس رایلی باریکه باشد. همچنین طول نمونه باید کوچک­تر از طول رایلی تقسیم بر شیفت فازی غیرخطی قله باشد. معمولا زمانی که شرط اول برقرار باشد، شرط دوم نیز برقرار است؛ چرا که شیف فاز غیر خطی اغلب مقداری کوچک است.

3- نمایه­ ی باریکه در هر دو حالت زمانی و فضایی، به صورت توزیع گاوسی می­ باشد.

4- پاسخ غیر خطی محدود به مرتبه ­ی سوم می ­باشد.

دهانه ­ی باز- ضریب جذب غیر خطی

زمانی که یک نمونه از ناحیه کانونی باریکه عبور می کند، آشکارساز(1) کل شدت انتقال یافته را اندازه­ گیری می کند. با توجه به این که هنگام اسکن نمونه تنها چگالی تابشی حاصل از نمونه تغییر می­ کند، هر انحرافی در شدت انتقال یافته ­ی کل ناشی از جذب چند فوتونی می ­باشد. در محدوده ای که اثر چند فوتونی منحصر به جذب دو فوتونی می شود ، تغییر بهنجار شدت عبوری را می­ توان با معادله زیر تقریب زد:

تغییر بهنجار شدت عبوری
 

 

 

شکل 2 انتقال بهنجار( ΔT+1) را به صورت تابعی از موقعیت نمونه( Z) بر اساس معادله(1) نشان می­ دهد( مقیاس رایلی به کار رفته برای رسم منحنی به ترتیب 18mm و 0.5 می­ باشند). مقادیر منفی Z نشان می دهد که موقعیت نمونه بین لنز و نقطه­ ی کانونی کمر باریکه است و مقادیر مثبت Z نشان­ دهنده موقعیت نمونه میان نقطه­ ی کانونی کمر باریکه و آشکارساز می­ باشد. برازش منحنی داده های حاصل از دهانه ­ی باز را می­ توان توسط معادله(1) انجام داد. ضریب جذب دو فوتونی β را می توان با استقاده از رابطه­ ی زیر به دست آورد :

 Capture

شکل2) نمونه ای از جذب غیرخطی در یک آزمایشz-scan
شکل2) نمونه ای از جذب غیرخطی در یک آزمایش z-scan

دهانه­ ی بسته- ضریب شکست غیر خطی

زمانی که نمونه از ناحیه کانونی باریکه عبور می ­کند آشکارساز فوتونی(2) ، کسر شدت عبوری از روزنه که از نمونه انتقال یافته است را اندازه­گیری می ­کند. اگر هنگام عبور نمونه از ناحیه کانونی، باریکه هرگونه رخداد شیفت فاز غیر خطی ناشی از نمونه را تجربه کند،  آنگاه کسر نور فرودی روی آشکارساز در اثر وجود لنز کر تولید شده در ماده ناشی از باریکه پرشدت لیزر، دچار تغییر خواهد شد.

در این حالت سیگنال نوری اندازه گیری شده توسط آشکارساز دوم یک بیشینه و کمینه را نمایش می­ دهد. زمانی که نمونه در حال اسکن می باشد(شکل3). موقعیت بیشینه و کمینه به اثر شیفت فاز غیر خطی بستگی دارد.

زمانی که شیفت فازی مثبت باشد( به عبارت دیگر اثر خود کانونی رخ دهد) ابتدا بیشینه و سپس کمینه تشکیل می ­شود و زمانی که شیفت فازی منفی باشد ( اثر خود واکانونی ) ابتدا کمینه و سپس بیشینه تشکیل می­ گردد. اندازه شیفت فازی را می توان از تغییرات انتقال بهنجار میان بیشینه و کمینه   با استفاده از رابطه زیر مشخص نمود.

Capture

 

 

 

که در آن  Sکسر انتقال یافته باریکه از میان روزنه است. ضریب غیر خطی  را می توان با استفاده از شیفت فازی بدست آورد.

Capture

 

شکل3 نمونه ای از شکست غیر خطی در یک آزمایشz-scan
شکل3) نمونه ای از شکست غیر خطی در یک آزمایشz-scan

روابط فوق بر مبنای تقریبی با دقت 3 در صد نوشته شده­ اند. در صورت نیاز به دقت بیش تر می­توان به روش ارائه شده توسط شیخ­ بهایی و همکارانش بر مبنای آنالیز گاوسی مراجعه نمود.

دهانه­ ی بسته- ضریب شکست غیر خطی در حضور ضریب جذب غیر خطی

زمانی که ضریب جذب و ضریب شکست غیر خطی همزمان در یک اندازه گیری وجود داشته باشند اندازه­ گیری دهانه ­ی بسته همانطور که در شکل 4A نشان داده شده است نامتقارن خواهد بود. برای تعیین شیفت فازی غیر خطی اسکن حاصل از دهانه بسته باید بر اسکن دهانه باز 4B تقسیم شود. نتیجه حاصل از این تقسیم که در شکل 4C نشان داده شده است، می ­تواند برای تخمین نتایج حاصل از دهانه بسته در غیاب ضریب جذب غیر خطی مورد استفاده قرار گیرد.

شکل 4 آزمایشz-scan در حضور همزمان ضریب شکست و ضریب جذب غیرخطی.(A نتیجه حاصل از اسکن دهانه بسته (B نتیجه حاصل از اسکن دهانه باز (C تخمین نتیجه حاصل از دهانه بسته در غیاب ضریب جذب غیرخطی
شکل 4) آزمایشz-scan در حضور همزمان ضریب شکست و ضریب جذب غیرخطی.(A نتیجه حاصل از اسکن دهانه بسته (B نتیجه حاصل از اسکن دهانه باز (C تخمین نتیجه حاصل از دهانه بسته در غیاب ضریب جذب غیرخطی

چیدمان آزمایشگاهی Z-Scan

تکنیک Z-Scan روش آزمایشگاهی ساده و محبوبی جهت اندازه گیری وابستگی پذیرفتاری غیر خطی مواد به شدت است. در این روش، نمونه در جهت کانونی شدن یک پرتو گوسی (در راستای محور Z) حرکت می کند و شدت میدان دور به عنوان تابعی از مکان نمونه اندازه گیری می شود. تحلیل شدت بر حسب مکان نمونه منحنی Z-Scan، قسمت حقیقی و موهومی پذیرفتاری مرتبه سوم را بدست می دهد. 

چیدمان آزمایشگاهی Z-Scan شرکت پلاریتک

چیدمان آزمایشگاهی Z-Scan شرکت پلاریتک، شامل یک جابجاگر دقیق موتورایز جهت اسکن خطی، سه عدد آشکارساز به عنوان آشکارسازهای باز، بسته و مرجع، کلیه قطعات اپتیکی و اپتومکانیکی مورد نیاز جهت برپایی چیدمان، یک عدد لیزر دیودی به عنوان منبع نور، میز اپتیکی جهت قرار دادن پایدار چیدمان و همچنین نرم افزار داده برداری و تحلیل داده ها می باشد. تمامی اجزا، قطعات و نرم افزارهای این چیدمان قبل از تحویل به خریدار، جهت اطمینان از صحت عملکرد آن ها کاملا تست می شوند. ضمانت بهترین قیمت و تضمین برترین کیفیت، تعهد شرکت پلاریتک به مشتریانی است که با اعتماد به این شرکت، در راستای تقویت تولید کننده کالای با کیفیت داخلی قدم برمی دارند.

کد فنی شرح قیمت (تومان) زمان تحویل
Z-Scan چیدمان آزمایشگاهی Z-Scan تماس بگیرید 8 هفته

 اجزای چیدمان آزمایشگاهی Z-Scan

کد فنی اجزای چیدمان آزمایشگاهی Z-Scan تعداد
LD-532-50 ماژول لیزر دیودی با طول موج 532 نانومتر و توان 50 میلی وات مجهز به منبع تغذیه با توان ثابت 1
XTM20 جابجاگر خطی موتوردار یک بعدی با طول پیمایش 10 تا 20 سانتی متر 1
SPD-CO آشکارساز فوتونی (قابل اتصال به کامپیوتر) 3
ALM نگهدارنده لیزر قابل تنظیم مخصوص قفس اپتیکی 60 میلی متر اپتیکی قابل اتصال به میله استیل 1
SOP100 میله استیل با طول 100 میلی متر و قطر 7/12 میلی متر 5
PH100 نگهدارنده میله 100 میلی متر (قطر میله 7/12 میلی متر) 5
MPB صفحه پایه 5
FOMC2 نگهدارنده ثابت 2 اینچ مخصوص قفس اپتیکی قابل اتصال به میله استیل-قفس 60 میلی متر 4
CC2 نگهدارنده مکعبی مخصوص قفس اپتیکی 60 میلی متر 2
CC6OM2 نگهدارنده اپتیکی با حداکثر ضخامت 6/6 میلی متر قابل اتصال به نگهدارنده مکعبی قفس اپتیکی 60 میلی متر 2
RP2 صفحه قابل چرخش متصل شونده به نگهدارنده مکعبی قفس اپتیکی 60 میلی متر 2
OTF-50*100 بردبورد اپتیکی 50 × 100 سانتی متر 1
PSK کیت پیچ (شامل پیچ و مغزی های آلنی استیل M4 و M6 پر استفاده به همراه واشر و آچار آلن) 1
نرم افزار داده برداری و کنترل 1
درایور سخت افزاری کنترل حرکت و داده برداری 1
لنزهای اپتیکی 2
سل کوارتز 1
پلاریزور 4
باریکه شکن 2
نگهدارنده سل کوارتز 1

اجزای ذکر شده در جدول فوق می تواند با توجه به موجودی قطعات شرکت و یا با توجه به توسعه های انجام گرفته بر روی چیدمان تغییر کند.