Z-сканування з модуляцією рефракції для вимірювання нелінійного показника заломлення

Автор(и)

  • V. Kadan Institute of Physics of the Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
  • A. Dmytruk Institute of Physics of the Nat. Acad. of Sci. of Ukraine, Dept. of Physics, Taras Shevchenko National University
  • M. Bondar Institute of Physics of the Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
  • I. Dmytruk Institute of Physics of the Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
  • A. Goodarzi GUNAM Center for Solar Energy Research and Applications
  • D. Akhtaryarazar Dept. of Physics, Middle East Technical University
  • I. Pavlov Institute of Physics of the Nat. Acad. of Sci. of Ukraine, Dept. of Physics, Middle East Technical University

DOI:

https://doi.org/10.15407/ujpe71.4.275

Ключові слова:

метод Z-сканування, нелiнiйний показник заломлення, коефiцiєнт двофотонного поглинання

Анотація

Представлено новий метод однопроменевого Z-сканування з модуляцiєю показника заломлення, який поєднує елементи стандартних методiв Z-сканування i методу модуляцiї втрат для забезпечення чутливого вимiрювання рефракцiйних нелiнiйностей третього порядку в конфiгурацiї iз закритою дiафрагмою. Порiвняно з оригiнальним методом Z-сканування, запропонований метод забезпечує майже безфоновий сигнал. Отримано аналiтичний вираз, який пов’язує нелiнiйний показник заломлення n2 з потужностями падаючого променя й компонентiв пропущеного променя на першiй i другiй гармонiках модуляцiї; вираз експериментально перевiрено з використанням зразкiв SiO2 та LiF.

Посилання

1. M. Sheik-Bahae. Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam. IEEE J. Quantum Electronics 26 (4), 760 (1990).

https://doi.org/10.1109/3.53394

2. T. Xia, D.J. Hagan, M. Sheik-Bahae, E.W. Van Stryland. Eclipsing Z-scan measurement of λ/10^4 wavefront distortion. Opt. Lett. 19, 317 (1994).

https://doi.org/10.1364/OL.19.000317

3. A.S.L. Gomes, E.L. Falc˜ao Filho, Cid B. de Ara'ujo, D. Rativa, R.E. de Araujo. Thermally managed eclipse Z-scan. Opt. Express 15, 1712 (2007).

https://doi.org/10.1364/OE.15.001712

4. Magnus K. Pereira, Ricardo R.B. Correia. Z-scan and eclipsing Z-scan analytical expressions for third-order optical nonlinearities. J. Opt. Soc. Am. B 37, 478 (2020).

https://doi.org/10.1364/JOSAB.376541

5. M. Sheik-Bahae, A.A. Said, D.J. Hagan, M.J. Soileau, E.W. Van Stryland. Nonlinear refraction and optical limiting in "Thick" media. Opt. Eng. 30, 1228 (1990).

https://doi.org/10.1117/12.55902

6. P.B. Chapple, J. Staromlynska, R.G. McDuff. Z-scan studies in the thin- and the thick-sample limits. J. Opt. Soc. Am. B 11, 975 (1994).

https://doi.org/10.1364/JOSAB.11.000975

7. D.I. Kovsh, S. Yang, D.J. Hagan, E.W. Van Stryland. Nonlinear Optical Beam Propagation for Optical Limiting. Appl. Optics 38, 5168 (1999).

https://doi.org/10.1364/AO.38.005168

8. Wei-ping Zang et al. Analytic solutions to Z-scan characteristics of thick media with nonlinear refraction and nonlinear absorption. J. Opt. Soc. America B 21, 63 (2004).

https://doi.org/10.1364/JOSAB.21.000063

9. M. Sheik-Bahae, J. Wang, J.R. DeSalvo, D.J. Hagan, E.W. Van Stryland. Measurement of nondegenerate nonlinearities using a 2-color Z-scan. Opt. Lett. 17, 258 (1992).

https://doi.org/10.1364/OL.17.000258

10. C.M. Cirloganu, L.A. Padilha, D.A. Fishman, S. Webster, D.J. Hagan, E.W. Van Stryland. Extremely nondegenerate two-photon absorption in direct-gap semiconductors. Opt. Express 19 (23), 22951 (2011).

https://doi.org/10.1364/OE.19.022951

11. M. Balu, J. Hales, D.J. Hagan, E.W. Van Stryland. Dispersion of nonlinear refraction and two-photon absorption using a white-light continuum Z-scan. Opt. Express 13 (10), 3594 (2005).

https://doi.org/10.1364/OPEX.13.003594

12. M. Balu, J. Hales, D.J. Hagan, E.W. Van Stryland. Whitelight continuum Z-scan technique for nonlinear materials characterization. Opt. Express 12 (16), 3820 (2004).

https://doi.org/10.1364/OPEX.12.003820

13. J. Wang, M. Sheik-Bahae, A.A. Said, D.J. Hagan, E.W. Van Stryland. Time-resolved Z-scan measurements of optical nonlinearities. JOSA B 11, 1009 (1994).

https://doi.org/10.1364/JOSAB.11.001009

14. Junyi Yang, Yinglin Song, Yuxiao Wang, Changwei Li, Xiao Jin, Min Shui. Time-resolved pump-probe technology with phase object for measurements of optical nonlinearities. Opt. Express 17, 7110 (2009).

https://doi.org/10.1364/OE.17.007110

15. W. Zhao, P. Palffy-Muhoray. Z-scan measurements of χ(3) using top-hat beams. Appl. Phys. Lett. 65, 673 (1994).

https://doi.org/10.1063/1.112264

16. Bing Gu, Hui-Tian Wang. Theoretical study of saturable Kerr nonlinearity using top-hat beam Z-scan technique. Opt. Commun. 263 (2), 322 (2006).

https://doi.org/10.1016/j.optcom.2006.01.053

17. Xiao-Qing Yan, Zhi-Bo Liu, Xiao-Liang Zhang, Wen-Yuan Zhou, Jian-Guo Tian. Polarization dependence of Z-scan measurement: Theory and experiment. Opt. Express 17 (8), 6397 (2009).

https://doi.org/10.1364/OE.17.006397

18. S. Wang, E.J. Lipchus, M.A. Gharbi, C.S. Yelleswarapu. Polarization Z-scan studies revealing plasmon coupling enhancement due to dimer formation of gold nanoparticles in nematic liquid crystals. Micromachines (Basel) 14 (12), 2206 (2023).

https://doi.org/10.3390/mi14122206

19. J.-M. M'enard, M. Betz, I. Sigal, H.M. van Driel. Singlebeam differential Z-scan technique. Appl. Opt. 46 (11), 2119 (2007).

https://doi.org/10.1364/AO.46.002119

20. R. Kolkowski, M. Samoc. Modified Z-scan technique using focus-tunable lens. J. Opt. 16 125202 (2014).

https://doi.org/10.1088/2040-8978/16/12/125202

21. J. Serna, A. Hamad, H. Garcia, E. Rueda. Measurement of nonlinear optical absorption and nonlinear optical refraction in CdS and ZnSe using an electrically focus-tunable lens. In: Proc. of the 12th International Conference on Fibre Optics and Photonics, 13-16 December 2014, Kharagpur, India (Optica Publishing Group, 2014), T2C.2 paper.

https://doi.org/10.1364/PHOTONICS.2014.T2C.2

22. D.V. Petrov, A.S. Gomes, C.B. Ara'ujo. Reflection Z-scan technique for measurements of optical properties of surfaces. Appl. Phys. Lett. 65, 1067 (1994).

https://doi.org/10.1063/1.112175

23. M. Martinelli, S. Bian, J.R. Leite, R.J. Horowicz. Sensitivity-enhanced reflection Z-scan by oblique incidence of a polarized beam. Appl. Phys. Lett. 72 (12), 1427 (1998).

https://doi.org/10.1063/1.120584

24. P. Tian, W.S. Warren. Ultrafast measurement of two-photon absorption by loss modulation. Opt. Lett. 27 (18), 1634 (2002).

https://doi.org/10.1364/OL.27.001634

25. M.G. Kuzyk, C.W. Dirk. Characterization Techniques and Tabulations for Organic Nonlinear Optical Materials (Marcel Dekker, 1998).

26. D. Bhattacharyya et al. Electronic structure of liquid methanol and ethanol from polarization-dependent twophoton absorption spectroscopy. J. Phys. Chem. A 123 (27), 5789 (2019).

https://doi.org/10.1021/acs.jpca.9b04040

27. V. Kadan, I. Pavlov, A. Dmytruk, I. Blonskyi, T. Pavlova, Yu. Serozhkin, A. Goodarzi, M. Bondar. Single-beam lowfrequency loss modulation technique for two-photon absorption measurement. Opt. Commun. 569, 130809 (2024).

https://doi.org/10.1016/j.optcom.2024.130809

28. S.R. Flom, G. Beadie, S.S. Bayya, B. Shaw, J.M. Auxier. Ultrafast Z-scan measurements of nonlinear optical constants of window materials at 772, 1030, and 1550 nm. Appl. Opt. 54, F123 (2015).

https://doi.org/10.1364/AO.54.00F123

29. T.R. Ensley, N.K. Bambha. Ultrafast nonlinear refraction measurements of infrared transmitting materials in the mid-wave infrared. Opt. Express 27, 37940 (2019).

https://doi.org/10.1364/OE.27.037940

30. P. Kabaci'nski, T.M. Kardas, Y. Stepanenko, C. Radzewicz. Nonlinear refractive index measurement by SPM-induced phase regression. Opt. Express 27, 11018 (2019).

https://doi.org/10.1364/OE.27.011018

31. G. Jansonas, R. Budriunas, M. Vengris, A. Varanaviˇcius. Interferometric measurements of nonlinear refractive index in the infrared spectral range. Opt. Express 30, 30507 (2022).

https://doi.org/10.1364/OE.458850

32. D. Milam. Review and assessment of measured values of the nonlinear refractive-index coefficient of fused silica. Appl. Opt. 37, 546 (1998).

https://doi.org/10.1364/AO.37.000546

33. R. Adair, L.L. Chase, S.A. Payne. Nonlinear refractive index of optical crystals. Phys. Rev. B 39, 3337 (1989).

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.39.3337

34. R. DeSalvo, A.A. Said, D.J. Hagan, E.W. Van Stryland, M. Sheik-Bahae. Infrared to ultraviolet measurements of two-photon absorption and n2 in wide bandgap solids. IEEE J. Quantum Electron. 32, 1324 (1996).

https://doi.org/10.1109/3.511545

Завантаження

Опубліковано

2026-04-21

Номер

Том 71 № 4 (2026)

Розділ

Зміст

Ліцензія

Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна

Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:

1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.

2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.

3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.

4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.

5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.

6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.

Як цитувати

Z-сканування з модуляцією рефракції для вимірювання нелінійного показника заломлення. (2026). Український фізичний журнал, 71(4), 275. https://doi.org/10.15407/ujpe71.4.275

Статті цього автора (цих авторів), які найбільше читають