Zスキャン技術

非線形光学 では、 Zスキャン技術を使用して、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及ぼす可能性があるため、オープン法は通常、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。非線形屈折率の実数部を測定するには、Zスキャンセットアップ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束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、適切な理論を使用して慎重に解釈することで、その値を抽出できます。^[2]非線形屈折率の虚数部、または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そのオープンアパーチャ形式で使用します。オープンアパーチャ測定では、遠方場アパーチャが削除され、信号全体が検出器によって測定されます。信号全体を測定することにより、ビームの小さな歪みは重要ではなくなり、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、調査対象のサンプルが不均一な光学非線形特性を持っている場合、^[3]または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、完全に正確ではありません。媒体の特定のポイントでのレーザー誘起非線形応答が、そのポイントでのレーザー強度によってのみ決定されるのではなく、周囲の領域のレーザー強度にも依存する場合は常に、非局所非線形光学応答と呼ばれます。一般に、さまざまなメカニズムが非線形性に寄与する可能性があり、そのうちのいくつかは非局所的である可能性があります。例えば、非線形媒体が誘電体溶液内に分散している場合、光場の作用による双極子（永久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、非線形媒体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、さまざまな材料の非局所非線形応答を生成するさまざまなメカニズムの役割を体系的に分析するために使用できます。

この設定では、光の一部が検出器に到達しないよう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点に焦点を合わせ、この点を超えるとビームは自然に焦点がぼけます。さらに離れたところに開口部が配置され、その後ろに検出器が配置されます。開口部により、円錐状の光のうち中央の領域だけが検出器に到達します。通常、正規化された透過率の値は の間になります。 ${\displaystyle 0.1<S<0.5}$

検出器は、サンプルが引き起こす可能性のある焦点の合わせ方や焦点のずれに敏感になります。サンプルは通常、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。 ${\displaystyle \pm z_{0}}$ ${\displaystyle z_{0}}$

${\displaystyle z_{0}={\frac {\pi W_{0}^{2}}{\lambda }}}$

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

この方法は上記の方法と似ていますが、開口部が取り除かれるか拡大され、すべての光が検出器に到達できるようになります。これにより、正規化された透過率が 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、2 光子吸収によるものです。

溶液中の分子の非線形特性を測定する場合、溶媒の 2 光子吸収は通常は小さく、溶質の の決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、溶媒の分子あたりの NLR は溶質の NLR よりもはるかに小さいですが、溶媒分子の密度が大きいと、大きな正味の NLR が生じ、溶質によ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ために使用されるセルによる測定値への寄与があります。溶質の 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、溶質の非線形性を報告するときに大きな矛盾が生じる可能性があります。したがって、NLR が溶媒またはセルと同等かそれよりもはるかに小さい領域での溶質の非線形性の決定は困難でした。同様に、この問題は、フィルムと基板の両方が 2 光子吸収と非線形屈折を示す基板上に堆積された薄膜でも発生します。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て差し引くことでこの問題を解決できます。^{[5] [6]}${\displaystyle \alpha _{2}}$${\displaystyle n_{2}}$${\displaystyle n_{2}}$

この方法はクローズド Z スキャン法に似ていますが、中央領域をブロックしてビームの外側のエッジのみを見ることでシステムの感度が向上します。これは、開口部をビームの中央部分をブロックす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、光がディスクを回って検出器に到達する様子が日食に似ていることからそ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。

• 光学的非線形性のZスキャン測定
• Rüdiger Paschotta による Z スキャン測定の概要