| De Z-scantechniek is een zeer gevoelige en veelzijdige methode die wordt gebruikt om de niet-lineaire brekingsindex (n2 ) en niet-lineaire absorptiecoëfficiënt (β) van materialen. Het is een methode met één straal, wat betekent dat er slechts één enkele laserstraal nodig is om het monster te onderzoeken. Deze eenvoud staat in contrast met complexere technieken waarvoor meerdere bundels nodig zijn.
Hier is een overzicht van hoe het werkt:
* De installatie: Een monster wordt in een strak gefocusseerde Gauss-laserstraal geplaatst. Het monster wordt vervolgens getransleerd langs de voortplantingsrichting van de straal (de z-as), vandaar de naam "Z-scan". Een detector meet de intensiteit van het doorgelaten licht als functie van de positie van het monster (z).
* De meting: De sleutel tot de gevoeligheid van de Z-scan ligt in de manier waarop de niet-lineaire brekingsindex en absorptie de voortplanting van de straal beïnvloeden.
* Niet-lineaire refractie (n2 ): Een materiaal met een niet-lineaire brekingsindex verandert zijn brekingsindex in verhouding tot de intensiteit van het licht dat er doorheen gaat. Terwijl het monster door het brandpunt beweegt (gebied met hoge intensiteit), ervaart de straal een lenseffect als gevolg van de intensiteitsafhankelijke verandering van de brekingsindex. Dit resulteert in een karakteristieke genormaliseerde transmissiecurve met een piek gevolgd door een dal (of omgekeerd, afhankelijk van het teken van n2 ). De scheiding tussen de piek en het dal houdt rechtstreeks verband met het Rayleigh-bereik van de gefocusseerde straal. De omvang van de piek en het dal is recht evenredig met n2 .
* Niet-lineaire absorptie (β): Niet-lineaire absorptieprocessen, zoals twee-fotonenabsorptie, verhogen de absorptie van het materiaal naarmate de intensiteit van het licht toeneemt. Dit resulteert in een genormaliseerde transmissiecurve met een dip gecentreerd in de focus. De diepte van deze dip hangt samen met de niet-lineaire absorptiecoëfficiënt (β).
* Gegevensanalyse: De genormaliseerde transmissiecurve wordt aangepast aan theoretische modellen om de waarden van n2 te extraheren en β. Het specifieke model is afhankelijk van het type niet-lineariteit dat wordt gemeten (bijvoorbeeld een Z-scan met gesloten opening voor n2 , Z-scan met open opening voor β, en gecombineerde open en gesloten opening voor beide).
Voordelen van de Z-scan techniek:
* Eenvoud: Vereist slechts een enkele straal en een relatief eenvoudige optische opstelling.
* Gevoeligheid: Zeer gevoelig voor zowel niet-lineaire refractieve als absorberende effecten.
* Veelzijdigheid: Toepasbaar op een breed scala aan materialen en golflengten.
* Niet-destructief: Over het algemeen niet-destructief voor het monster, vooral wanneer lage laservermogens worden gebruikt.
Typen Z-scan:
* Z-scan met open diafragma: Meet alleen niet-lineaire absorptie. De gehele uitgezonden straal wordt door de detector opgevangen.
* Z-scan met gesloten diafragma: Meet alleen niet-lineaire breking. Voor de detector wordt een kleine opening geplaatst, die het buitenste gedeelte van de straal blokkeert.
* Gecombineerde Z-scan met open en gesloten opening: Biedt gelijktijdige metingen van zowel niet-lineaire breking als absorptie.
Samenvattend is de Z-scan-techniek een krachtig en veelgebruikt hulpmiddel voor het karakteriseren van de niet-lineaire optische eigenschappen van materialen, en biedt het een relatief eenvoudige maar zeer gevoelige methode voor het bepalen van belangrijke parameters zoals n2 en β. Deze informatie is cruciaal voor toepassingen op gebieden als optische begrenzing, optisch schakelen en volledig optische signaalverwerking. |
