超快高分辨含有色散元件的飛秒全息裝置的製作方法
2023-06-06 05:38:56 1
專利名稱：超快高分辨含有色散元件的飛秒全息裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型有關全息裝置，特別是一種超快高分辨含有色散元件的飛秒全息裝置。它能廣泛應用於測試各種超快過程，例如脈衝氣體放電的雪崩過程、化學鍵的斷裂與形成、雷射自聚焦絲的產生，以及極端條件下材料的應變等等。
背景技術：
自然界有許多基本過程，例如化學反應和相變，都涉及到物質結構性質的改變和原子的重新排列，再如閃電雷鳴時，空氣被擊穿的放電現象，這些變化通常發生在超快的時間尺度上，與原子或分子的自由振蕩周期相當，約為100fs或者更短，要觀察這些過程，當然要用一個比這些過程更短的脈衝來無損地探測它。
幸好，在過去的二十多年裡，超短脈衝的脈寬已由皮秒壓縮到飛秒量級。雖然目前在實驗室條件下，阿秒量級脈衝的產生已有報導，但尚未進入實用階段，所以飛秒雷射脈衝是當前探測超快過程的重要手段。飛秒脈衝雷射應用於全息成像的飛秒全息術是一個極具潛力的技術，已經在許多探測領域顯示出了它的優越性。
1983年，瑞典N.Abramson研究小組主要利用飛秒和皮秒脈衝全息術研究物體面形測量、三維物體識別。1991年美國的E.Leith研究小組主要從事飛秒全息技術在醫學成像方面的應用研究，他們用飛秒全息對透過6mm厚的雞肉、6mm厚的人手肌肉組織和金屬絲成像得到了較好的結果。
1990年，Mazurenko提出了光譜全息的概念，其基本思想是利用光頻率空間色散，將參考光和信號光脈衝在空間色散為一系列準單色波，並使它們對應的光頻分量在空間相干得到全息圖。1992年，A.M.Weiner等人以光譜非選擇性介質熱塑料作為記錄介質，分別利用一級和二級衍射波，在飛秒脈衝整形裝置中，對飛秒時間信號進行存儲、再現和處理，以及相關和卷積運算。1993年，M.C.Nuss等人利用連續光波再現超短脈衝的時間全息圖，準確地將時間脈衝形狀信息轉換到能夠用照相機直接拍攝。1994年，M.C.Nuss利用光譜全息實驗裝置實現了信號從空域模式到時域模式的轉換。1998年，Y.Ding等人利用光折射多量子阱中的動態光譜全息，實現超快飛秒雷射脈衝色散的自適應補償。
近年來，各個國家開展了飛秒全息微加工的研究。1999年，Kirkpatrick.S.M等人預言，通過雙光子同步吸收的超快全息材料可以實現材料的微加工。2000年，K.Kawamura和N.Sarukura等人利用從同一雷射器中分出的兩個飛秒雷射脈衝，分別在各種非光敏性材料如SiO2玻璃、藍寶石和金剛石表面和內部編碼全息光柵。B.Kraabel等人在納米晶體內實現飛秒脈衝的動態全息。2001年，在飛秒全息微加工方面也是碩果纍纍的一年，K.Kawamura等利用兩次曝光技術在矽玻璃上實現兩個相互正交全息光柵的編碼。Yan Li等人利用飛秒脈衝雙光束幹涉製作了體全息光柵，衍射效率為O.7％，第一次實現了在光敏介質內部寫入光柵。2002年，Yan Li等人又在有機玻璃(PMMA)表面和內部寫入浮雕光柵，其衍射效率可達20％。然而，飛秒脈衝雷射的相干長度短，飛秒雷射器的線寬都在5nm以上，並且脈衝越短，線寬越寬，在飛秒時間尺度上拍攝高解析度的全息圖非常困難，例如用100fs的脈衝記錄，全息圖包含的條紋數目將少於100，而這嚴重地降低了解析度和全息圖的視場。
發明內容
本實用新型要解決的技術問題在於克服上述在先技術的不足，提出一種超快高分辨含有色散元件的飛秒全息裝置，以降低了對飛秒雷射束的單色性的要求，大大提高解析度。
本實用新型的基本構思是採用一高分辨全息光柵作為分束及色散元件，然後採用兩塊凹面反射鏡形成一擴束共焦望遠鏡系統，在它們的焦點處置一光闌，將一多色波變成單色波，再進行記錄。
本實用新型的技術解決方案如下一種超快高分辨含有色散元件的飛秒全息裝置，包括雷射光源，其特點在於還包括光柵、第一、第二、第三和第四凹面反射鏡、第一、第二光闌、待測樣品、第一、第二透鏡、探測器和計算機，上述各元部件的位置關係如下在雷射光源的雷射輸出光路上設該光柵，經該光柵色散成兩束光，即A光束和B光束，其中B光束經第二凹面反射鏡、第二光闌、第三凹面反射鏡、待測樣品、並由第一透鏡縮孔進入探測器，所述的A光束經第一凹面反射鏡、第一光闌、第四凹面反射鏡，並由第二透鏡縮孔進入探測器，B光束和A光束光相遇幹涉形成全息圖，第一、第二光闌分別放置在第一、第二凹面鏡的焦點處。
所說的雷射光源，是一臺飛秒雷射器，脈寬為5-150fs、單脈衝能量為0.01-10μj，帶寬為5-30nm，輻射波長為780-830nm的CPA鈦寶石雷射系統。
所說的光柵，是一塊5000線/mm的透過光柵，它將垂直入射的飛秒雷射器色散成兩束光，即A束和B束(圖中透射光未畫出)。
所說的第一、第二凹面反射鏡是曲率半徑為300-1000mm鍍介質膜全反射鏡。
所說的第三、第四凹面反射鏡是一塊曲率半徑為600-2000mm鍍介質膜全反射鏡。第二、第三凹面反射鏡，第一、第四凹面反射鏡分別各組成一光束擴束系統。
所說的第一第二光闌是一個尺寸為0.1-1.8mm的小孔光闌，分別放置在第一、第二凹面反射鏡的焦點處，它用來將色散開的飛秒雷射光譜進行濾波和單色化。
所說的第一、第二透鏡是消色差透鏡，是用來將飛秒雷射束進行縮孔成像，以便和探測器進行孔徑匹配的。
所說的待測樣品是一個待研究和探測產生超快過程的脈衝等離子體系統或產生自聚絲的光學系統。
所說的探測器是一個對780-830nm具有靈敏光譜響應的CCD探測器。
所說的計算機是一臺能用來實時重構飛秒全息圖的計算機。
本實用新型的技術效果如下當飛秒雷射器輻射的光束進入光柵以後，產生正負一級衍射光成為A束和B束。A束光經凹面反射鏡聚焦，並被光闌濾波單色化，再經凹面反射鏡反射和擴孔，進入到第二透鏡進行縮孔，並成像在探測器上作為參考光，B束光經第二凹面反射鏡聚焦，並被第二光闌濾波單色化，再經第三凹面反射鏡反射和擴孔，入射到樣品中去，攜帶有樣品的信息成為物光束，經第一透鏡縮孔成像在探測器上和A光束相遇幹涉形成全息圖，數位化以後，被計算機存儲和重構，獲得了待研究物體的超快信息。在光路設計和製作時，由於設計上的對稱性，易於將A光束和B光束等光程，從而降低了對飛秒雷射束的單色性的要求。
本實用新型的超快高分辨含有色散元件的飛秒全息裝置，由於採用光柵作分束元件，能將寬帶譜進行有效色散，然後用小孔光闌進行濾波單色化，大大降低了對光程相等的要求，解析度可以成數量級地提高。
圖1為本實用新型超快高分辨含有色散元件的飛秒全息裝置結構示意圖。
具體實施方式
本實用新型的超快高分辨含有色散元件的飛秒全息裝置如圖1所示，本實用新型超快高分辨含有色散元件的飛秒全息裝置，包括雷射光源1，其特徵在於還包括光柵2、第一、第二、第三和第四凹面反射鏡3、4、7、8、第一、第二光闌5、6、待測樣品11、第一、第二透鏡9、10、探測器12和計算機13，上述各元部件的位置關係如下在雷射光源1的雷射輸出光路上設該光柵2，經該光柵2色散成兩束光，即A光束和B光束，其中B光束經第二凹面反射鏡4、第二光闌6、第三凹面反射鏡7、待測樣品11、並由第一透鏡9縮孔進入探測器12，所述的A光束經第一凹面反射鏡3、第一光闌5、第四凹面反射鏡8，並由第二透鏡10縮孔進入探測器12，B光束和A光束光相遇幹涉形成全息圖，第一、第二光闌5，6分別放置在第一、第二凹面鏡3、4的焦點處。
所說的飛秒雷射器1，是一臺脈寬為100fs、單脈衝能量為1μj，帶寬為10nm，輻射波長為800nm的CPA鈦寶石雷射系統。
所說的光柵2，是一塊5000線/mm的透過光柵，它將垂直入射的飛秒雷射器1色散成兩束光，即A束和B束(圖中透射光未畫出)。
所說的第一、第二凹面反射鏡3，4是曲率半徑為1000mm鍍介質膜全反射鏡。
所說的第三、第四凹面反射鏡7，8是曲率半徑為2000mm鍍介質膜全反射鏡。第二、第三凹面反射鏡4、7和第一、第四凹面反射鏡3、8各組成一光束擴束系統。
所說的第一、第二光闌5，6，是一個尺寸為0.5mm的小孔光闌，分別放置在第一、第二凹面反射鏡3、4的焦點處，它用來將色散開的飛秒雷射光譜進行濾波和單色化。
所說的第一、第二透鏡9，10，是消色差透鏡，是用來將飛秒雷射束進行縮孔成像，以便和探測器12進行孔徑匹配的。
所說的待測樣品11，是一個待研究和探測產生超快過程的脈衝等離子體系統或產生自聚絲的光學系統。
所說的探測器12，是一個對800nm具有靈敏光譜響應的CCD探測器。
所說的計算機13，是一臺能用來實時重構飛秒全息圖的計算機。
本實用新型高分辯飛秒全息裝置的工作原理和基本過程是當飛秒雷射器1輻射的脈寬為100fs、800nm光束進入光柵2以後，產生正負一級衍射光成為A光束和B光束。A光束經第一凹面反射鏡3聚焦，並被第一光闌5濾波單色化，再經第四凹面反射鏡8反射和擴孔，進入到透鏡10進行縮孔，並成像在探測器12上作為參考光，B光束經第二凹面反射鏡4聚焦，並被第二光闌6濾波單色化，再經凹面反射鏡7反射和擴孔，入射到待測樣品11中去，攜帶有待測樣品11的信息成為物光束，經第一透鏡9縮孔成像在探測器12上和A束光相遇幹涉形成全息圖，數位化以後，被計算機13存儲和重構，獲得了待研究物體的超快信息。在光路設計和製作時，由於設計上的對稱性，易於將A光束和B光束等光程，從而降低了對飛秒雷射束的單色性的要求。
權利要求1.一種超快高分辨含有色散元件的飛秒全息裝置，包括雷射光源(1)，其特徵在於還包括光柵(2)、第一、第二、第三和第四凹面反射鏡(3、4、7、8)、第一、第二光闌(5、6)、待測樣品(11)、第一、第二透鏡(9、10)、探測器(12)和計算機(13)，上述各元部件的位置關係如下在雷射光源(1)的雷射輸出光路上設該光柵(2)，經該光柵(2)色散成兩束光，即A光束和B光束，其中B光束經第二凹面反射鏡(4)、第二光闌(6)、第三凹面反射鏡(7)、待測樣品(11)、並由第一透鏡(9)縮孔進入探測器(12)，所述的A光束經第一凹面反射鏡(3)、第一光闌(5)、第四凹面反射鏡(8)，並由第二透鏡(10)縮孔進入探測器(12)，B光束和A光束光相遇幹涉形成全息圖，第一、第二光闌(5，6)分別放置在第一、第二凹面鏡(3、4)的焦點處。
2.根據權利要求1所述的超快高分辨含有色散元件的飛秒全息裝置，其特徵在於所述的雷射光源(1)是一臺飛秒雷射器，脈寬為5-150fs、單脈衝能量為0.01-10μj，帶寬為5-30nm，輻射波長為780-830nm的CPA鈦寶石雷射系統。
3根據權利要求1所述的超快高分辨含有色散元件的飛秒全息裝置，其特徵在於所述的光柵(2)是一塊5000線/mm的透過光柵。
4.根據權利要求1所述的超快高分辨含有色散元件的飛秒全息裝置，其特徵在於所述的第一、第二凹面反射鏡(3，4)是一塊曲率半徑為300-1000mm鍍介質膜全反射鏡。
5.根據權利要求1所述的超快高分辨含有色散元件的飛秒全息裝置，其特徵在於所述的第三、第四凹面反射鏡(7，8)，是一塊曲率半徑為600-2000mm鍍介質膜全反射鏡。
6.根據權利要求1所述的超快高分辨含有色散元件的飛秒全息裝置，其特徵在於所述的第一第二透鏡(9，10)是一塊消色差透鏡。
7.根據權利要求1所述的超快高分辨含有色散元件的飛秒全息裝置，其特徵在於所述的探測器(12)是一個對780-830nm具有靈敏光譜響應的CCD探測器。
專利摘要一種超快高分辨含有色散元件的飛秒全息裝置，包括雷射光源、光柵、第一、第二、第三和第四凹面反射鏡、第一、第二光闌、待測樣品、第一、第二透鏡、探測器和計算機，上述各元部件的位置關係如下在雷射光源的雷射輸出光路上設該光柵，經該光柵色散成兩束光，即A光束和B光束，其中B光束經第二凹面反射鏡、第二光闌、第三凹面反射鏡、待測樣品、並由第一透鏡縮孔進入探測器，所述的A光束經第一凹面反射鏡、第一光闌、第四凹面反射鏡，並由第二透鏡縮孔進入探測器，B光束和A光束光相遇幹涉形成全息圖，第一、第二光闌分別放置在第一、第二凹面鏡的焦點處。本實用新型降低了對飛秒雷射束的單色性的要求，並大大提高了解析度。
文檔編號G01N21/27GK2751299SQ20042009064
公開日2006年1月11日 申請日期2004年9月29日 優先權日2004年9月29日
發明者陳建文, 高鴻奕, 朱化鳳, 李儒新, 徐至展 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所