飛秒外差光克爾門及基於該光克爾門的成像裝置和方法

2023-05-29 06:57:41

飛秒外差光克爾門及基於該光克爾門的成像裝置和方法
【專利摘要】飛秒外差光克爾門及基於該光克爾門的成像裝置和方法。該成像裝置的探測光路上依次設有待測目標，由起偏器、光克爾介質和檢偏器組成的飛秒外差光克爾門，及CCD；且檢偏器偏振方向與探測脈衝偏振垂直方向呈3～5°的外差角；開關光路上依次設有光學延時線和半波片，且開關脈衝與探測脈衝在光克爾介質內部的重合。該成像方法為：飛秒脈衝分兩路，探測脈衝入射至待測樣品，經反、透射後進入飛秒外差光克爾門；開關脈衝開啟飛秒外差光克爾門，瞬時選通探測脈衝中攜帶樣品形貌信息的成分，被選通的探測脈衝入射至CCD，獲得超高時間分辨的待測樣品形貌圖像。本發明具有光路簡單、門選通時間極短、成像空間解析度接近系統衍射極限等優點。
【專利說明】飛秒外差光克爾門及基於該光克爾門的成像裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於超快速成像與測量【技術領域】，涉及一種飛秒外差光克爾門及基於該光克爾門的成像裝置和方法。
【背景技術】
[0002]發展超快速成像與測量技術，在高速碰撞、爆轟過程、高壓放電、視覺機制等瞬態過程研究領域，有著重要的應用價值。通常，利用光電技術可以實現毫秒至亞皮秒的高時間分辨成像，然而在分子結構動力學，超快速表面振動過程、極端時間分辨螢光顯微成像、強散射體內部物體識別等研究領域，必須使用基於光子技術的超快速成像技術，比如飛秒全息成像和非線性光學門選通成像技術。
[0003]光克爾門選通成像技術是一種典型的非線性光學門選通成像技術。這種成像技術利用光克爾效應構造的光學快門，通常被稱為光克爾門，它無需相位匹配，選通光子效率高，具備可達飛秒量級的開關時間。因此，光克爾門選通成像技術在超快動態過程記錄、高時間分辨螢光顯微技術、強散射體內部物體識別等研究領域，得到了廣泛的應用，具有重要的科學意義和應用價值。
[0004]在傳統的光克爾門選通成像技術中，成像系統的雜散光或者散射環境中的散射光均會嚴重影響系統的成像解析度和待測目標的清晰度。由於這些幹擾光，從成像光束的空間頻譜成分角度講，均表現為高頻空間頻譜成分，因此傳統的光克爾門選通成像技術中，通常將開關光束弱聚焦後入射到光克爾介質內部，在光克爾門開啟時，利用開關光在光克爾介質處誘導的瞬態微光闌進行低通濾波，消除大量的幹擾光子。然而，這種低通濾波作用，也同時導致了傳統光克爾門選通成像技術通常會出現圖像邊緣模糊，影響了其成像質量，嚴重時甚至大大降低了其系統成像解析度。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在於提供一種飛秒外差光克爾門及基於該光克爾門的成像裝置和方法，能夠提高成像邊緣銳利度和成像解析度。
[0006]為達到上述目的，本發明採用的技術方案為:
[0007]—種飛秒外差光克爾門，包括沿光路方向依次設置的起偏器、光克爾介質和檢偏器，且起偏器的偏振方向與光路中光的偏振方向相同，檢偏器的偏振方向與光路中光的偏振垂直方向呈3?5°的外差角(夾角)，起偏器和檢偏器的通過孔徑大於光路中透射光束的橫向尺寸。
[0008]其開啟時，透射光電場的表達式為:HMal2+Himaginary2+2Θ E0Hifflaginary,其中Hreal和Himaginary分別為普通光克爾門透射光電場的實部與虛部，均為非線性光學項，2 Θ E0Himaginary為飛秒外差光克爾門選通的探測光電場外差項，Θ為外差角，Etl為光克爾介質前入射光電場，E0含有探測光攜帶的被測目標的全部空間頻譜成分。
[0009]所述的起偏器和檢偏器為稜鏡偏振器或消光比大於IO4:1的薄膜偏振器；其中稜鏡偏振器包括尼科爾稜鏡偏振器、格蘭泰勒稜鏡偏振器或渥拉斯頓稜鏡偏振器。
[0010]所述的光克爾介質為三階非線性光學材料。
[0011]所述的光克爾介質包括二硫化碳、硝基苯、鈦酸鍶鋇、石英玻璃、重火石玻璃、鉍酸鹽玻璃、碲酸鹽玻璃、酞菁衍生物或C6tl衍生物。
[0012]一種基於飛秒外差光克爾門的成像裝置，包括飛秒雷射器，在飛秒雷射器的發射光路上設有分束片，分束片將光路分成探測光路和開關光路，其中探測光路上依次設有待測目標、第一凸透鏡、起偏器、光克爾介質、檢偏器、凸透鏡組和CXD (電荷耦合器件)，並使待測目標清晰的成像在CCD上；起偏器的偏振方向與探測光路中的飛秒探測脈衝光的偏振方向相同，檢偏器的偏振方向與飛秒探測脈衝光的偏振垂直方向呈3?5°的外差角,起偏器和檢偏器的通過孔徑大於飛秒探測脈衝光的橫向尺寸；開關光路上依次設有用於調節開關光路中的飛秒開關脈衝光的光程的光學延時線和調整飛秒開關脈衝光的偏振方向的半波片，且飛秒開關脈衝光入射到光克爾介質內部的空間位置與飛秒探測脈衝光在光克爾介質內部的空間位置重合。
[0013]所述的待測目標設置在第一凸透鏡的前焦面上，光克爾介質設置在第一凸透鏡的後焦面上並同時設置在凸透鏡組的前焦面上，CCD設置在凸透鏡組的後焦面上。
[0014]所述的光學延時線由電腦控制的精密步進移動平臺和放置在精密步進移動平臺上的兩個相互垂直的反射鏡構成，兩個相互垂直的反射鏡對飛秒開關脈衝光進行後向反射；精密步進移動平臺對飛秒開關脈衝光的光程的進行調整，調整精度為1.5?15微米，光學延時線的最小光程改變量為10?IOOfs。
[0015]所述的飛秒雷射器經過放大器輸出的重複頻率為IkHz ；
[0016]所述的分束片的分束比為1: (I?4)，其中光強較大的一束作為探測光路；
[0017]所述的第一凸透鏡和凸透鏡組的透光孔徑均為5?IOcm ；
[0018]所述的半波片為零級半波片，其材質為石英材質或BK玻璃。
[0019]一種基於飛秒外差光克爾門的成像方法，包括以下步驟:
[0020]I)將飛秒雷射器出射的偏振的飛秒脈衝雷射經分束片後分為兩束，其中一束作為探測光路的飛秒探測脈衝光，另一束作為開關光路的飛秒開關脈衝光；
[0021]2)飛秒探測脈衝光入射到待測目標上，攜帶待測目標形貌信息後，經第一凸透鏡聚焦後，順次經過起偏器、光克爾介質和檢偏器，其中起偏器、光克爾介質和檢偏器構成飛秒外差光克爾門，且檢偏器的偏振方向與飛秒探測脈衝光的偏振垂直方向呈3?5°的外差角；
[0022]3)飛秒開關脈衝光經光學延時線調整其光程後，再經過半波片調整其偏振方向，入射到光克爾介質上；
[0023]4)調節光學延時線，當飛秒開關脈衝光和飛秒探測脈衝光到達光克爾介質的時刻完全不重合時，此時僅有部分飛秒探測脈衝光能夠通過檢偏器，然後由飛秒外差光克爾門後的凸透鏡組收集，並成像於CXD上，獲得成像系統的參考圖像；
[0024]5)調節光學延時線，當飛秒開關脈衝光和飛秒探測脈衝光到達光克爾介質的時刻重合時，飛秒開光脈衝光瞬時開啟飛秒外差光克爾門，被飛秒外差光克爾門選通的飛秒探測脈衝光，經飛秒外差光克爾門後的凸透鏡組收集，成像於C⑶上，獲得成像系統的目標圖像；[0025]6)將步驟5)中獲得的目標圖像減去步驟4)中獲得的參考圖像，得到待測目標的飛秒外差光克爾門選通圖像。
[0026]進一步的，所述的飛秒外差光克爾門的外差角優選為3°，即檢偏器的偏振方向與光路中光的偏振垂直方向呈3°的外差角。
[0027]進一步的，所述的凸透鏡組至少包括兩塊凸透鏡，即凸透鏡組至少由第三凸透鏡和第四凸透鏡組成。
[0028]進一步的，調節半波片的光軸方向，使透過它的飛秒開關脈衝光偏振方向與飛秒探測脈衝光偏振方向呈45°夾角。
[0029]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
[0030]本發明提供的飛秒外差光克爾門，是將傳統光克爾門的檢偏器旋轉3?5° (外差角度)後得到的。該飛秒外差光克爾門選通的探測光電場外差項中含有探測光攜帶的被測目標的全部空間頻譜成分，因此外差項的引入補償了普通飛秒光克爾門選通成像中缺失的被測目標的高頻空間頻譜成分，成像結果的邊緣更加銳利，系統解析度也更高。由於此時成像系統的時間解析度仍由光克爾門的開關時間決定，這保證了成像系統仍然具有飛秒時間量級的極高時間分辨能力。克服了普通光克爾門選通成像時，由於利用單純的非線性光學項成像，缺失部分探測光攜帶的被測目標的高頻空間頻譜成分，成像結果模糊與系統解析度下降，邊緣模糊以及系統解析度下降的問題。
[0031]本發明提供的基於飛秒外差光克爾門的成像裝置，將光路分為探測光路和開關光路。在探測光路中依次設置待測目標、第一凸透鏡、飛秒外差光克爾門、凸透鏡組和(XD，能夠使待測目標清晰的成像在CCD上。其中飛秒外差光克爾門，由於引入了含有成像目標全部空間頻譜成像的外差光學項，保證了其選通的探測光成像時可以得到成像邊緣銳利，系統解析度高的成像結果。開關光路中依次設置用於調節開關光路中的飛秒開關脈衝光的光程的光學延時線和調整飛秒開關脈衝光的偏振方向的半波片，且使得飛秒開關脈衝光入射到光克爾介質內部的空間位置與飛秒探測脈衝光在光克爾介質內部的空間位置重合。由於光克爾門依賴於開關光和探測光與光克爾介質的產生的互作用光克爾效應完成其開合過程，因此裝置中光學延時線和空間位置的調節，保證了成像系統中飛秒外差光克爾門能夠有效地進行飛秒量級時間的開合。本發明提供的基於飛秒外差光克爾門的成像裝置光路簡單，基於光學外差技術，克服了傳統的光克爾門選通成像裝置在成像過程中，造成的成像邊緣模糊，系統解析度下降的缺點，在保持光克爾門選通成像裝置的極高時間解析度的前提下，具有成像邊緣銳利，空間解析度接近系統衍射極限的優點，特別適用於極高時間分辨的系統成像。
[0032]本發明提供的基於飛秒外差光克爾門的成像方法，涉及一種飛秒時間分辨的超快動態過程的觀測方法，利用光學延時線調節飛秒開關脈衝光的光程，當飛秒開關脈衝光和飛秒探測脈衝光到達光克爾介質的時刻完全不重合時，CCD拍攝的圖像作為成像系統的參考圖像。由於此時檢偏器旋開了一個很小的外差角度(3?5° )，少量飛秒探測脈衝光和開關脈衝光散射光可以通過檢偏器，參考因此參考圖像中包含了成像系統的全部散射光背底和可以忽略不計的目標圖像信息。當飛秒開關脈衝光和飛秒探測脈衝光到達光克爾介質的時刻重合時，飛秒開光脈衝光瞬時開啟飛秒外差光克爾門，被飛秒外差光克爾門選通的飛秒探測脈衝光成像於CCD上，獲得成像系統的目標圖像。由於飛秒外差光克爾門的瞬時開啟的特點，保留了光克爾門選通成像系統的高時間解析度，同時由於飛秒外差光克爾門具備補償待測目標高頻空間頻譜的能力，保證了其成像結果邊緣銳利，系統解析度接近其衍射極限的效果。最後，利用目標圖像減去參考圖像，可以將目標圖像中開關光散射等成像系統的背底噪聲圖像去除，即可得到超高時間分辨的待測目標的飛秒外差光克爾門選通圖像。本發明提供的基於飛秒外差光克爾門的成像方法實現了高時間分辨與高品質的飛秒時間門選通成像，該方法實現簡單、門選通時間極短，利用該方法進行超快成像，既可保證成像系統飛秒量級的時間分辨能力，又能得到邊緣更銳利，成像空間解析度接近成像系統衍射極限的成像結果，可應用於強散射介質內部隱藏物體成像、獲取物質超快螢光圖像等領域。
[0033]進一步的，本發明中用半波片調節開關光和探測光偏振方向呈45°夾角，保證了系統輸入光強不變情況下，光克爾門可以獲得最大的透過率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1是本發明提供的基於飛秒外差光克爾門的成像裝置的示意圖；
[0035]圖2是美軍標1951USAF解析度板的圖像；
[0036]圖3是例I的成像結果圖，其中(a)為本發明的方法測得的選通圖像，(b)為傳統光克爾門選通圖像，(C)為無光克爾門選通時的圖像；
[0037]圖4是例2的成像結果圖，其中(a)為本發明的方法測得的選通圖像，(b)為無光克爾門選通時的圖像，(c)為去除散射介質後待測目標的真實圖像；
[0038]其中:1為飛秒雷射器、2為分束片、3為第一反射鏡、4為第二反射鏡、5為待測目標、6為第一凸透鏡、7為 起偏器、8為光克爾介質、9為檢偏器、10為第三反射鏡、11為光學延時線、12為半波片、13為第四反射鏡、14為第二凸透鏡、15為遮擋板、16為第三凸透鏡、17為第四凸透鏡、18為(XD。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0040]本發明提供的飛秒外差光克爾門，是將傳統光克爾門的檢偏器旋轉3~5° (外差角度)後得到的，當其開啟時，透射光電場的表達式為:
[0〇41] Hreal2+Himaginary2+2 Θ E0Himaginary
[0042]其中Hreal和Himaginmy分別為普通光克爾門透射光電場的實部與虛部，E0為光克爾介質前入射光電場，Θ為外差角。如果使用普通光克爾門，其選通的探測光電場為單純的非線性光學項(Hrail和Himaginal7),該非線性光學項依賴於開關光和探測光與光克爾介質的產生的互作用光克爾效應。為了有效地濾除系統散射光或具備對較大目標成像的能力，在普通光克爾門中，光克爾介質需要被放置於成像目標在第一凸透鏡後的頻譜面上。此時，互作用光克爾效應發生區域(即探測光與開關光子光克爾介質中的重合區域)即相當於成像目標空間頻譜的一個低通濾波器，導致了普通光克爾門選通成像時，利用單純的非線性光學項成像時，會因為缺失部分探測光攜帶的被測目標的高頻空間頻譜成分，成像結果模糊與系統解析度下降。邊緣模糊以及系統解析度下降的問題。飛秒外差光克爾門選通的探測光電場外差項2 Θ EtlHimaginmy中，Etl含有探測光攜帶的被測目標的全部空間頻譜成分，因此外差項的引入補償了普通飛秒光克爾門選通成像中缺失的被測目標的高頻空間頻譜成分，成像結果的邊緣更加銳利，系統解析度也更高。由於此時成像系統的時間解析度仍由光克爾門的開關時間決定，這保證了成像系統仍然具有飛秒時間量級的極高時間分辨能力。
[0043]如圖1所示，本發明提供的飛秒外差光克爾門，包括沿光路方向依次設置的起偏器7、光克爾介質8和檢偏器9,且起偏器7的偏振方向與光路中光的偏振方向相同,檢偏器9的偏振方向與光路中光的偏振垂直方向呈3?5°的外差角,起偏器7和檢偏器9的通過孔徑大於光路中透射光束的橫向尺寸。起偏器7和檢偏器9為稜鏡偏振器或消光比大於IO4:1的薄膜偏振器。
[0044]所述的稜鏡偏振器包括尼科爾稜鏡偏振器、格蘭泰勒稜鏡偏振器或渥拉斯頓稜鏡偏振器。
[0045]所述的光克爾介質8可以是如下三階非線性光學材料中的一種:
[0046]I)有機液體:如二硫化碳、硝基苯等；
[0047]2)晶體材料:如鈦酸鍶鋇等；
[0048]3)玻璃:如石英玻璃、重火石玻璃、鉍酸鹽玻璃、碲酸鹽玻璃等；
[0049]4)有機無機複合材料:如凝膠法製備的酞菁衍生物、C60衍生物等。
[0050]參見圖1，本發明提供的基於飛秒外差光克爾門的成像裝置，包括飛秒雷射器1，飛秒雷射器發射的飛秒脈衝雷射的單脈衝能量為3mJ，脈寬為50fs，經過放大器輸出的重複頻率1kHz。在飛秒雷射器I的發射光路上設有分束比為1: (I?4)的分束片2，分束片2將光路分成兩束，其中光強較大的一束作為探測光路，另一束作為開關光路。探測光路上依次設有第一反射鏡3、第二反射鏡4、待測目標5、透光孔徑為5?IOcm的第一凸透鏡6、起偏器7、光克爾介質8、檢偏器9、由透光孔徑為5?IOcm的第三凸透鏡16和透光孔徑為5?IOcm的第四凸透鏡17組成的凸透鏡組，以及(XD18，且待測目標5設置在第一凸透鏡6的前焦面上，光克爾介質8設置在第一凸透鏡6的後焦面上並同時設置在凸透鏡組的前焦面上，(XD18設置在凸透鏡組的後焦面上，由此使得待測目標5清晰的成像在(XD18上。起偏器7的偏振方向與探測光路中的飛秒探測脈衝光的偏振方向相同，檢偏器9的偏振方向與飛秒探測脈衝光的偏振垂直方向呈3?5°的外差角，起偏器7和檢偏器9的通過孔徑大於飛秒探測脈衝光的橫向尺寸。開關光路上依次設有第三反射鏡10、用於調節開關光路中的飛秒開關脈衝光的光程的光學延時線11、調整飛秒開關脈衝光的偏振方向的石英材質或BK玻璃的零級半波片12、第四反射鏡13、用於聚焦的第二凸透鏡14和用於阻擋透射過光克爾介質的飛秒開關脈衝光的遮擋板15,且飛秒開關脈衝光入射到光克爾介質內部的空間位置與飛秒探測脈衝光在光克爾介質內部的空間位置重合。光學延時線由電腦控制的精密步進移動平臺和放置在精密步進移動平臺上的兩個相互垂直的反射鏡構成，兩個相互垂直的反射鏡對飛秒開關脈衝光進行後向反射；精密步進移動平臺對飛秒開關脈衝光的光程的進行調整，調整精度為1.5?15微米，光學延時線的最小光程改變量為10?lOOfs。
[0051]本發明的基於飛秒外差光克爾門的成像裝置的優選參數如下:
[0052]飛秒雷射器發射的飛秒脈衝雷射的單脈衝能量為3mJ，脈寬為50fs，經過放大器輸出的重複頻率IkHz ;分束片的分束比為2:8 ;第一、第二、第三、第四凸透鏡的透光孔徑均為5cm,且第一、第二、第三、第四凸透鏡(6、14、16、17)的焦距分別為10cm、18cm、IOcm和16cm ;起偏器7和檢偏器9均為尼科爾稜鏡偏振器,透光孔徑為1.2cm ;光學延時線的最小光程改變量為10.4fs ;飛秒外差光克爾門的外差角為3°。
[0053]本發明提供的基於飛秒外差光克爾門的成像方法，首先將飛秒雷射器出射的飛秒脈衝雷射分成兩路，通過其中一路飛秒探測脈衝光入射到待測目標上，攜帶其形貌信息後，再由另一路飛秒開關脈衝光控制飛秒外差光克爾門，對攜帶待測目標形貌信息的飛秒探測脈衝光進行超快時間門選通。通過含有待測目標全部空間頻譜信息的本地振蕩光(光外差分量)的引入，提高了成像邊緣銳利度和系統的成像解析度，進而實現對待測目標形貌極高時間分辨的獲取。
[0054]參見圖1，該成像方法具體包括以下步驟:
[0055]I)從飛秒雷射器I出射的偏振的飛秒脈衝雷射被分束片分為兩束，其中光強較強的一束為探測光路的飛秒探測脈衝光，另一束為開關光路的飛秒開關脈衝光。
[0056]2)飛秒探測脈衝光經第一、第二反射鏡調整傳播方向後，入射到待測目標5上。飛秒探測脈衝光攜帶待測目標形貌信息後，經第一凸透鏡6聚焦後入射到飛秒外差光克爾門中。其中待測目標5和光克爾介質8分別位於第一凸透鏡6的前後焦平面上。飛秒外差光克爾門由起偏器7、光克爾介質8和檢偏器9構成。起偏器的偏振方向與飛秒探測脈衝光的偏振方向一致，檢偏器的偏振方向與飛秒探測脈衝光的偏振垂直方向呈3?5°的外差角。
[0057]3)飛秒開關脈衝光經第三反射鏡10調整方向後，入射到光學延時線11上。經光學延時線調整其光程後，再由一個石英材質的零級半波片12調整其偏振方向。為保證優異的飛秒外差光克爾門開關效率，經零級半波片調整後的飛秒開關脈衝光的偏振方向與飛秒探測脈衝光的偏振方向呈45°夾角。然後飛秒開關脈衝光經第四反射鏡反射後，經第二凸透鏡13弱聚焦，入射到光克爾介質8上，透射的飛秒開關脈衝光被遮擋板15阻擋。調節第三、第四反射鏡和第二凸透鏡，保證飛秒探測脈衝光和飛秒開關脈衝光在光克爾介質內的空間位置重合。
[0058]4)調節光學延時線。當飛秒探測脈衝光和飛秒開關脈衝光到達光克爾介質的時刻完全不重合時，由於檢偏器的偏振方向與飛秒探測脈衝光的偏振垂直方向呈3?5°的外差角，少量的飛秒探測脈衝光將通過檢偏器，經凸透鏡組(由第三、第四凸透鏡組成)收集後，成像於電荷耦合器件CCD18上，得到成像系統的參考圖像。
[0059]5)調節光學延時線。當飛秒探測脈衝光和飛秒開關脈衝光到達光克爾介質的時刻重合時，飛秒開關脈衝光在光克爾介質內誘導瞬態雙折射效應，進而瞬時開啟飛秒外差光克爾門。被飛秒外差光克爾門選通的飛秒探測脈衝光經凸透鏡組收集後，成像於C⑶上，獲得成像系統的目標圖像。
[0060]6)將步驟5)中獲得的目標圖像減去步驟4)中獲得的參考圖像，即可得到待測目標的飛秒外差光克爾門的選通圖像。
[0061]為了證實本發明的效果，下面結合附圖和兩個具體實施例對本發明做進一步詳細說明。
[0062]實施例1
[0063]本實施例以暴露於空氣中的鑑別率板(美軍標1951USAF解析度板，符合美國MIL-STD-150A標準)作為待測樣品。該鑑別率板上的圖案包括幾組由三條短線構成組合，短線的尺寸從大到小，這種測試圖廣泛地應用於測試光學成像系統(如顯微鏡和相機)的分辨能力。圖2為直接使用數位相機拍攝該解析度板的圖像。具體實施步驟如下:[0064](I)從飛秒雷射器出射的單脈衝能量為3mJ，脈寬為50fs，重複頻率1kHz，水平方向偏振的飛秒脈衝雷射，經過一個約為4_的光闌限制後，被分束比為2:8的分束片分為兩束，其中光強較強的一束為飛秒探測脈衝光，另一束為飛秒開關脈衝光。
[0065](2)飛秒探測脈衝光經第一、第二反射鏡調整傳播方向後，入射到待測樣品的0-4號圖案上。透射的飛秒探測脈衝光，經第一凸透鏡聚焦後入射到飛秒外差光克爾門中。其中待測目標和光克爾介質分別位於第一凸透鏡的前後焦平面上。飛秒外差光克爾門由起偏器、光克爾介質和檢偏器構成。其中光克爾介質米用放置於比色皿中的二硫化碳，起偏器和檢偏器採用通光孔徑約為1.2cm的尼科爾稜鏡，起偏器的偏振方向與飛秒探測脈衝光的偏振方向一致，檢偏器的偏振方向與飛秒探測脈衝光的偏振垂直方向呈3°的外差角。
[0066](3)飛秒開關脈衝光經第三反射鏡調整方向後，入射到光學延時線上。經光學延時線調整其光程後，再由一個石英材質的零級半波片調整其偏振方向。為保證優異的飛秒外差光克爾門開關效率，經半波片調整後的飛秒開關脈衝光的偏振方向與飛秒探測脈衝光的偏振方向呈45°夾角。然後飛秒開關脈衝光經第二凸透鏡弱聚焦後，入射到光克爾介質上，透射的飛秒開關脈衝光被遮擋板阻擋。
[0067](4)調節第三、第四反射鏡和第二凸透鏡，保證飛秒探測脈衝光和飛秒開關脈衝光在光克爾介質內空間位置重合，然後調節光學延時線。當飛秒探測脈衝光和飛秒開關脈衝光到達光克爾介質的時刻完全不重合時，由於檢偏器的偏振方向與飛秒探測脈衝光的偏振垂直方向呈3°的外差角，少量的飛秒探測脈衝光將通過檢偏器。經凸透鏡組收集後，成像於電荷耦合器件(CCD)上，獲得成像系統的參考圖像。當飛秒探測脈衝光和飛秒開關脈衝光到達光克爾介質的時刻重合時，飛秒開關脈衝光在光克爾介質內誘導瞬態雙折射效應，進而瞬時開啟飛秒外差光克爾門。被飛秒外差光克爾門選通的飛秒探測脈衝光，經凸透鏡組收集後，成像於C⑶上，可以獲得成像系統的目標圖像。
[0068](5)將步驟(4)中獲得的目標圖像減去參考圖像，即可得到待測目標的外差光克爾門選通圖像，如圖3 (a)所示。
[0069]進一步，為了對本方法得到的成像結果與傳統方法進行比較，在上述步驟(4)中，將檢偏器的偏振方向調整為飛秒探測脈衝光的偏振垂直方向(此處即為豎直方向)，得到了傳統的光克爾門選通圖像，如圖3 (b)所示。然後，將檢偏器的偏振方向調整為飛秒探測脈衝光的偏振方向(即為水平方向)，得到了飛秒脈衝透射待測目標後，無光克爾門選通時的圖像，如圖3 (c)所示。從圖3中可以看出，使用傳統方法得到的圖像，由於光克爾門的濾波作用，其邊緣比較模糊，而使用本方法提出的飛秒外差光克爾門得到的選通圖像同待測目標的直接透射圖像一樣，邊緣非常清晰銳利。
[0070]實施例2
[0071]本實施例以隱藏於聚苯乙烯微球懸濁液中的鑑別率板作為待測樣品，模擬本發明對於大量散射環境中隱藏物體成像的能力。鑑別率板同實例I中所述。具體實施步驟如下:
[0072](I)將少量粒徑為15微米的聚苯乙烯微球摻入去離子水中，製得聚苯乙烯微球懸濁液。該懸濁液是一種常用的標準散射介質。通過調節聚苯乙烯微球的濃度，獲得光學密度為10的強散射體。將鑑別率板放置於該散射介質前，構成本實例的待測樣品。
[0073](2)從飛秒雷射器出射的單脈衝能量為3mJ，脈寬為50fs，重複頻率1kHz，水平方向偏振的飛秒脈衝雷射，光斑的橫向尺寸約為8mm,被分束比為2:8的分束片分為兩束，其中光強較強的一束為飛秒探測脈衝光，另一束為飛秒開關脈衝光。
[0074](3)飛秒探測脈衝光經第一、第二反射鏡調整傳播方向後，入射到待測樣品的I號系列圖案(待測目標)上，入射到聚苯乙烯微球液。攜帶待測目標形貌信息的飛秒外差光克爾門選通圖像的獲取，參考例I的步驟(2)?(5)，結果如圖4 Ca)所示。
[0075](4)進一步，為了體現本方法針對散射環境中隱藏物體的成像能力，還將檢偏器的透振方向調整為水平方向，得到了飛秒脈衝透射待測目標後，無光克爾門選通時的圖像，如圖4 (b)所示。從圖4(b)可以看出，直接對處於強散射體內待測目標成像時，由於散射光子的幹擾，無法得到待測目標圖像。同樣為了對比作用，我們在圖4 (b)的實驗條件下，進一步去除本實例中的散射介質，得到待測目標的真實圖像，如圖4 (c)所示。由圖4 (a)和圖4 (c)可以看出，本方法得到的散射介質中待測目標的選通圖像與其真實圖像幾乎一致，證實了本方法還具有針對強散射介質內隱藏物體成像的能力。
【權利要求】
1.一種飛秒外差光克爾門，其特徵在於:包括沿光路方向依次設置的起偏器(7)、光克爾介質(8 )和檢偏器(9 ),且起偏器(7 )的偏振方向與光路中光的偏振方向相同，檢偏器(9 )的偏振方向與光路中光的偏振垂直方向呈3~5°的外差角,起偏器(7)和檢偏器(9)的通過孔徑大於光路中透射光束的橫向尺寸。
2.根據權利要求1所述的飛秒外差光克爾門，其特徵在於:其開啟時，透射光電場的表達式為:Hreal2+Himaginary2+2 Θ EtlHimaginary，其中Hreal和Himaginary分別為普通光克爾門透射光電場的實部與虛部，均為非線性光學項，2 Θ E0Hifflaginary為飛秒外差光克爾門選通的探測光電場外差項，Θ為外差角，Etl為光克爾介質前入射光電場，Etl含有探測光攜帶的被測目標的全部空間頻譜成分。
3.根據權利要求1所述的飛秒外差光克爾門，其特徵在於:所述的起偏器(7)和檢偏器(9)為稜鏡偏振器或消光比大於IO4:1的薄膜偏振器；其中稜鏡偏振器包括尼科爾稜鏡偏振器、格蘭泰勒稜鏡偏振器或渥拉斯頓稜鏡偏振器。
4.根據權利要求1-3中任意一項所述的飛秒外差光克爾門，其特徵在於:所述的光克爾介質(8)為三階非線性光學材料。
5.根據權利要求4所述的飛秒外差光克爾門，其特徵在於:所述的光克爾介質(8)包括二硫化碳、硝基苯、鈦酸鍶鋇、石英玻璃、重火石玻璃、鉍酸鹽玻璃、碲酸鹽玻璃、酞菁衍生物或C6tl衍生物。
6.一種基於飛秒外差光克爾門的成像裝置，其特徵在於:包括飛秒雷射器(I )，在飛秒雷射器(I)的發射光路上設有分束片(2)，分束片(2)將光路分成探測光路和開關光路，其中探測光路上依次設有待測目標(5)、第一凸透鏡(6)、起偏器(7)、光克爾介質(8)、檢偏器(9)、凸透鏡組和CXD (18)，並使待測目標(5)清晰的成像在CXD (18)上；起偏器(7)的偏振方向與探測光路中的飛秒`探測脈衝光的偏振方向相同，檢偏器(9)的偏振方向與飛秒探測脈衝光的偏振垂直方向呈3~5°的外差角，起偏器(7)和檢偏器(9)的通過孔徑大於飛秒探測脈衝光的橫向尺寸；開關光路上依次設有用於調節開關光路中的飛秒開關脈衝光的光程的光學延時線(11)和調整飛秒開關脈衝光的偏振方向的半波片(12)，且飛秒開關脈衝光入射到光克爾介質(8)內部的空間位置與飛秒探測脈衝光在光克爾介質(8)內部的空間位置重合。
7.根據權利要求6所述的基於飛秒外差光克爾門的成像裝置，其特徵在於:所述的待測目標(5)設置在第一凸透鏡(6)的前焦面上，光克爾介質(8)設置在第一凸透鏡(6)的後焦面上並同時設置在凸透鏡組的前焦面上，CXD (18)設置在凸透鏡組的後焦面上。
8.根據權利要求6或7所述的基於飛秒外差光克爾門的成像裝置，其特徵在於:所述的光學延時線(11)由電腦控制的精密步進移動平臺和放置在精密步進移動平臺上的兩個相互垂直的反射鏡構成，兩個相互垂直的反射鏡對飛秒開關脈衝光進行後向反射；精密步進移動平臺對飛秒開關脈衝光的光程的進行調整，調整精度為1.5~15微米，光學延時線(11)的最小光程改變量為10~IOOfs。
9.根據權利要求6或7所述的基於飛秒外差光克爾門的成像裝置，其特徵在於:所述的飛秒雷射器(I)經過放大器輸出的重複頻率為IkHz ； 所述的分束片(2)的分束比為1: (I~4)，其中光強較大的一束作為探測光路； 所述的第一凸透鏡(6)和凸透鏡組的透光孔徑均為5~IOcm ；所述的半波片(12)為零級半波片，其材質為石英材質或BK玻璃。
10.一種基於飛秒外差光克爾門的成像方法，其特徵在於，包括以下步驟: 1)將飛秒雷射器(I)出射的偏振的飛秒脈衝雷射經分束片(2)後分為兩束，其中一束作為探測光路的飛秒探測脈衝光，另一束作為開關光路的飛秒開關脈衝光； 2)飛秒探測脈衝光入射到待測目標(5)上，攜帶待測目標形貌信息後，經第一凸透鏡(6)聚焦後，順次經過起偏器(7)、光克爾介質(8)和檢偏器(9)，其中起偏器(7)、光克爾介質(8)和檢偏器(9)構成飛秒外差光克爾門，且檢偏器(9)的偏振方向與飛秒探測脈衝光的偏振垂直方向呈3~5°的外差角； 3)飛秒開關脈衝光經光學延時線(11)調整其光程後，再經過半波片(12)調整其偏振方向，入射到光克爾介質(8)上； 4)調節光學延時線(11)，當飛秒開關脈衝光和飛秒探測脈衝光到達光克爾介質(8)的時刻完全不重合時，此時僅有部分飛秒探測脈衝光能夠通過檢偏器(9)，然後由飛秒外差光克爾門後的凸透鏡組收集，並成像於CXD (18)上，獲得成像系統的參考圖像； 5)調節光學延時線(11)，當飛秒開關脈衝光和飛秒探測脈衝光到達光克爾介質(8)的時刻重合時，飛秒開光脈衝光瞬時開啟飛秒外差光克爾門，被飛秒外差光克爾門選通的飛秒探測脈衝光，經飛秒外差光克爾門後的凸透鏡組收集，成像於CXD (18)上，獲得成像系統的目標圖像； 6)將步驟5)中獲得的 目標圖像減去步驟4)中獲得的參考圖像，得到待測目標(5)的飛秒外差光克爾門選通圖像。
【文檔編號】G02F1/35GK103728811SQ201310471560
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年10月10日 優先權日:2013年10月10日
【發明者】譚文疆, 司金海, 佔平平, 許士超, 陳烽, 侯洵 申請人:西安交通大學