CN100373269C - 飞秒脉冲全息装置 - Google Patents

Abstract

一种飞秒脉冲全息装置，包括一台飞秒激光光源，其特点是沿激光光源发出的光束前进方向依次是扩束望远镜、第一分束器，在该第一分束器的透射方向依次由第一全反射镜、第一、第二色散三角形棱镜、第二分束器、探测器构成物光路，在该第一分束器的反射方向依次由第三、第四色散三角形棱镜、第二全反射镜、第二分束器、探测器构成参考光路，该探测器与一用来重构飞秒全息图像的计算机相连。本发明装置将120飞秒的超短脉冲展宽成1纳秒脉冲，大大降低了对物光程和参考光程等光程的要求，使飞秒全息系统的操作和调整很方便。

Description

飞秒脉冲全息装置

技术领域：

本发明涉及全息术，特别是一种飞秒脉冲全息装置。飞秒全息术由于脉冲持续时间极短，给实验室带来诸多不便。本发明在飞秒全息术中引入脉冲展宽技术，从而达到飞秒测试、纳秒记录。

背景技术：

自从激光出现以后，为全息术提供了一个理想的相干光源，全息术获得迅猛的发展。如今全息术已经进入到人们的日常生活，超级市场上，各种各样的商品到处粘贴着五光十色的用全息方法制造的防伪标志，一切的一切都是为了帮助人们提高生活质量。

全息术本身的发展沿着两个不同的方向在进行：一、为了提高全息术的成像分辨率，采用短波长、紫外、软X射线、硬X射线、电子束、原子束以及中子，分辨率已达到或者小于原子量级。二、为了研究瞬态现象，向超快方向发展，从微秒、纳秒、皮秒直达飞秒，特别是飞秒全息。飞秒全息成像技术作为研究超快现象的基本手段之一，具有重要的科学研究和应用价值。目前已受到人们广泛的注视。

美国E.Leith研究小组最先将飞秒全息技术成功地应用于透过高散射介质成像，其原理主要是利用了全息选通技术，使参考光最先到达光干涉，形成全息图。

由于光透过高散射介质时存在严重的散射，所以必须采用脉冲光源成像。超短激光脉冲经过高散射介质很容易展宽上百倍。展宽后的出射脉冲可分为两部分：最先到达光(first-arriving light)和后续到达光(later-arriving light)。  最先到达光经过的路程最短，散射最小，利用它可以形成良好的散射介质内部结构的阴影图像。后续到达光经过严重的散射，对成像没有益处。

现在的问题是如何将最先到达光分离出来，最先到达光与后续到达光到达探测器的时间不同，所以需采用时间选通方法。常用的时间选通方法有Kerr快门和条纹相机，这两种方法都有缺点。Kerr快门需要笨重的大功率激光系统，同步扫描条纹相机的时间分辨率只有5-10ps。

飞秒全息选通技术具有功率低、二维成像(条纹相机需要扫描过程以建立二维图像)、时间分辨率与脉宽相同、整个系统易于调整等优点，成为分离最先到达光的有效、实用方法。该方法以参考光作为选通快门，调整参考光的光程(延迟)，使其与最先到达光同时到达接受面，两者形成全息图。后续到达光没有与参考光在空间上相遇，不能形成干涉条纹，只能作为背景噪声存在。这样，包含有图像信息的最先到达光被成功地分离出来。

瑞典的N.Abramson研究小组主要利用皮秒、飞秒脉冲全息技术研究飞行中的光波纪录(light-in-flight recording)及这种飞行光记录方法在物体面形测量、三维物体识别等其它方面的应用。在使用飞秒全息进行拍摄时，人们碰到的第一个问题是需要设计和安排一个准等光程的光路，我们知道，1飞秒超短脉冲光所占据的空间仅为0.3微米，因此光脉冲分束以后，再让它们在空间重叠是非常艰难的一件工作。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于克服上述在先飞秒全息技术的不足，提供一种飞秒脉冲全息装置，采用飞秒脉宽进行测量，然后将含有信息的飞秒脉冲展宽到纳秒量级进行记录。

下面讨论飞秒脉冲光的单色性(频谱宽度)问题，光脉冲的时域波形和频域波形均为傅里叶共轭关系，即依据测不准原理的关系。若脉冲宽度为Δt，频谱宽度为Δv，则

Δt·Δv≥k    (1)

式中，k为取决于光脉冲的分布函数。把上式中使等号成立的光脉冲称作傅里叶变换极限脉冲。

对波长800nm、脉冲宽度100fs的光脉冲，傅里叶变换极限频谱宽度约为7nm；假定波长600nm、脉冲宽度10fs，则频谱宽度约为50nm。

介质的折射率因波长不同而异，这称为色散，因为超短脉冲的频谱宽度，在光脉冲通过介质时，即使在低强度脉冲不同波长的成分也以不同的传输速度即群速色散通过。无论将脉冲强度降低多少，脉冲也会展宽。

脉冲的展宽是通过频率啁啾来实现的，因此可以利用任何材料的群速度色散得到，例如，可以利用棱镜和光栅的色散效应而得到。在早期的研究工作中，一般都是通过光纤来实现，用适当长度的光纤，利用光纤中的自相位调制(self-phase modulat ing)和群速度色散(group-velocity dispersion)对光纤的联合作用，使从光纤中输出的脉冲成为在时域和频域都得到展宽的啁啾脉冲。从光纤中出来的啁啾脉冲的宽度一般在100皮秒左右，要想获得更长的脉冲，必须采用光栅或棱镜对展宽器。

根据上述脉冲展宽的原理，本发明采用棱镜的正色散将脉冲展宽。因此本发明的具体技术方案如下：

一种飞秒脉冲全息装置，包括一台飞秒激光光源，其特点是沿激光光源发出的光束前进方向依次是扩束望远镜、第一分束器，在该第一分束器的透射方向依次由第一全反射镜、第一、第二色散三角形棱镜、第二分束器、探测器构成物光路，在该第一分束器的反射方向依次由第三、第四色散三角形棱镜、第二全反射镜、第二分束器、探测器构成参考光路，该探测器与一用来重构飞秒全息图像的计算机相连。所述的色散三角形棱镜是由高折射率熔石英制成的顶角为68°的等腰三角形棱镜。

所述的激光光源是一台输出800nm、脉冲宽度为120fs的钛宝石激光器。

所述的扩束望远镜是一台将波长为800nm光束扩大10倍的光学系统。

所述的第一、第二分束镜是透过50％、反射50％的光楔镀膜镜。

所述的第一第二全反射镜是全反射介质膜镜。

所说的探测器是一台带有接收卡的电荷耦合器CCD。

本发明飞秒脉冲全息装置的工作情况大致如下：

将一块待测的能产生快过程、透过800nm的位相物体，即样品放在物光路中，例如第一全反射镜和第一色散三角形棱镜之间的物光路中，当激光光源钛宝石飞秒激光器输出一个120飞秒激光脉冲，经扩束望远镜扩束以后，经第一分束镜变成两个等强度的透射光束和反射光束，透射光束被全反射镜反射进入到样品，含有样品信息的物光束被色散三角形棱镜展宽成1纳秒的脉冲，被第二分束器反射到探测器上。

而反射光束经亦被第三、第四色散三角形棱镜展宽成1纳秒，被第二全反射镜反射，通过第二分束器形成参考光束在探测器上和物光束相遇，形成全息图，这个全息图由CCD上的图像数字化，经计算机图像处理即重构，实时地重构出样品的位相信息，揭示样品的瞬态变化。

本发明的技术效果：

本发明飞秒脉冲全息装置与在先技术相比，最大的优点在于：它将120飞秒的超短脉冲展宽成1纳秒脉冲，大大降低了对物束光程和参考束光程等光程的要求，使飞秒全息系统的操作和调整很方便。

附图说明：

图1为本发明的飞秒脉冲全息成像装置原理图。

具体实施方式

现请参阅图1，图1为本发明的飞秒脉冲全息装置结构原理图，由图可见，本发明飞秒脉冲全息装置由13部分组成：包括一台飞秒激光光源1，其特征在于激光光源1发出的光束前进方向依次是扩束望远镜2、第一分束器3，在该第一分束器3的透射方向依次由第一全反射镜4、第一、第二色散三角形棱镜9、10、第二分束器6、探测器12构成物光路，在该第一分束器3的反射方向依次由第三、第四色散三角形棱镜7、8、第二全反射镜5、第二分束器6、探测器12构成参考光路，该探测器12与一计算机13相连。

所说的激光光源1，是一台输出800nm脉冲宽度为120飞秒、脉冲能量1纳焦耳的钛宝石激光器。

所说的扩束望远镜2，是一台将波长为800nm光束扩大10倍的光学系统。

所说的第一、第二分束镜3，6，是透过50％、反射50％的光楔镀膜镜。

所说的第一、第二全反射镜4，5，是全反射介质膜镜。

所说的棱镜7，8，9，10，是高折射率熔石英构成的顶角为68°的等腰三角形棱镜。

所说的样品11，是一块待测的能产生快过程、透过800nm的位相物体。

所说的探测器12，是一台带有接收卡的电荷耦合器CCD。

所说的计算机13，是用来重构飞秒全息成像的显示系统。

本发明飞秒脉冲全息装置的工作情况大致如下：

将一块待测的能产生快过程、透过800nm的位相物体，即样品11放在物光路中，例如第一全反射镜4和第一色散三角形棱镜9之间的物光路中，当激光光源1钛宝石飞秒激光器输出一个120飞秒激光脉冲，经扩束望远镜2扩束以后，经第一分束镜3变成两个等强度光束A和B，A光束被全反射镜4反射进入到样品11，含有样品信息的A束被棱镜9，10展宽成1纳秒的脉冲，被分束器6反射到探测器12上，形成物光束。

而B束经第三、第四棱镜7，8亦被展宽成1纳秒，被第二全反射镜5反射，通过分束器6形成参考光束，在探测器12上和物光束相遇，形成全息图，这个全息图由CCD上的图像数字化，经计算机13图像处理即重构，实时地重构出样品11的位相信息，揭示样品的瞬态变化。

Claims (5)

1.一种飞秒脉冲全息装置，包括一台飞秒激光光源(1)，其特征在于激光光源(1)发出的光束前进方向依次是扩束望远镜(2)、第一分束器(3)，在该第一分束器(3)的透射方向依次由第一全反射镜(4)、第一、第二色散三角形棱镜(9、10)、第二分束器(6)、探测器(12)构成物光路，在该第一分束器(3)的反射方向依次由第三、第四色散三角形棱镜(7、8)、第二全反射镜(5)、第二分束器(6)、探测器(12)构成参考光路，该探测器(12)与一用来重构飞秒全息图像的计算机(13)相连，所述的第一、第二、第三和第四色散三角形棱镜(7，8，9，10)是由高折射率熔石英制成的顶角为68°的等腰三角形棱镜。

2.根据权利要求1所述的飞秒脉冲全息装置，其特征在于所述的激光光源(1)是一台输出800nm、脉冲宽度为120fs的钛宝石激光器。

3.根据权利要求1所述的飞秒脉冲全息装置，其特征在于所述的扩束望远镜(2)，是一台将波长为800nm光束扩大10倍的光学系统。

4.根据权利要求1所述的飞秒脉冲全息装置，其特征在于所述的第一、第二分束镜(3，6)是透过率为50％、反射率为50％的光楔镀膜镜。

5.根据权利要求1所述的飞秒脉冲全息装置，其特征在于所述的第一第二全反射镜(4，5)是全反射介质膜镜。

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