CN101149344A - 基于迈克尔逊干涉仪的4f相位相干成像方法 - Google Patents
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Abstract
基于迈克尔逊干涉仪的4f相位相干成像方法，它是一种基于迈克尔干涉仪的4f相干相位成像技术测量介质的非线性折射性质的方法，以解决传统4f系统相干成像技术数据的处理较为麻烦、无法避免非线性吸收，以及马赫－曾德尔干涉法存在的形变的范围较小，对噪声和激光的稳定性要求较高、数据处理复杂且误差较大的问题。本发明的方法由以下步骤组成：步骤一：开启并调节装置；步骤二：采集无样品图像；步骤三：采集线性图像；步骤四：采集非线性图像；步骤五：计算线性透过率；步骤六：计算非线性相移；步骤七：计算三阶非线性折射系数。
Description
技术领域
本发明所涉及的是一种基于迈克尔干涉仪的4f相干相位成像技术测量介质的非线性折射性质的方法，属于非线性光子学材料和非线性光学信息处理领域。
背景技术
随着光通信和光信息处理等领域的飞速发展，非线性光学材料研究日益重要。光开关、相位复共轭、光限幅以及光调制等功能的实现主要依赖于非线性光学材料的研究进展，而光学非线性测量技术是研究非线性光子学材料的关键技术之一。目前常用的测量非线性光学参数方法有Z扫描、4f系统相干成像技术、马赫-曾德尔干涉法、四波混频、三次谐波非线性干涉法、椭圆偏振法等。上述测量方法中的后三种光路比较复杂，而且在测量非线性折射效应的时候无法区分材料三阶极化率的实部和虚部；上述Z扫描技术光路简单、灵敏度高，是目前应用最为广泛的一个测量技术，但是需要样品在激光传播方向的移动，需要激光多次激发，对薄膜和易损伤的材料不适用，由于需要多次激发，在研究材料的光动力学方面无能为力；上述马赫-曾德尔干涉技术具有单脉冲测量、灵敏度高的优点，但无法区别材料的非线性吸收、光路复杂、数据处理复杂的缺点。
在应用基于迈克尔逊干涉仪的4f相位相干成像装置测量介质非线性折射性质时，具有光路简单、实验数据处理简单、对材料的非线性相移的测量不受非线性吸收的影响、单脉冲测量的优点，其在测量薄膜和易损伤材料时的优点也显而易见，而且是研究材料的光动力学性质的有力手段。而传统的4f系统相干成像技术数据的处理较为麻烦、无法避免非线性吸收的影响。
马赫-曾德尔干涉仪的方法最早是由Georges Boudebs等人于2000年提出(G.Boudebs，M.Chis，and X.Nguyen Phu，“Third-order susceptibilitymeasurement by a new Mach-Zehnder interferometry technique”，J.Opt.Soc.Am.B，18(5)，623-627)。这个方法是利用在马赫-曾德尔干涉仪一个臂中产生相位转换而使干涉条纹发生局部的形变，用CCD接收到形变的结果，然后做一次傅立叶变换得到非线性相位转换的函数分布。它同Z扫描方法一样，也属于光束畸变测量，其基本原理是在马赫-曾德尔干涉仪的一个臂上放置样品，通过泵浦的方法让通过此样品的单壁产生非线性相移，从而使干涉条纹产生局域的形变，但是此方法由于产生形变的范围太小，对噪声和激光的稳定性要求很高、数据处理复杂且误差较大。
发明内容
本发明为解决传统4f系统相干成像技术数据的处理较为麻烦、无法避免非线性吸收，以及马赫-曾德尔干涉法存在的形变的范围较小，对噪声和激光的稳定性要求较高、数据处理复杂且误差较大的问题，提供一种基于迈克尔逊干涉仪的4f相位相干成像方法。完成本发明的方法采用以下结构的装置，该装置由第一线性衰减片1、第一全反射镜2、第一孔径光阑3、第二全反射镜4、第二孔径光阑5、第一分光镜6、第二分光镜7、第一凸透镜8、第二凸透镜10、第二线性衰减片11、第三分光镜12、CCD相机13、第三凸透镜14、第三全反射镜15、第四全反射镜18、第四凸透镜19、第五凸透镜20和激光器21组成，第四凸透镜19、第一线性衰减片1、第五凸透镜20、第一分光镜6、第二孔径光阑5和第二全反射镜4都依次设置在激光器21上侧的中心轴线上，第四凸透镜19的透射光的光轴轴线、第一线性衰减片1的透射光的光轴轴线、第五凸透镜20的透射光的光轴轴线、第二孔径光阑5的透光孔的中心轴线和第二全反射镜4的中心轴线都与激光器21的激光发射口的中心轴线相重合，第一分光镜6下侧入射点的右侧面与激光器21的激光发射口上侧的中心轴线呈45°角，第二全反射镜4的反射面朝向激光器21的激光发射口，第三分光镜12、第二线性衰减片11、第二凸透镜10、第一凸透镜8、第二分光镜7、第一分光镜6、第一孔径光阑3和第一全反射镜2都依次设置在CCD相机13的图像采集面左侧的中心轴线上，第二线性衰减片11的透射光的光轴轴线、第二凸透镜10的透射光的光轴轴线、第一凸透镜8的透射光的光轴轴线、第一孔径光阑3的透光孔的中心轴线和第一全反射镜2的中心轴线都与CCD相机13的图像采集面左侧的中心轴线相重合，第一分光镜6右侧出射点的下侧面与CCD相机13的图像采集面左侧的中心轴线呈45°角，第二分光镜7与第一分光镜6相互平行设置，第三分光镜12与第二分光镜7之间的夹角为90°，第一全反射镜2的反射面朝向CCD相机13的图像采集面，第三全反射镜15设置在第二分光镜7的反射光的光路上，第三全反射镜15的反射面朝向右侧并与第二分光镜7的出射光的中心轴线呈45°角，第五凸透镜14和第四全反射镜18都依次设置在第三全反射镜15的反射光的光路上，第五凸透镜14的透射光的光轴轴线和第四全反射镜18的入射光的光轴轴线都与第三全反射镜15的出射光的光轴轴线相重合，第四全反射镜18的出射光的光轴轴线与第三分光镜12的入射光的光轴轴线相重合；
本发明的本方法由以下步骤组成：
步骤一、开启并调节装置：打开激光器21，调整第一全反射镜2和第二全反射镜4使激光束在CCD相机13的图像采集面上形成3到5个条纹；
步骤二、采集无样品图像：在未设置待测样品时用CCD相机13采集一个脉冲图像，此图像记为无样品图像；
步骤三：采集线性图像：将待测样品9设置在第一凸透镜8和第二凸透镜10之间重合的焦点上，用CCD相机13采集一个脉冲图像，此图像记为线性图像；
步骤四：采集非线性图像：取掉第一线性衰减片1和第二线性衰减片11，用CCD相机13采集一个脉冲图像，此图像记为非线性图像；
步骤五：计算线性透过率：将步骤三中采集到的线性图像和步骤二中采集到的无样品图像分别进行积分，得到透过样品后的线性脉冲的能量和入射脉冲的总能量，两者的比值即为待测样品9的线性透过率；
步骤六：计算非线性相移：将步骤四中采集到的非线性图像与步骤三中采集到的线性图像进行对比，计算出条纹移动距离，然后根据条纹移动距离计算出待测样品9处产生的非线性相移；
步骤七：计算三阶非线性折射系数：将步骤六中计算出的非线性相移经过能量校准和步骤五中计算出的线性透过率通过公式：
Фmax＝n2·Imax(0，0)·L
计算即得出待测样品9的三阶非线性折射系数n2，其中L为待测样品9的厚度，Imax(0，0)为孔径光阑中心处的最大光场强度，Фmax为待测样品9的非线性最大相移。
本发明的有益效果是：
(1)与传统4f相干成像技术相比，本发明具有不需要测量材料的非线性吸收系数既可得到最大非线性相移、数据处理简单的特点；
(2)与马赫-曾德干涉技术相比较，本发明具有光路简单、数据处理容易、对激光器的稳定性要求较低、不受非线性吸收的影响的特点；
(3)同其它非线性光学测量技术(如Z扫描方法)相比，本发明具有单脉冲测量、没有样品的移动、理论模型简单的特点，其单脉冲测量的特点还可以被用来测量材料的非线性折射率随曝光时间变化的动态过程；
(4)本发明所述的测量方法，可以广泛应用于非线性光子学材料、非线性光学信息处理和光子学器件等研究领域，尤其是非线性光功能材料的测试和改性等关键环节，利用本发明方法的测试结果准确，测量非线性相移时排除了非线性吸收的影响，另外本方法对激光的质量和光路要求简单，数据处理方便，测试速度快捷。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；图2是本发明方法的流程图；图3是CCD相机13得到的非线性二维图；图4是CCD相机13得到的垂直于条纹方向的一维线性图和一维非线性图；图5是CCD相机13得到的平行于条纹方向的一维线性图和一维非线性图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1～图5，完成本实施方式的方法采用以下结构的装置，该装置由第一线性衰减片1、第一全反射镜2、第一孔径光阑3、第二全反射镜4、第二孔径光阑5、第一分光镜6、第二分光镜7、第一凸透镜8、第二凸透镜10、第二线性衰减片11、第三分光镜12、CCD相机13、第三凸透镜14、第三全反射镜15、第四全反射镜18、第四凸透镜19、第五凸透镜20和激光器21组成，第四凸透镜19、第一线性衰减片1、第五凸透镜20、第一分光镜6、第二孔径光阑5和第二全反射镜4都依次设置在激光器21上侧的中心轴线上，第四凸透镜19的透射光的光轴轴线、第一线性衰减片1的透射光的光轴轴线、第五凸透镜20的透射光的光轴轴线、第二孔径光阑5的透光孔的中心轴线和第二全反射镜4的中心轴线都与激光器21的激光发射口的中心轴线相重合，第一分光镜6下侧入射点的右侧面与激光器21的激光发射口上侧的中心轴线呈45°角，第二全反射镜4的反射面朝向激光器21的激光发射口，第三分光镜12、第二线性衰减片11、第二凸透镜10、第一凸透镜8、第二分光镜7、第一分光镜6、第一孔径光阑3和第一全反射镜2都依次设置在CCD相机13的图像采集面左侧的中心轴线上，第二线性衰减片11的透射光的光轴轴线、第二凸透镜10的透射光的光轴轴线、第一凸透镜8的透射光的光轴轴线、第一孔径光阑3的透光孔的中心轴线和第一全反射镜2的中心轴线都与CCD相机13的图像采集面左侧的中心轴线相重合，第一分光镜6右侧出射点的下侧面与CCD相机13的图像采集面左侧的中心轴线呈45°角，第二分光镜7与第一分光镜6相互平行设置，第三分光镜12与第二分光镜7之间的夹角为90°，第一全反射镜2的反射面朝向CCD相机13的图像采集面，第三全反射镜15设置在第二分光镜7的反射光的光路上，第三全反射镜15的反射面朝向右侧并与第二分光镜7的出射光的中心轴线呈45°角，第五凸透镜14和第四全反射镜18都依次设置在第三全反射镜15的反射光的光路上，第五凸透镜14的透射光的光轴轴线和第四全反射镜18的入射光的光轴轴线都与第三全反射镜15的出射光的光轴轴线相重合，第四全反射镜18的出射光的光轴轴线与第三分光镜12的入射光的光轴轴线相重合；
本发明的本方法由以下步骤组成：
步骤一、开启并调节装置：打开激光器21，调整第一全反射镜2和第二全反射镜4使激光束在CCD相机13的图像采集面上形成3到5个条纹；
步骤二、采集无样品图像：在未设置待测样品时用CCD相机13采集一个脉冲图像，此图像记为无样品图像；
步骤三：采集线性图像：将待测样品9设置在第一凸透镜8和第二凸透镜10之间重合的焦点上，用CCD相机13采集一个脉冲图像，此图像记为线性图像；
步骤四：采集非线性图像：取掉第一线性衰减片1和第二线性衰减片11，用CCD相机13采集一个脉冲图像，此图像记为非线性图像；
步骤五：计算线性透过率：将步骤三中采集到的线性图像和步骤二中采集到的无样品图像分别进行积分，得到透过样品后的线性脉冲的能量和入射脉冲的总能量，两者的比值即为待测样品9的线性透过率；
步骤六：计算非线性相移：将步骤四中采集到的非线性图像与步骤三中采集到的线性图像进行对比，计算出条纹移动距离，然后根据条纹移动距离计算出待测样品9处产生的非线性相移；
步骤七：计算三阶非线性折射系数：将步骤六中计算出的非线性相移经过能量校准和步骤五中计算出的线性透过率通过公式：
Фmax＝n2·Imax(0，0)·L
计算即得出待测样品9的三阶非线性折射系数n2，其中L为待测样品9的厚度，Imax(0，0)为孔径光阑中心处的最大光场强度，Фmax为待测样品9的非线性最大相移。
在本实施例中，激光器21可采用Nd:YAG激光器(Ekspla，PL2143B)倍频以后的532nm激光，脉宽21ps；CCD相机13可采用德国Lavision公司生产的Image QE，像素大小为6.4×6.4μm2，每个象素具有4095级灰度；待测样品9可选用CS2，使第一孔径光阑3和第二孔径光阑5的透光孔的半径的比值为1∶3，第一孔径光阑3的透光孔到第一凸透镜8的光路行程和第二孔径光阑5的透光孔到第一凸透镜8的光路行程都等于第一凸透镜8的焦距，第一分光镜6的透射率和反射率都为50％，第一凸透镜8的一个焦点和第二凸透镜10的一个焦点在它们俩之间重合，第三凸透镜19的焦距小于第四凸透镜20的焦距，第三凸透镜19的一个焦点和第四凸透镜20的一个焦点在它们俩之间重合。
对待测样品9的非线性测量的计算公式如下：
第一孔径光阑3和第二孔径光阑5的平面处的电场分布为：
O1(x，y)、O2(x，y)；
则频谱面的电场分布为：
S(u，v)＝F{O1(x，y)+O2(x，y)}
此时待测样品9的透过率为：
T(u，v)＝T(u，v)exp(jNL(u，v))
其中T(u，v)只影响像平面的电场强度分布，而NL(u，v)既影响像平面的强度分布，又影响像平面的相位分布，而像平面的条纹移动只与电场的相位分布有关，对于单光束来讲像平面中心处的电场相位与入射面的电场相位分布相比，其增加量与样品处的最大非线性线相移成正比，比值为0.5。当第一孔径光阑3和第二孔径光阑5的透光孔的半径大小差别为1∶3以上时，由于在频谱面出的埃里斑大小与孔径大小成反比，小孔径的单束光产生的非线性效应相对于大孔径产生的非线性效应可以忽略，因此通过计算条纹移动便可以计算得到样品处的非线性相移。由图4和图5中的条纹移动情况计算可得到条纹移动大约为0.12个条纹，由于待测物品9的非线性吸收比较小，因此可以得到样品处的非线性相移，经过校准能量还可以得到样品的三阶非线性折射系数n2，经过计算得到n2的值为2.8±0.2m2/W，这个结果跟以前的各种方法所测得的结果相吻合。
Claims (2)
1.基于迈克尔逊干涉仪的4f相位相干成像方法，完成本方法采用以下结构的装置，该装置由第一线性衰减片(1)、第一全反射镜(2)、第一孔径光阑(3)、第二全反射镜(4)、第二孔径光阑(5)、第一分光镜(6)、第二分光镜(7)、第一凸透镜(8)、第二凸透镜(10)、第二线性衰减片(11)、第三分光镜(12)、CCD相机(13)、第三凸透镜(14)、第三全反射镜(15)、第四全反射镜(18)、第四凸透镜(19)、第五凸透镜(20)和激光器(21)组成，第四凸透镜(19)、第一线性衰减片(1)、第五凸透镜(20)、第一分光镜(6)、第二孔径光阑(5)和第二全反射镜(4)都依次设置在激光器(21)上侧的中心轴线上，第四凸透镜(19)的透射光的光轴轴线、第一线性衰减片(1)的透射光的光轴轴线、第五凸透镜(20)的透射光的光轴轴线、第二孔径光阑(5)的透光孔的中心轴线和第二全反射镜(4)的中心轴线都与激光器(21)的激光发射口的中心轴线相重合，第一分光镜(6)下侧入射点的右侧面与激光器(21)的激光发射口上侧的中心轴线呈45°角，第二全反射镜(4)的反射面朝向激光器(21)的激光发射口，第三分光镜(12)、第二线性衰减片(11)、第二凸透镜(10)、第一凸透镜(8)、第二分光镜(7)、第一分光镜(6)、第一孔径光阑(3)和第一全反射镜(2)都依次设置在CCD相机(13)的图像采集面左侧的中心轴线上，第二线性衰减片(11)的透射光的光轴轴线、第二凸透镜(10)的透射光的光轴轴线、第一凸透镜(8)的透射光的光轴轴线、第一孔径光阑(3)的透光孔的中心轴线和第一全反射镜(2)的中心轴线都与CCD相机(13)的图像采集面左侧的中心轴线相重合，第一分光镜(6)右侧出射点的下侧面与CCD相机(13)的图像采集面左侧的中心轴线呈45°角，第二分光镜(7)与第一分光镜(6)相互平行设置，第三分光镜(12)与第二分光镜(7)之间的夹角为90°，第一全反射镜(2)的反射面朝向CCD相机(13)的图像采集面，第三全反射镜(15)设置在第二分光镜(7)的反射光的光路上，第三全反射镜(15)的反射面朝向右侧并与第二分光镜(7)的出射光的中心轴线呈45°角，第五凸透镜(14)和第四全反射镜(18)都依次设置在第三全反射镜(15)的反射光的光路上，第五凸透镜(14)的透射光的光轴轴线和第四全反射镜(18)的入射光的光轴轴线都与第三全反射镜(15)的出射光的光轴轴线相重合，第四全反射镜(18)的出射光的光轴轴线与第三分光镜(12)的入射光的光轴轴线相重合，
2.其特征在于本发明的本方法由以下步骤组成：
步骤一、开启并调节装置：打开激光器(21)，调整第一全反射镜(2)和第二全反射镜(4)使激光束在CCD相机(13)的图像采集面上形成3到5个条纹；
步骤二、采集无样品图像：在未设置待测样品时用CCD相机(13)采集一个脉冲图像，此图像记为无样品图像；
步骤三：采集线性图像：将待测样品(9)设置在第一凸透镜(8)和第二凸透镜(10)之间重合的焦点上，用CCD相机(13)采集一个脉冲图像，此图像记为线性图像；
步骤四：采集非线性图像：取掉第一线性衰减片(1)和第二线性衰减片(11)，用CCD相机(13)采集一个脉冲图像，此图像记为非线性图像；
步骤五：计算线性透过率：将步骤三中采集到的线性图像和步骤二中采集到的无样品图像分别进行积分，得到透过样品后的线性脉冲的能量和入射脉冲的总能量，两者的比值即为待测样品(9)的线性透过率；
步骤六：计算非线性相移：将步骤四中采集到的非线性图像与步骤三中采集到的线性图像进行对比，计算出条纹移动距离，然后根据条纹移动距离计算出待测样品(9)处产生的非线性相移；
步骤七：计算三阶非线性折射系数：将步骤六中计算出的非线性相移经过能量校准和步骤五中计算出的线性透过率通过公式：
Φmax＝n2·Imax(0，0)·L
计算即得出待测样品(9)的三阶非线性折射系数n2，其中L为待测样品(9)的厚度，Imax(0，0)为孔径光阑中心处的最大光场强度，Φmax为待测样品(9)的非线性最大相移。
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