CN101571481A - 测量光学非线性的两次4f相位相干成像方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量光学非线性的两次4f相位相干成像装置，主要由入射光路、测量光路和参考光路构成，入射激光束由分束镜分成两束，一束为探测光进入测量光路，另一束为参考光，进入参考光路，测量光路中，由第一凸透镜和第二凸透镜构成4f相位相干成像系统，待测样品放置在第一凸透镜的焦平面上，在第二凸透镜光路中设有全反镜，探测光自第一凸透镜入射，照射在待测样品上，透射光经第二凸透镜后，由全反镜反射，反射光再次反向进入4f相位相干成像系统中，最后由分束镜反射进入CCD相机；参考光路与测量光路的出射光照射在同一个CCD相机上。本发明利用两次4f相位相干成像测量材料非线性的装置，提高了系统的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用光学手段测量材料的非线性性质的方法，具体涉及一种能提高4f相位相干成像系统测量精度的方法及其装置，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技术的飞速发展，非线性光学材料的研究日益重要。光学逻辑、光学记忆、光三极管、光开关和相位复共轭等功能的实现主要依赖于非线性光学材料的研究进展。光学非线性测量技术是研究非线性光学材料的关键技术之一。常用的测量方法有Z扫描、4f系统相干成像技术、马赫-曾德干涉法、四波混频、三次谐波非线性干涉法、椭圆偏振法、相位物体Z-scan等。其中Z扫描方法(Mansoor Sheik-Bahae，Ali A.Said，Tai-Hui Wei，David J.Hagan，E.W.Van Stryland.“Sensitive measurement of opticalnonlinearities using a single beam”，IEEE J.Quantum Elect，26，760-769(1990))光路简单、灵敏度高，是目前最常用的单光束测量材料光学非线性的方法。但是这种测量方法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。4f相位相干成像系统(G.Boudebs and S.Cherukulappurath，“Nonlinear optical measurements using a 4f coherentimaging system with phase object”，Phys.Rev.A，69，053813(2004))是近年来提出的一种测量材料非线性折射的新方法。利用4f相位相干成像技术测量非线性折射具有光路简单、灵敏度高、单脉冲测量，无需样品移动、对光源能量稳定性要求不高等优点。但4f相位相干成像系统的测量的精度并没有得到充分的提高。
发明内容
本发明目的是提供一种利用两次4f相位相干成像测量材料非线性的方法及其装置，用于光学非线性材料的检测，以提高系统的测量精度。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种测量光学非线性的两次4f相位相干成像装置，主要由入射光路、测量光路和参考光路构成，所述入射光路包括扩束系统、相位光阑和分束镜，入射激光束由分束镜分成两束，一束为探测光进入测量光路，另一束为参考光，进入参考光路，所述测量光路中，由第一凸透镜和第二凸透镜构成4f相位相干成像系统，待测样品放置在第一凸透镜的焦平面上，在第二凸透镜光路中设有全反镜，所述探测光自第一凸透镜入射，照射在待测样品上，透射光经第二凸透镜后，由全反镜反射，反射光再次反向进入4f相位相干成像系统中，最后由分束镜反射进入CCD相机；参考光路与测量光路的出射光照射在同一个CCD相机上。
上述技术方案中，所述相位光阑包括中央的圆形相位物体及其周围的环形区，圆形相位物体与环形区间的存在相位延迟，圆形相位物体的半径是光阑半径的0.2倍至0.5倍。
优选的技术方案，圆形相位物体与环形区间的相位延迟为0.5π，圆形相位物体的半径是光阑半径的0.3倍。
上述技术方案中，在所述测量光路的输出光路上位于CCD相机之前设置有中性衰减片，在参考光路的输出光路上位于CCD相机之前设置有中性衰减片。
为便于计算，所述第一凸透镜与第二凸透镜的焦距相同。所述相位光阑到第一凸透镜的距离等于第一凸透镜的焦距。
所述参考光路中设有两个反射镜，反射镜的设置角度使得参考光路的出射方向与测量光路的出射方向平行。
所述分束镜的透过率和反射率各为50％。
上述装置使用时，其测量分能量校准和光学非线性测量两部分进行；
其中，所述能量校准为，将能量计放置在两次4f系统的第一凸透镜后方，接收整个激光光斑，发射一个激光脉冲，用能量计测量脉冲的能量，同时用CCD相机采集参考光路的参考光斑，CCD探测到的参考光斑的强度成正线性关系，据此确定测量过程中入射到待测样品上的脉冲的能量；
所述非线性测量的步骤包括：
(1)不放待测样品，用CCD相机采集一个脉冲图像和一个参考光斑，称为无样品图像；
(2)放置待测样品，将中性衰减片放置在待测非线性样品之前，使得照射到样品上的光强降低到样品的光学线性区域，用CCD相机采集一个脉冲图像和一个参考光斑，称为线性图像；
(3)放置待测样品，将步骤(2)的中性衰减片放置在CCD相机之前，用CCD相机采集一个脉冲图像和一个参考光斑，称为非线性图像；
(4)对上述获得的无样品图像、线性图像和非线性图像进行处理，通过拟合获得所需检测的非线性参数。
上述技术方案中，以线性光斑作为输入通过数值拟合非线性光斑来得到介质的光学非线性吸收和非线性折射的值。所述步骤(4)中的处理包括，对线性图像和无样品图像分别进行积分，得到经样品透射后的线性脉冲激光的能量和入射脉冲的总能量，两者的比值就是待测样品的线性透过率；对在步骤(3)中采集的每个的图像作两个处理：一，对图像进行积分得到透射脉冲激光的能量，将其线性透射的脉冲的能量相除，两者的比值为非线性透过率；二，求出每个图像中心相位物体内的平均强度和其外的平均强度之差，将这个差值与线性图像平均强度的比值定义为ΔT；通过对非线性透过率的拟合，得到介质的光学非线性吸收系数；通过对ΔT的拟合，结合得到的介质非线性吸收系数，得到介质的非线性折射系数。
本发明在传统4f的焦平面处放置待测样品，将传统4f测第二凸透镜后的CCD相机换成全反镜，让一束入射光两次经过介质，从而提高了系统的测量灵敏度。数值模拟显示，在相同入射光强的情况下，改进后的两次4f成像系统得到的的非线性图像中，相位物体区域内的归一化的平均强度要比传统4f成像系统的非线性图像中相位物体区域归一化的平均强度要大。即改进后的两次4f成像系统的使得测量系统的灵敏度增加。改进后的4f系统的灵敏度的提高是随着样品的线性吸收以及样品的非线性相移的变化而不同的。将灵敏度的变化定义为ΔT2/ΔT1，则当样品内产生的非线性相移
的情况下，灵敏度都可以得到提高。
附图说明
图1是本发明实施例一中的相位光阑示意图；
图2是本发明实施例一中的两次4f相位相干成像装置的工作原理图；
图3是传统的4f系统得到的非线性图像和实施例一的比较图；
图4是传统4f的ΔT1、实施例一的ΔT2与样品的线性透过率的关系曲线；
图5是ΔT2/ΔT1的比值与待测样品的线性透过率的关系曲线图；
图6是传统4f的ΔT1、实施例一的ΔT2与非线性相移的关系曲线；
图7是ΔT2/ΔT1的比值与非线性相移的关系曲线。
其中：其中：1、凸透镜；2、凸透镜；3、相位光阑；4、分束器；5、反射镜；6、反射镜；7、中性衰减片；8、CCD相机；9、第一凸透镜；10、待测样品；11、第二凸透镜；12、反射镜；13、中性衰减片；14、相位物体。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：附图1是改进的两次4f相位相干成像系统的实验装置图。实验装置可以分为扩束系统、测量系统和参考系统三部分。扩束系统是由凸透镜1和凸透镜2组成；测量系统由相位光阑3、第一凸透镜9、待测样品10、第二凸透镜11、全反镜12、分束镜4、中性衰减片13和CCD相机8组成。其中中性衰减片13是用来保证CCD相机8在其线性响应以内，第一凸透镜9和第二凸透镜11构成4f系统，相位光阑3放置在4f系统的物面上，待测样品10在傅里叶平面上，CCD相机8在第一凸透镜的焦平面上接收由分束镜4反射的光斑图像。从激光器出射的脉冲激光首先经过扩束系统扩束，扩束后的激光经过相位光阑后形成近top-hat光，光束经第一凸透镜9会聚到放置在傅里叶面上的待测样品上，由于待测样品10的光学非线性使得入射的脉冲激光的光强和相位发生变化。从样品透射的脉冲激光经过第二凸透镜11的傅里叶逆变换由CCD相机13进行接收，获得非线性光斑。
参考系统由分束镜4、反射镜5、反射镜6、中性衰减片7、和CCD相机8组成。从相位光阑3出来的激光被分束镜4分为两束，其中一束经反射镜5、反射镜6、中性衰减片7，被CCD相机8接收，即为参考光斑。
附图2为相位光阑3的示意图，相位物体14为圆形，通过相位物体14的光束比其它部分的光束位相延迟
本实施例中相位延迟0.5π。
利用改进的两次4f相位相干成像系统进行材料光学非线性的测量分两部分进行，即能量校准和非线性测量。
能量校准是将非线性样品10取走，将校准的能量计放置在第一凸透镜9之后的某一位置使得激光光斑能够全部打到能量计探头上。发射一个激光脉冲，用能量计测量脉冲的能量，同时用CCD相机8采集参考光路的参考光斑。由于光路中所有器件都是线性器件，所以根据参考光斑的强度就可以得到入射脉冲激光的能量。这样在非线性测量过程中的入射到待测样品10上的脉冲激光的能量就可以通过同一个脉冲激光产生的参考光斑来计算得到。
非线性测量的具体步骤为：将待测样品10放置在傅里叶平面上，先将中性衰减片13放在分束器4与第一凸透镜9之间，入射一个脉冲激光，在CCD上可以得到两个光斑即入射光经过测量系统打在样品表面后在CCD上获得的线性光斑和从参考光路中得到的参考光斑，然后将中性衰减片13放回图1所示的原位置，再入射一个脉冲激光，在CCD上可以得到两个光斑即入射光经过测量系统打在样品表面后在CCD上获得的非线性光斑和从参考光路中得到的参考光斑。
附图3为传统的4f系统得到的非线性图像和改进的两次4f成像系统的剖面图的比较。数值模拟所用的主要参数为相位物体半径与光阑半径之比ρ＝Lp/Ra＝0.5mm/1.7mm≈0.3，样品的线性透过率为0.99。待测样品非线性相移ΦNL＝0.5。定义带圆形相位物体的相位光阑产生的非线性图像中相位光阑位置的平均强度与相位物体之外的平均强度之差为ΔT。从附图3中可以看到ΔT2＞ΔT1，即改进后的4f成像装置使系统的测量灵敏度得到了提高。
透过待测样品的的能量主要由待测样品的线性吸收决定，即由全反镜反射再次进入待测样品的能量主要与待测样品的线性透过率有关。附图4为传统4f的ΔT1与带改进两次4f的ΔT2与样品的线性透过率的关系曲线。从中可以看出当样品的线性透过率很低时，两个系统的ΔT几乎相等，这是因为第二次进入样品的能量太低，产生的非线性相移可以忽略，随着透过率的提高，两者的差距就越来越大。附图5为ΔT2/ΔT1的比值与待测样品的线性透过率的关系曲线作图。从中可以看出改进后的4f系统的灵敏度随着线性透过率的增加而增大。附图6是传统4f的ΔT1与带改进两次4f的ΔT2与非线性相移的关系曲线。从中看出在
的范围内，ΔT2明显大于ΔT1。将ΔT2/ΔT1的比值与非线性相移的关系曲线作图显示在附图7中。从附图7中我们可以看到在整个
的范围内改进后的4f系统都可以使测量灵敏度提高。当非线性相移为0.5时，改进后的4f系统的测量灵敏度达到最大值。
Claims (9)
1.一种测量光学非线性的两次4f相位相干成像装置，主要由入射光路、测量光路和参考光路构成，所述入射光路包括扩束系统、相位光阑(3)和分束镜(4)，入射激光束由分束镜(4)分成两束，一束为探测光进入测量光路，另一束为参考光，进入参考光路，所述测量光路中，由第一凸透镜(9)和第二凸透镜(11)构成4f相位相干成像系统，待测样品(10)放置在第一凸透镜(9)的焦平面上，其特征在于：在第二凸透镜(11)光路中设有全反镜(12)，所述探测光自第一凸透镜(9)入射，照射在待测样品(10)上，透射光经第二凸透镜(11)后，由全反镜(12)反射，反射光再次反向进入4f相位相干成像系统中，最后由分束镜(4)反射进入CCD相机(8)；参考光路与测量光路的出射光照射在同一个CCD相机(8)上。
2.根据权利要求1所述的测量光学非线性的两次4f相位相干成像装置，其特征在于：所述相位光阑(3)包括中央的圆形相位物体及其周围的环形区，圆形相位物体与环形区间的存在相位延迟，圆形相位物体的半径是光阑半径的0.2倍至0.5倍。
3.根据权利要求2所述的测量光学非线性的两次4f相位相干成像装置，其特征在于：圆形相位物体与环形区间的相位延迟为0.5π，圆形相位物体的半径是光阑半径的0.3倍。
4.根据权利要求1、2或3所述的测量光学非线性的两次4f相位相干成像装置，其特征在于：在所述测量光路的输出光路上位于CCD相机(8)之前设置有中性衰减片(13)，在参考光路的输出光路上位于CCD相机(8)之前设置有中性衰减片(7)。
5.根据权利要求1、2或3所述的测量光学非线性的两次4f相位相干成像装置，其特征在于：所述第一凸透镜(9)与第二凸透镜(11)的焦距相同。
6.根据权利要求5所述的测量光学非线性的两次4f相位相干成像装置，其特征在于：所述相位光阑(3)到第一凸透镜(9)的距离等于第一凸透镜(9)的焦距。
7.根据权利要求1、2或3所述的测量光学非线性的两次4f相位相干成像装置，其特征在于：所述参考光路中设有两个反射镜(5、6)，反射镜的设置角度使得参考光路的出射方向与测量光路的出射方向平行。
8.根据权利要求1、2或3所述的测量光学非线性的两次4f相位相干成像装置，其特征在于：所述分束镜(4)的透过率和反射率各为50％。
9.一种测量光学非线性的两次4f相位相干成像的方法，其特征在于：采用权利要求1的装置进行测量，测量的步骤包括：
(1)不放待测样品，用CCD相机采集一个脉冲图像和一个参考光斑，称为无样品图像；
(2)放置待测样品，将中性衰减片放置在待测非线性样品之前，使得照射到样品上的光强降低到样品的光学线性区域，用CCD相机采集一个脉冲图像和一个参考光斑，称为线性图像；
(3)放置待测样品，将步骤(2)的中性衰减片放置在CCD相机之前，用CCD相机采集一个脉冲图像和一个参考光斑，称为非线性图像；
(4)对上述获得的无样品图像、线性图像和非线性图像进行处理，通过拟合获得所需检测的非线性参数。
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