CN102636830A - 条形相位光阑及4f相位相干非线性成像系统及该系统对非线性折射率测量方法 - Google Patents

Abstract

条形相位光阑及4f相位相干非线性成像系统及该系统对非线性折射率测量方法，涉及光学技术领域。为了解决圆形相位物体制作工艺复杂、Z扫描系统测量对光束要求高、焦点处多次照射易造成样品损伤以及灵敏度低、误差大的问题。条形相位光阑由条形相位物体和圆形光阑构成。条形相位光阑的4f相位相干非线性成像系统由二分之一波片、偏振棱镜、扩束器、条形相位光阑、图像传感器、能量参考系统和4f成像系统组成。能量参考系统由分束镜、第二全反镜、中性滤波片、第三凸透镜、第三全反镜和第一全反镜组成。4f成像系统的两个凸透镜同轴共焦设置，第一凸透镜为入射透镜，第二凸透镜为出射透镜。该系统用于光通信和光信息处理等领域。

Description

条形相位光阑及4f相位相干非线性成像系统及该系统对非线性折射率测量方法

技术领域

本发明涉及一种相位光阑、光学成像系统及该系统的应用技术，属于光学技术领域。 

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的重要性日益突出。光学逻辑、光学记忆、光三极管、光开关和相位共轭等功能的实现主要依赖于非线性光学材料研究的进展。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。这里将要用到的4f相位相干非线性成像系统(G.Boudebs and S.Cherukulappurath，“Nonlinear optical measurements using a 4f coherent imaging system with phase object”，Phys.Rev.A，69，053813(1996))就是一种结合了傅里叶光学和非线性光学的测量材料非线性折射的创新方法。 

4f相位相干非线性成像技术基于光束空间畸变，可以用来测量系统傅里叶面处的材料光学非线性。研究结果表明四分之一波长失相物体可以使探测图像透过率变化最大化；相位物体和顶帽光可以极大地增加测量灵敏度；相位物体使非线性系数的符号确定成为可能。总之，这种创新技术反转了泽尼克空间滤波实验：不是把四分之一波片放在傅里叶面去获得在成像系统物平面处的未知的相位物体的信息，而是把四分之一波片放在物平面去获得放在傅里叶面处材料中诱导的非线性滤波器的信息。这种方法可以利用单脉冲同时测量非线性折射系数的大小和符号。传统的相位光阑是在一个圆形光阑的中心制作一个面积更小的圆形相位物体即透明电介质膜，通过相位物体的光与通过其它地方的光相比有π/2的相位延迟。当被测样品的非线性折射率为正的时候，图像传感 器接收到的非线性图像由于正相衬的原因，相位物体处的光强比周围强。相反，当被测样品的非线性折射率为负的时候，非线性图像中相位物体位置处的光强要比周围弱。这种对比度的特征可以被用来确定光学材料的非线性折射。 

4f相位相干非线性成像技术虽然巧妙地利用相位光阑来实现了非线性折射率大小和符号的同步测量，但是要在本来就不大的圆形光阑中心镀尺寸更小的并且相位延迟为π/2的均匀透明介质膜形成圆形相位物体并不是一件容易的工作，会极大增加制作工艺的难度，导致相位物体形不规则，边缘有毛刺，相位延迟不均匀，降低了测量精度。此外，现有的Z扫描方法需要非线性样品的轴向移动，光路调整的要求高。此外由于其多脉冲照射的本质，导致对激光脉冲在时间、空间上的稳定性要求很高，否则将会带来很大的测量误差。也正是由于光学参量产生器OPG的输出光束质量很难让人满意，所以一直以来宽波段光学非线性研究发展极其缓慢。不仅如此，4f相位相干非线性成像系统由于焦点处附近的连续高光强照射会对非线性样品造成不可逆的损伤，限制了其应用对象范围。 

发明内容

本发明的目的是为了解决圆形相位光阑制作工艺复杂，相位物体形状不规则，边缘有毛刺而导致的测量精度低的问题；现有的Z扫描方法光路调整要求高，对激光脉冲在时间、空间上的光束质量以及能量稳定性要求高，难以实现宽波段光学非线性测量的问题；4f相位相干非线性成像系统由于焦点处附近的连续高光强照射会对非线性样品造成不可逆的损伤的问题。从而提供了条形相位光阑及采用该光阑的4f相位相干非线性成像系统及该系统对非线性折射率测量方法。 

本发明所述的条形相位光阑为圆形玻璃片，在所述圆形玻璃片上设置有圆 环形不透明区域，该圆环形不透明区域的圆心为圆形玻璃片的圆心，该圆环形不透明区域的外径等于圆形玻璃片的直径，该圆环形不透明区域的半径为2R_a，在半径为R_a的透明区域内设置有条形的透明介质膜，并且该透明介质膜贯穿整个透明区域，所述透明介质膜为相位物体，所述条形的透明介质膜的两个侧边对称分布在圆形玻璃片的一条直径的两侧，且相互平行，所述条形的透明介质膜的两个侧边之间的距离为2R_p，R_a＞R_p。 

本发明所述的条形相位光阑的4f相位相干非线性成像系统由二分之一波片、偏振棱镜、扩束器、条形相位光阑、图像传感器、能量参考系统和4f成像系统组成，其中，所述能量参考系统由分束镜、第二全反镜、第一中性滤波片、第三凸透镜、第三全反镜和第一全反镜组成； 

4f成像系统由第一凸透镜和第二凸透镜组成，所述第一凸透镜和第二凸透镜同轴共焦设置，其中第一凸透镜为4f成像系统的入射透镜，第二凸透镜为4f成像系统的出射透镜； 

条形相位光阑位于4f成像系统的物平面处，图像传感器位于4f成像系统的像平面处以采集脉冲空间滤波图像； 

脉冲激光入射至二分之一波片，经该二分之一波片透射的透射光入射至偏振棱镜，经该偏振棱镜的偏振光入射至扩束器，经该扩束器的出射光入射至条形相位光阑，经该条形相位光阑的出射光入射至分束镜，经该分束镜透射的透射光入射至4f成像系统，该4f成像系统出射光成像于图像传感器的光敏面上形成主光斑；经分束镜反射的反射光入射至第二全反镜，经该第二全反镜反射的反射光入射至第一中性滤波片，经该第一中性滤波片透射的透射光入射至第三凸透镜，经该第三凸透镜透射的透射光入射至第三全反镜，经该第三全反镜反射的反射光入射至第一全反镜，经该第一全反镜反射的反射光入射至图像传感器的光敏面上形成参考光斑。 

本发明所述的基于上述4f相位相干非线性成像系统对非线性折射率的测量方法，它包括下述步骤： 

步骤一、采用激光器发射的脉冲激光束作为4f相位相干非线性成像系统的入射光，然后采集此时图像传感器获得的脉冲图像，该脉冲图像称为无样品图像； 

步骤二、将非线性样品放置于4f成像系统的傅里叶面处，将第二中性滤波片放置在第一凸透镜和非线性样品之间，使得照射到非线性样品上的光强降低到线性范围，然后，采集此时图像传感器获得的脉冲图像，该脉冲图像称为线性图像； 

步骤三、将第二中性滤波片移到非线性样品和第二凸透镜之间，然后，采集此时图像传感器获得的脉冲图像，该脉冲图像称为非线性图像； 

步骤四、能量校准的步骤，切断4f相位相干非线性成像系统的入射光，并将非线性样品取走，将能量计放置在第一凸透镜和第二凸透镜之间，并使得经第一凸透镜会聚的会聚光斑能够全部打到该能量计的能量探头的有效感光面上，然后，采用激光器发射一个脉冲激光入射至4f相位相干非线性成像系统，通过能量计测量所述脉冲激光的能量，同时用图像传感器采集参考光斑； 

步骤五、以线性图像作为输入，通过数值拟合非线性图像来得到非线性折射率。 

本发明通过使用条形相位光阑在不降低测量灵敏度的前提下达到了降低相位物体制作工艺难度，提高系统测量精度的目的。该条形相位物体4f相位相干非线性成像方法不需要非线性样品的轴向移动，降低了光路调整的难度；该方法对非线性折射率的测量为单脉冲照射，因此彻底消除了由于激光脉冲在时间、空间、能量上的不稳定性所带来的测量误差，对光束质量要求降低，适合于宽波带光学非线性测量，该方法将光学非线性测量灵敏度提高到Z扫描技术的2.6倍。4f相位相干非线性成像系统避免了因焦点附近高光强脉冲的多次照射而引起的不可逆损伤，适合于对比较脆弱的非线性样品的测量。 

附图说明

图1是本发明所述的条形相位光阑4的结构示意图；图2是现有圆形相位 光阑15的结构示意图；图3是本发明所述的4f相位相干非线性成像系统的结构示意图；图4是自聚焦情况下条形相位光阑数值模拟的非线性图像；图5是自聚焦情况下条形相位光阑数值模拟的非线性图像剖面图；图6是条形相衬信号与非线性相移的关系；图7是二硫化碳实验中光斑的线性分布图；图8是二硫化碳实验中光斑的非线性分布图；图9是二硫化碳实验中没有非线性样品时的光斑二维灰度分布图。 

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的条形相位光阑4为圆形玻璃片4-1，在所述圆形玻璃片4-1上设置有圆环形不透明区域，该圆环形不透明区域的圆心为圆形玻璃片4-1的圆心，该圆环形不透明区域的外径等于圆形玻璃片4-1的直径，该圆环形不透明区域的半径为R_a，在半径为R_a透明区域内设置有条形的透明介质膜，并且该透明介质膜贯穿整个透明区域，所述透明介质膜为相位物体4-2，所述条形的透明介质膜的两个侧边对称分布在圆形玻璃片4-1的一条直径的两侧，且相互平行，所述条形的透明介质膜的两个侧边之间的距离为2R_p，R_a＞R_p。 

具体实施方式二、本实施方式与实施方式一的不同之处在于：所述圆环形不透明区域的内半径R_a与条形的透明介质膜的两个侧边之间的距离2R_p之间的最优化关系为：2R_p/R_a∈(0.16，0.18)。 

具体实施方式三、结合图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的是应用具体实施方式一所述的条形相位光阑的4f相位相干非线性成像系统，它由二分之一波片1、偏振棱镜2、扩束器3、条形相位光阑4、图像传感器14、能量参考系统和4f成像系统组成，其中，所述能量参考系统由分束镜5、第二全反镜10、第一中性滤波片11、第三凸透镜12、第三全反镜13和第一全反镜9组成； 

4f成像系统由第一凸透镜6和第二凸透镜8组成，所述第一凸透镜6和第二凸透镜8同轴共焦设置，其中第一凸透镜6为4f成像系统的入射透镜， 第二凸透镜8为4f成像系统的出射透镜； 

条形相位光阑4位于4f成像系统的物平面处，图像传感器14位于4f成像系统的像平面处以采集脉冲空间滤波图像； 

脉冲激光入射至二分之一波片1，经该二分之一波片1透射的透射光入射至偏振棱镜2，经该偏振棱镜2的偏振光入射至扩束器3，经该扩束器3的出射光入射至条形相位光阑4，经该条形相位光阑4的出射光入射至分束镜5，经该分束镜5透射的透射光入射至4f成像系统，该4f成像系统出射光成像于图像传感器14的光敏面上形成主光斑；经分束镜5反射的反射光入射至第二全反镜10，经该第二全反镜10反射的反射光入射至第一中性滤波片11，经该第一中性滤波片11透射的透射光入射至第三凸透镜12，经该第三凸透镜12透射的透射光入射至第三全反镜13，经该第三全反镜13反射的反射光入射至第一全反镜9，经该第一全反镜9反射的反射光入射至图像传感器14的光敏面上形成参考光斑。 

具体实施方式四、本实施方式所述的基于具体实施方式二所述的4f相位相干非线性成像系统对非线性折射率的测量方法，它包括下述步骤： 

步骤一、采用激光器发射的脉冲激光束作为4f相位相干非线性成像系统的入射光，然后采集此时图像传感器14获得的脉冲图像，该脉冲图像称为无样品图像； 

步骤二、将非线性样品7放置于4f成像系统的傅里叶面处，将第二中性滤波片放置在第一凸透镜6和非线性样品7之间，使得照射到非线性样品7上的光强降低到线性范围，然后，采集此时图像传感器14获得的脉冲图像，该脉冲图像称为线性图像； 

步骤三、将第二中性滤波片移到非线性样品7和第二凸透镜8之间，然后，采集此时图像传感器14获得的脉冲图像，该脉冲图像称为非线性图像； 

步骤四、能量校准的步骤，切断4f相位相干非线性成像系统的入射光，并将非线性样品7取走，将能量计放置在第一凸透镜6和第二凸透镜8之间， 并使得经第一凸透镜6会聚的会聚光斑能够全部打到该能量计的能量探头的有效感光面上，然后，采用激光器发射一个脉冲激光入射至4f相位相干非线性成像系统，通过能量计测量所述脉冲激光的能量，同时用图像传感器14采集参考光斑； 

步骤五、以线性图像作为输入，通过数值拟合非线性图像来得到非线性折射率。 

在4f相位相干非线性成像系统的物平面，照射在条形相位光阑4上的为线偏振单色平面波，其光场为E(t)，条形相位光阑4的透过率为t(x，y)，则在条形相位光阑4后表面的光场为：O(x，y，t)＝E(t)t(x，y)，非线性样品7前表面光场为O(x，y，t)的空间傅里叶变换： 

$S(u,v,t)=\frac{1}{{\mathrm{\λf}}_1}\mathrm{FT}\left[O(x,y,t)\right]=\frac{1}{{\mathrm{\λf}}_1}\∫\∫O(x,y,t)\exp [-2\mathrm{\πi}(\mathrm{ux}+\mathrm{vy})]\mathrm{dxdy}---\left(1\right)$

上式中FT代表傅里叶变换；u和v分别为4f相位相干非线性成像系统傅里叶面处x和y方向的空间频率：u＝x′/λf₁，v＝y′/λf₁；f₁为第一凸透镜6的焦距；λ为激光波长。 

对于三阶光学非线性，在薄样品近似和慢变包络近似下，脉冲激光的光强和相位变化在非线性介质中传播满足： 

$\frac{\mathrm{dI}}{{\mathrm{dz}}^{\′}}=-(\mathrm{\α}+\mathrm{\βI})I---\left(2\right)$

$\frac{\mathrm{d\Δ\φ}}{{\mathrm{dz}}^{\′}}={\mathrm{kn}}_{2}I---\left(3\right)$

其中，α和β分别为线性和非线性吸收系数，I为样品中的光强，n₂为非线性折射率，z′为光束在样品中的传播距离，k＝2π/λ为波矢大小，Δφ为非线性相移，在非线性介质后表面的复光场为： 

$S_L(u,v,t)=S(u,v,t)e^{-\mathrm{\αL}/2}{[1+q(u,v,t)]}^{\mathrm{ik}{n}_2/\mathrm{\β}-1/2}---\left(4\right)$

式中q(u，v，t)＝βL_effI(u，v，t)代表非线性虚相移，L_eff＝1-e^-αL/α为有效长度，L为非线性介质的厚度，i为虚数单位；I(u，v，t)是光束在样品内的强度，正比于 |S(u，v，t)|²，复振幅响应可以定义为： 

其中 

是非线性相移，其表达式为： 

非线性样品是无损克尔介质时，忽略α与β，则方程(6)化简为 

公式(5)简化为 

在4f相位相干非线性成像系统的出射面，像强度为： 

I_im(x，y，t)＝|U(x，y，t)|²＝|FT^-1[S(u，v，t)T(u，v，t)H(u，v)]|²  (7) 

式中，FT^-1为逆傅里叶变换符号，H(u，v)＝circ[(u²+v²)^1/2λG/N_A]是无像差透镜的相干光学传递函数，circ(r)为圆函数，当r≤1时为1，其余情况为0；NA为透镜6的数值孔径，G是整个光学系统的放大率， 

由于像平面处的图像传感器仅对激光能流分布响应，所以需要对光强进行时间积分得到能流： 

$F(x,y)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{I}_{\mathrm{im}}(x,y,t)\mathrm{dt}---\left(8\right)$

圆形相位光阑15是一个内径为R_a的玻璃圆环，圆环内的同心圆的半径为L_p，透明介质膜镀在圆环内的同心圆表面，圆形相位光阑15的透过率为 

其中，R_a为孔径光阑的半径，L_p为圆形相位物体的半径，为了对比，让条形相位光阑和圆形相位光阑面积相等，此时有表达式： 

$\mathrm{\π}{L}_p^2={2R}_p\sqrt{R_a^2-R_p^2}+{2R}_a^2\arcsin (R_p/R_a)---\left(9\right)$

其中R_p为条形相位物体的半宽度。一般来说，圆形相位光阑中R_a＝1.5mm，L_p＝0.5mm，这样通过计算可以得到R_p＝0.131mm。 

根据方程(1)-(8)，可以数值模拟出4f相位相干非线性成像系统像平 面处的光强分布，进而得到材料的非线性折射。 

图1是本发明所述的条形相位光阑4的结构示意图，由半宽度为R_p的条形相位物体和半径为R_a的光阑组成，相位延迟仍为π/2。图2是圆形相位光阑15的结构示意图，该圆形相位光阑的半径为R_a，相位物体的半径为L_p，通过相位物体的透射光与通过其它部分的透射光相比位相延迟π/2。 

图4是自聚焦情况下条形相位光阑数值模拟的非线性图像；图5是自聚焦情况下条形相位光阑数值模拟的剖面图其沿y＝0的剖面图。相位物体横向宽度与光阑半径之比为ρ＝2R_p/R_a＝0.26mm/1.5mm≈0.17。从图4和图5可以看到，对于自聚焦效应，非线性图像中相位物体处的光强要比其他地方的光强大，为正相衬；事实上，对于自散焦效应，非线性图像中相位物体处的光强要比其他地方的光强小，为负相衬。这样非线性折射的符号就很容易地被确定。相衬信号ΔT定义为归一化后的非线性图像中峰或谷与肩之间的距离。 

图6表明本发明所述的条形相位物体4f相位相干非线性成像系统的相衬信号ΔT与非线性相移 

的关系。两者在小非线性相移情况下为线性关系 

根据非线性相移与介质的三阶非线性折射系数在薄样品近似下的线性关系，从而可以方便地测量三阶非线性折射率。此外，对于Z扫描技术在小非线性相移情况下有关系式 假设S＝0，可以得到其最大灵敏度为 

条形相位光阑4f相位相干非线性成像技术的测量灵敏度为Z扫描技术的2.6倍(1.067/0.406)。为了验证该系统和方法的有效性，对标准非线性克尔介质二硫化碳进行处理。图7是二硫化碳实验中光斑的线性分布图；图8是二硫化碳实验中光斑的非线性分布图；图9是二硫化碳实验中没有非线性样品时的光斑二维灰度分布图。对应实验参数为：入射能量E_i＝0.42μJ，条形相位物体半宽度R_p＝1mm，圆形光阑半径R_a＝3.5mm，条形相位物体相移 

样品厚度L＝2mm，第一凸透镜6 和第二凸透镜8焦距f₁＝f₂＝25cm，根据拟合过程最后得到的折射率为n₂＝2.9×10^-18m²/W，拟合结果与二硫化碳皮秒脉冲532nm激发波长下的公认值n₂＝3.2×10^-18m²/W非常接近这里误差的主要来源在于线性光斑和非线性光斑不是同一个激光脉冲激发的，而不同脉冲的空间分布并不完全相同，这种误差可由并联双4f系统消除表明了该条形相位光阑的4f相位相干非线性成像系统的可行性和可靠性。 

Claims (4)

1.条形相位光阑，其特征是：条形相位光阑(4)为圆形玻璃片(4-1)，在所述圆形玻璃片(4-1)上设置有圆环形不透明区域，该圆环形不透明区域的圆心为圆形玻璃片(4-1)的圆心，该圆环形不透明区域的外径等于圆形玻璃片(4-1)的直径，该圆环形不透明区域的半径为R_a，在半径为R_a透明区域内设置有条形的透明介质膜，并且该透明介质膜贯穿整个透明区域，所述透明介质膜为相位物体(4-2)，所述条形的透明介质膜的两个侧边对称分布在圆形玻璃片(4-1)的一条直径的两侧，且相互平行，所述条形的透明介质膜的两个侧边之间的距离为2R_p，R_a＞R_p。

2.根据权利要求1所述的条形相位光阑，其特征是：所述圆环形不透明区域的内半径R_a与条形的透明介质膜的两个侧边之间的距离2R_p之间的关系为：2R_p/R_a∈(0.16，0.18)。

3.应用权利要求1所述的条形相位光阑的4f相位相干非线性成像系统，其特征是：它由二分之一波片(1)、偏振棱镜(2)、扩束器(3)、条形相位光阑(4)、图像传感器(14)、能量参考系统和4f成像系统组成，其中，所述能量参考系统由分束镜(5)、第二全反镜(10)、第一中性滤波片(11)、第三凸透镜(12)、第三全反镜(13)和第一全反镜(9)组成；

4f成像系统由第一凸透镜(6)和第二凸透镜(8)组成，所述第一凸透镜(6)和第二凸透镜(8)同轴共焦设置，其中第一凸透镜(6)为4f成像系统的入射透镜，第二凸透镜(8)为4f成像系统的出射透镜；

条形相位光阑(4)位于4f成像系统的物平面处，图像传感器(14)位于4f成像系统的像平面处以采集脉冲空间滤波图像；

脉冲激光入射至二分之一波片(1)，经该二分之一波片(1)透射的透射光入射至偏振棱镜(2)，经该偏振棱镜(2)的偏振光入射至扩束器(3)，经该扩束器(3)的出射光入射至条形相位光阑(4)，经该条形相位光阑(4)的出射光入射至分束镜(5)，经该分束镜(5)透射的透射光入射至4f成像系统，该4f成像系统出射光成像于图像传感器(14)的光敏面上形成主光斑；经分束镜(5)反射的反射光入射至第二全反镜(10)，经该第二全反镜(10)反射的反射光入射至第一中性滤波片(11)，经该第一中性滤波片(11)透射的透射光入射至第三凸透镜(12)，经该第三凸透镜(12)透射的透射光入射至第三全反镜(13)，经该第三全反镜(13)反射的反射光入射至第一全反镜(9)，经该第一全反镜(9)反射的反射光入射至图像传感器(14)的光敏面上形成参考光斑。

4.基于权利要求2所述的4f相位相干非线性成像系统对非线性折射率的测量方法，其特征是：它包括下述步骤：

步骤一、采用激光器发射的脉冲激光束作为4f相位相干非线性成像系统的入射光，然后采集此时图像传感器(14)获得的脉冲图像，该脉冲图像称为无样品图像；

步骤二、将非线性样品(7)放置于4f成像系统的傅里叶面处，将中性滤波片放置在第一凸透镜(6)和非线性样品(7)之间，使得照射到非线性样品(7)上的光强降低到线性范围，然后，采集此时图像传感器(14)获得的脉冲图像，该脉冲图像称为线性图像；

步骤三、将中性滤波片移到非线性样品(7)和第二凸透镜(8)之间，然后，采集此时图像传感器(14)获得的脉冲图像，该脉冲图像称为非线性图像；

步骤四、能量校准的步骤，切断4f相位相干非线性成像系统的入射光，并将非线性样品(7)取走，将能量计放置在第一凸透镜(6)和第二凸透镜(8)之间，并使得经第一凸透镜(6)会聚的会聚光斑能够全部打到该能量计的能量探头的有效感光面上，然后，采用激光器发射一个脉冲激光入射至4f相位相干非线性成像系统，通过能量计测量所述脉冲激光的能量，同时用图像传感器(14)采集参考光斑；

步骤五、以线性图像作为输入，通过数值拟合非线性图像来得到非线性折射率。

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