CN103257521B - 光克尔门选通分幅相机及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光克尔门选通分幅相机及成像方法，用于克服目前分幅相机及成像方法中电脉冲选通不够快的缺点。本发明是利用脉冲激光在光克尔介质中的非线性作用形成选通门信号，结合高精度的时间同步和大动态图像采集系统，使用小孔阵列和泵浦光延时，在探测像面上获得多幅有序的确定时间间隔的图像整列，从而构成新型的分幅相机。本发明可实现皮秒至飞秒量级的高速选通门，实现红外、可见、紫外波段的高时间分辨率。

Description

光克尔门选通分幅相机及成像方法

技术领域

本发明涉及成像领域，具体涉及一种基于光克尔效应作为选通门的分幅相机及成像方法。

背景技术

惯性约束聚变的物理过程十分复杂，并且在数纳秒内完成，这就需要多种超快诊断设备，其中包括分幅相机和条纹相机。早期的快门式分幅相机其时间分辨率最高为几纳秒至几十纳秒，后来发展到阴极选通型分幅相机，可实现2～10ns的时间分辨率，而且画幅大，但是只能成单幅像。目前广泛使用行波选通技术，即微通道板选通的X射线皮秒分幅相机；采用微带线选通已经可以达到几十皮秒至百皮秒级的时间分辨。然而在靶核爆聚的最后阶段，靶核被压缩到几十个微米，其过程持续时间约为100ps，对这一阶段的等离子体时空演化的测量需要几个微米的空间分辨率和皮秒甚至更短的时间分辨率，这是电脉冲选通所不能达到的。

我国已实现皮秒分幅相机的研制并投入使用，但对更高的时间分辨率要求，就需要新的技术来实现几个皮秒乃至飞秒的时间分辨。光克尔效应是由介质的三阶非线性引起的效应，现在已经广泛应用于超短脉冲的泵浦探测、超短脉冲信噪比测量等实验中。光克尔效应可表示为：

$I_{\mathrm{OKS}}=I_{\mathrm{probe}}{\sin }^2\left(2\mathrm{\θ}\right){\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{2}\right)$

I_OKS是光克尔效应透射光强，I_probe是探测光强，θ是泵浦光和探测光偏振方向的夹角，Δφ是非线性相移。当非线性相移较小时，可近似为

如果将光克尔门技术应用到分幅相机中作为选通门，这种纯光学选通技术替代目前的电子学方法产生电脉冲选通方式，将大大提高时间分辨率。

发明内容

本发明主要是克服目前分幅相机中电脉冲选通不够快的缺点，电脉冲选通门最短几十皮秒，采用光克尔门技术可实现几个皮秒至飞秒量级的高速选通门，实现高的时间分辨率。

本发明的技术解决方案是：

本发明的原理是用脉冲激光在光克尔介质中的非线性作用形成选通门信号，结合高精度的时间同步和大动态图像采集系统可构成新型的分幅相机。

光克尔门选通分幅相机，其特殊之处在于：包括依次设置于被测物发出的信号光所在光路上的第一偏振器、光克尔介质、第二偏振器、图像采集单元，所述光克尔介质的入射面或出射面一侧还设有小孔阵列，第二偏振器与第一偏振器的透射偏振方向互相垂直，光克尔介质的泵浦光为多路具有确定延时的脉冲激光，泵浦光的路数与小孔阵列的行数相等，每个小孔和脉冲激光选通所经过的位置对准，信号光、泵浦光、图像采集单元同步。

上述脉冲激光为皮秒、飞秒、纳秒或微秒量级的脉冲激光。

上述小孔阵列紧贴于光克尔介质的入射面或出射面。

上述多路脉冲激光由一束脉冲激光经分束和延迟光路射入光克尔介质。

上述分束和延迟光路与光克尔介质之间还设置有用于调整各路脉冲激光的脉冲能量相等的衰减器。

上述分束和延迟光路之前设置有调整泵浦光偏振方向的半波片和/或用于调节光斑大小的缩束光路。

上述第一偏振器透射光偏振方向与泵浦光偏振方向在光克尔介质中的夹角为45度。

上述相机还包括与图像采集单元连接的图像处理单元。

一种光克尔门选通分幅成像方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】被测物自发光或被照明，发出信号光；

2】步骤1】产生的信号光经第一偏振器射入光克尔介质，由多路具有确定延时的光克尔选通门控制信号光的选通，光克尔介质对信号光中选通的部分产生偏振旋转；

3】光克尔介质选通的光经过第二偏振器偏转，使第二偏振器与第一偏振器的透射偏振方向互相垂直；

4】对通过第二偏振器的信号光进行图像采集。

上述步骤2】中多路具有确定延时的光克尔选通门是由多路具有确定延时的脉冲激光与位于光克尔介质的入射面或出射面一侧的小孔阵列共同形成的，脉冲激光的路数与小孔阵列的行数相等，每个小孔和脉冲激光选通所经过的位置对准。

本发明的优点在于：

（1）本发明的光克尔门选通时间由脉冲激光宽度和光克尔介质的弛豫时间共同决定，可以达到皮秒甚至几十飞秒，所以可以大大提高相机的时间分辨率。

（2）由第一偏振器、小孔阵列、光克尔介质和第二偏振器构成的光克尔选通系统本身的动态范围可达到10⁵以上，再结合大动态的图像采集系统，可以提高分幅相机的动态范围。

（3）本发明不仅适用于飞秒、皮秒量级的脉冲光选通门，也适用于纳秒甚至更长的脉冲光选通门，这对要求时间窗口宽的测量非常重要，其适用范围很广。

（4）本发明的分幅相机非常适合于红外、可见及紫外波段，目前的分幅相机大多是X射线波段，所以这种分幅相机可弥补现有技术的不足。

（5）各幅图像的时间间隔可以通过小孔阵列之间的间距、不同泵浦光之间的延迟线进行调节，操作方便，调节简便，可控性强。

附图说明

图1：基于光克尔门的分幅相机原理结构图。

图中：1‐第一同步信号；2‐被测物；3‐第二同步信号；4‐第一偏振器；5‐小孔阵列；6‐光克尔介质；7‐半波片；8‐凸透镜；9‐凹透镜；10‐分束和延迟泵浦光路；11‐第二偏振器；12‐图像采集单元。

具体实施方式

见图1，本发明是利用脉冲激光在光克尔介质中的非线性作用形成选通门信号，结合高精度的时间同步和大动态图像采集系统构成的新型的分幅相机。

本发明光克尔门选通分幅相机包括依次设置于被测物2发出的信号光所在的光路上的第一偏振器4、光克尔介质6、第二偏振器11、图像采集单元12，光克尔介质的入射面或出射面一侧还设置有小孔阵列5，第二偏振器与第一偏振器的透射偏振方向互相垂直，光克尔介质的泵浦光为多路具有确定延时的脉冲激光，脉冲激光的路数与小孔阵列的行数相等，且每个小孔和脉冲激光选通所经过的位置对准。

其原理是：多路具有确定延时的脉冲激光作为泵浦光在光克尔介质中形成光克尔门，对被测物发出的信号光形成时间上的选通信号，由于光克尔介质的三阶非线性对被测信号光中时间同步的部分产生了偏振旋转，最终透过检偏器（第二偏振器），再由图像采集单元采集透射的信号光图像；在此过程中对于和泵浦光不同步的信号光都不能透过检偏器，也就不能成像。使用多个具有延时间隔的光克尔选通门最终可拍摄多张有时间序列的图像，成像在像面CCD的不同位置，就构成全光选通的分幅相机。

被测物可以是自发光或被照明。

第二偏振器11与第一偏振器4的透射偏振方向互相垂直，所述第一偏振器4和第二偏振器11为偏振棱镜或偏振片。最好选用消光比高的偏振器，消光比越高才能使最终的动态范围越大。偏振器优选为尼克尔棱镜、格兰棱镜、格兰‐泰勒棱镜或渥拉斯顿棱镜，其消光比可高于10⁵。

本发明所用光克尔介质6选用三阶非线性系数较大的非线性介质，为了更有效的选通被测信号光，优选为CS₂或硫系玻璃，还包括铋酸盐玻璃、碲酸盐玻璃。如果同时选择响应时间快的非线性介质有利于时间分辨率的提高，优选为铋酸盐玻璃、碲酸盐玻璃的响应时间可达到飞秒量级。

为保证测量结果较大的动态范围，图像采集单元选用科学级CCD，要求具有大动态范围，如16位。如果被测信号光较弱，可采用带像增强的ICCD和EMCCD，提高探测灵敏度。也可以选用兼具图像采集和图像处理功能的成像器件。例如，包含CMOS器件的图像采集系统。光克尔介质的入射面或出射面一侧设置有小孔阵列，有两种含义：一为小孔阵列设置于第一偏振器与光克尔介质之间或第二偏振器与光克尔介质之间，且小孔阵列距离光克尔介质的入射面或出射面有一定距离；另一为光克尔介质的入射面或出射面紧贴小孔阵列，紧贴时，效果更好。每个小孔和其中一束泵浦光选通所经过的位置对准，这样保证形成有序列的选通门阵列。小孔间距d决定两相邻像的时间间隔，即t=nd/c，其中n为光克尔介质的折射率，c为真空中光速。调节各束泵浦光的延迟光路10可实现不同泵浦光束之间具有所需的延时。最终可在图像采集单元12上获得有序的具有一定时间间隔的图像阵列。

多路脉冲激光可由多个脉冲激光器分别发射具有确定延时的脉冲激光实现，但其同步性不易控制且需要使用多个脉冲激光器，浪费器材。因此，较佳的方案是：多路脉冲激光由一个脉冲激光器射出脉冲激光后经过分束和延迟光路后进行实现，分束由分束片实现，延迟由若干反射镜实现。例如，脉冲激光器射出的脉冲激光经过分束片，将激光分为光束a1和光束a2，光束a1直接射入光克尔介质，光束a2依次经若干反射镜进行延迟后，射入光克尔介质，此时，即可得到两路具有延时间隔的脉冲激光；如果需要更多路的脉冲激光，将光束a2经分束片分为光束b1和光束b2，b1射入光克尔介质，光束b2再依次经若干反射镜进行延迟，如果此时脉冲激光的路数小于小孔阵列的行数，光束b2经延迟后继续分束，直至脉冲激光的路数与小孔阵列的行数相等，各束泵浦光的延时可由延迟光路进行精确调节。为保证各束泵浦光脉冲能量相等，可在各束泵浦光路中，即在分束和延迟光路与光克尔介质之间，插入衰减器进行调节。光克尔介质的泵浦光脉宽可以短至皮秒、飞秒，也可以是纳秒甚至更长，波长可以是红外、可见、紫外波段。脉冲激光的脉宽和光克尔材料的弛豫时间共同决定选通门的时间宽度。

较佳的，在对泵浦光进行分束和延迟之前，可以先对泵浦光进行处理，例如，使泵浦光经过由凸透镜8和凹透镜9组成的缩束光路进行缩束，再由分束和延迟光路10分成多束对光克尔介质6进行泵浦。为获得较强的克尔透射信号，需要在泵浦光的光路上插入半波片7，用于调节泵浦光的偏振方向。泵浦光可垂直于信号光入射光克尔介质，也可有一定夹角斜入射。如果斜入射，需要根据夹角和光克尔介质的折射率计算两小孔选通成像的时间间隔。当使第一偏振器11的透射光偏振方向与泵浦光的偏振方向在光克尔介质中保持45度夹角时，克尔透射信号最强。

由原理可知，只有和泵浦光同时到达光克尔介质6的信号光才能透过小孔并成像在图像采集单元上；比泵浦光提前或滞后到达光克尔介质6的信号光都不能透过第二偏振器11，由此可达到高时间分辨率。因此，被测物发出的信号光需要和泵浦光脉冲同步，可采用光同步或电同步，要求有较高的同步精度，尤其是对于高时间分辨率的超短脉冲（皮秒至飞秒）作为泵浦光，更需要高精度的同步。图像采集单元，通常用CCD，也需要和泵浦光同步。。图1是采用光同步，信号光和泵浦光的同步由脉冲激光经过分束分出第一同步信号实现；图像采集单元和泵浦光的同步，则通过脉冲激光经过分束触发一个光电探测器作为第二同步信号3，进而触发图像采集单元来实现。

本发明分幅相机的动态范围取决于第一偏振器4和第二偏振器11的消光比以及图像采集单元的动态范围。在调节到两偏振器严格垂直的情况下，两偏振器的消光比越高越好，通常可高于10⁵；同时图像采集单元的动态范围越大越好。总之，第一偏振器和第二偏振器的消光比越高、CCD动态范围越大，分幅相机最终的动态范围越大。

一种光克尔门选通分幅成像方法，包括以下步骤：

1】被测物自发光或被照明，发出信号光。

2】步骤1】产生的信号光经第一偏振器射入光克尔介质，由多路具有确定延时的光克尔选通门控制信号光的选通，光克尔介质对信号光中选通的部分产生偏振旋转；

偏振器为偏振棱镜或偏振片。最好选用消光比高的偏振器，消光比越高才能使最终的动态范围越大。偏振器优选为尼克尔棱镜、格兰棱镜、格兰‐泰勒棱镜或渥拉斯顿棱镜，其消光比可高于10⁵。

3】光克尔介质选通的光经过第二偏振器偏转，使第二偏振器与第一偏振器的透射偏振方向互相垂直；

4】对通过第二偏振器的信号光进行图像采集。

步骤2】中多路具有确定延时的光克尔选通门是由多路具有确定延时的脉冲激光与位于光克尔介质的入射面或出射面一侧的小孔阵列共同形成的，脉冲激光的路数与小孔阵列的行数相等，每个小孔和脉冲激光选通所经过的位置对准。

多路具有延时间隔的脉冲激光是这样实现的：多路脉冲激光可由多个脉冲激光器分别发射具有确定延时的脉冲激光实现，但其同步性不易控制且需要使用多个脉冲激光器，浪费器材。因此，较佳的方案是：多路脉冲激光由一个脉冲激光器射出脉冲激光后经过分束和延迟光路后进行实现，分束由分束片实现，延迟由若干反射镜实现。例如，脉冲激光器射出的脉冲激光经过分束片，将光分为光束a1和光束a2，光束a1直接射入光克尔介质，光束a2依次经若干反射镜进行延迟后，射入光克尔介质，此时，即可得到两路具有延时间隔的脉冲激光；如果需要更多路的脉冲激光，将光束a2经分束片分为光束b1和光束b2，b1射入光克尔介质，光束b2再依次经若干反射镜进行延迟，如果此时脉冲激光的路数小于小孔阵列的行数，光束b2经延迟后继续分束，直至脉冲激光的路数与小孔阵列的行数相等，各束泵浦光的延时可由延迟光路进行精确调节。为保证各束泵浦光脉冲能量相等，可在各束泵浦光路中，即在分束和延迟光路与光克尔介质之间，插入衰减器进行调节。光克尔介质的泵浦光脉宽可以短至皮秒、飞秒，也可以是纳秒甚至更长，波长可以是红外、可见、紫外波段。脉冲激光的脉宽和光克尔材料的弛豫时间共同决定选通门的时间宽度。

较佳的，在对泵浦光进行分束和延迟之前，可以先对泵浦光进行处理，例如，使泵浦光经过由凸透镜8和凹透镜9组成的缩束光路进行缩束，再由分束和延迟光路10分成多束对光克尔介质6进行泵浦。为获得较强的克尔透射信号，需要在泵浦光的光路上插入半波片7，用于调节泵浦光的偏振方向，泵浦光可垂直于信号光入射光克尔介质，也可有一定夹角斜入射。当使第一偏振器11的透射光偏振方向与泵浦光的偏振方向在光克尔介质中保持45度夹角时，克尔透射信号最强。

Claims (10)

1.光克尔门选通分幅相机，其特征在于：包括依次设置于被测物发出的信号光所在光路上的第一偏振器、光克尔介质、第二偏振器、图像采集单元，所述光克尔介质的入射面或出射面一侧还设有小孔阵列，第二偏振器与第一偏振器的透射偏振方向互相垂直，光克尔介质的泵浦光为多路具有确定延时的脉冲激光，泵浦光的路数与小孔阵列的行数相等，每个小孔和脉冲激光选通所经过的位置对准，信号光、泵浦光、图像采集单元同步。

2.根据权利要求1所述的光克尔门选通分幅相机，其特征在于：所述脉冲激光为皮秒、飞秒、纳秒或微秒量级的脉冲激光。

3.根据权利要求1或2所述的光克尔门选通分幅相机，其特征在于：所述小孔阵列紧贴于光克尔介质的入射面或出射面。

4.根据权利要求3所述的光克尔门选通分幅相机，其特征在于：所述多路脉冲激光由一束脉冲激光经分束和延迟光路射入光克尔介质。

5.根据权利要求4所述的光克尔门选通分幅相机，其特征在于：所述分束和延迟光路与光克尔介质之间还设置有用于调整各路脉冲激光的脉冲能量相等的衰减器。

6.根据权利要求5所述的光克尔门选通分幅相机，其特征在于：所述分束和延迟光路之前设置有调整泵浦光偏振方向的半波片和/或用于调节光斑大小的缩束光路。

7.根据权利要求6所述的光克尔门选通分幅相机，其特征在于：第一偏振器透射光偏振方向与泵浦光偏振方向在光克尔介质中的夹角为45度。

8.根据权利要求7所述的光克尔门选通分幅相机，其特征在于：所述相机还包括与图像采集单元连接的图像处理单元。

9.一种光克尔门选通分幅成像方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】被测物自发光或被照明，发出信号光；

2】步骤1】产生的信号光经第一偏振器射入光克尔介质，由多路具有确定延时的光克尔选通门控制信号光的选通，光克尔介质对信号光中选通的部分产生偏振旋转；

3】光克尔介质选通的光经过第二偏振器偏转，使第二偏振器与第一偏振器的透射偏振方向互相垂直；

4】对通过第二偏振器的信号光进行图像采集。

10.根据权利要求9所述的光克尔门选通分幅成像方法，其特征在于：步骤2】中多路具有确定延时的光克尔选通门是由多路具有确定延时的脉冲激光与位于光克尔介质的入射面或出射面一侧的小孔阵列共同形成的，脉冲激光的路数与小孔阵列的行数相等，每个小孔和脉冲激光选通所经过的位置对准。