CN104111569A - 飞秒差分光克尔门及基于该光克尔门的成像装置和方法 - Google Patents
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Abstract
飞秒差分光克尔门及基于该光克尔门的成像装置和方法。探测光路上依次设有待测目标、散射介质，由起偏器、光克尔介质、第一分束片、两个四分之一波片和两个检偏器组成的飞秒差分光克尔门，及两个单脉冲触发CCD；起偏器的偏振方向与飞秒探测脉冲光的偏振方向相同，两个检偏器的偏振方向与起偏器的偏振垂直方向分别呈正、负2～5°外差角；开关光路上设有半波片和光学延时线，飞秒开关脉冲光与飞秒探测脉冲光在光克尔介质内部重合。在两个单脉冲触发CCD上分别得到正、负外差单脉冲选通图像，两图相减得到待测目标的飞秒差分光克尔门单脉冲选通图像。本发明实现了高信噪比的单脉冲成像，具有高时间分辨、高图像对比度和高系统分辨率等优点。
Description
技术领域
本发明属于超快速成像与测量技术领域，涉及一种飞秒差分光克尔门及基于该光克尔门的成像装置和方法。
背景技术
飞秒激光的快速发展促进了飞秒技术的进步，如飞秒光电装置和光通信系统，超短脉冲测量系统，以及新材料的超快响应测量，超精细微加工等。基于飞秒激光的超快速成像与测量技术，具有很高的时间分辨能力，可以用于研究超短的物理、生物以及化学等反应过程。在高速碰撞、爆轰过程、高压放电、视觉机制等瞬态过程研究领域，有着重要的应用价值。
基于飞秒光克尔效应的光克尔门选通方法是一种典型的超快速成像与测量技术，利用光克尔效应构造的光学时间门，无需相位匹配，选通光子效率高，具备飞秒量级的时间分辨特性，在超快动态过程研究领域具有重要的科学意义和应用价值。近几年，将飞秒激光克尔门选通成像方法应用于高速火箭燃料发动机喷嘴喷雾过程的高分辨率的弹道成像的研究中，光学克尔门可以通过单脉冲成像获得火箭喷雾液核破裂的动力学过程，准确揭示液核破裂过程，完善流体动力学计算模型，从而设计更有效的燃料发动机。
飞秒光克尔门选通成像应用中，要求对待测目标实现高分辨率和高对比度的成像。然而，在传统的光克尔门选通成像技术中，由于飞秒脉冲光的高斯强度分布特性，开关光在光克尔介质处会诱导出瞬态微光阑，具有低通滤波效果，导致了传统光克尔门选通成像技术通常会出现图像边缘模糊，降低图像的分辨率和对比度。外差光克尔门选通成像技术改善了成像的分辨率，然而，这种技术在实际的弹道光选通成像应用时，部分散射光也同时作为成像的背底被引入。在利用飞秒外差光克尔门选通成像技术实施单脉冲瞬态成像时，这种背底噪声会增加了成像信噪比，影响了成像对比度的提高，甚至令其无法实现单脉冲成像。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种飞秒差分光克尔门及基于该光克尔门的成像装置和方法，能够实现散射介质物体的单脉冲成像，具有高分辨率和高对比度的优点。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种飞秒差分光克尔门，包括沿光路方向依次设置的起偏器、光克尔介质和第一分束片，第一分束片将光路分为透射光路和反射光路，其中透射光路上设有第一检偏器，反射光路上设有第二检偏器，且起偏器的偏振方向与光路中光的偏振方向相同，第一检偏器的偏振方向与起偏器的偏振垂直方向呈2～5°正的外差角，第二检偏器的偏振方向与起偏器的偏振垂直方向呈2～5°负的外差角。
还包括设置在透射光路上的第一四分之一波片和设置在反射光路上的第二四分之一波片，且第一四分之一波片设置在分束片和第一检偏器之间，第二四分之一波片设置在分束片和第二检偏器之间。
当未设置第一四分之一波片和第二四分之一波片时，飞秒差分光克尔门开启后，第一检偏器的透射光电场强度正比于第二检偏器的透射光电场强度正比于飞秒差分光克尔门的透射光电场强度正比于4θE0Himaginary；
当设置有第一四分之一波片和第二四分之一波片时，飞秒差分光克尔门开启后，第一检偏器的透射光电场强度正比于第二检偏器的透射光电场强度正比于飞秒差分光克尔门的透射光电场强度正比于4θE0Hreal；
其中Hreal和Himaginary分别为普通光克尔门透射光电场的实部与虚部，θ为外差角，E0为光克尔介质前入射光电场。
所述的第一四分之一波片和第二四分之一波片的长轴方向与起偏器的夹角均为0°；且第一四分之一波片和第二四分之一波片均为零级波片，其材质为石英材质或BK玻璃。
所述的起偏器、第一检偏器和第二检偏器均为棱镜偏振器或消光比大于104:1的薄膜偏振器。
所述的光克尔介质为二硫化碳、硝基苯、钛酸锶钡、石英玻璃、重火石玻璃、铋酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、酞菁衍生物或C60衍生物。
一种基于飞秒差分光克尔门的成像装置，包括飞秒激光器，在飞秒激光器的发射光路上设有第二分束片，第二分束片将光路分成探测光路和开关光路，其中探测光路上依次设有待测目标、散射介质、第一凸透镜、起偏器、光克尔介质和第一分束片，第一分束片将探测光路分为透射光路和反射光路，其中透射光路上依次设有第一四分之一波片、第一检偏器、第三凸透镜和第一单脉冲触发CCD，反射光路上依次设有第二四分之一波片、第二检偏器、第四凸透镜和第二单脉冲触发CCD；且起偏器的偏振方向与探测光路中的飞秒探测脉冲光的偏振方向相同，第一检偏器的偏振方向与起偏器的偏振垂直方向呈2～5°正的外差角，第二检偏器的偏振方向与起偏器的偏振垂直方向呈2～5°负的外差角；开关光路上依次设有用于调整开关光路中的飞秒开关脉冲光的偏振方向的半波片、调节飞秒开关脉冲光的光程的光学延时线和第二凸透镜，且飞秒开关脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置重合。
所述的待测目标设置在第一凸透镜的前焦面上，光克尔介质设置在第一、第二凸透镜的后焦面上并同时设置在第三凸透镜的前焦面上，第一单脉冲触发CCD设置在第三凸透镜的后焦面上，第二单脉冲触发CCD设置在第四凸透镜的后焦面上。
所述的飞秒激光器经过放大器输出的重复频率为1kHz；
所述的第一、第二分束片的分光比为1:(1～4)，其中第二分束片分出的光强较大的一束作为探测光路；
所述的第一、第二、第三、第四凸透镜为平凸或双凸透镜，透光孔径为25～50mm，焦距为150～160mm；
所述的光学延时线的最小光程改变量为10～100fs。
一种基于飞秒差分光克尔门的成像方法，包括以下步骤：
1)飞秒激光器出射的偏振的飞秒脉冲激光经第二分束片后分为两束，其中一束作为探测光路的飞秒探测脉冲光，另一束作为开关光路的飞秒开关脉冲光；
2)飞秒探测脉冲光入射到待测目标上，携带待测目标形貌信息后，经第一凸透镜聚焦，然后依次经过起偏器、光克尔介质和第一分束片，第一分束片将携带待测目标形貌信息的飞秒探测脉冲光分为透射飞秒探测脉冲光和反射飞秒探测脉冲光，然后透射飞秒探测脉冲光依次经过第一四分之一波片和第一检偏器，反射飞秒探测脉冲光依次经过第二四分之一波片和第二检偏器；其中起偏器、光克尔介质、第一分束片、第一、第二四分之一波片、第一、第二检偏器构成飞秒差分光克尔门，且起偏器的偏振方向与探测光路中飞秒探测脉冲光的偏振方向相同，第一检偏器的偏振方向与起偏器的偏振垂直方向呈2～5°正的外差角，第二检偏器的偏振方向与起偏器的偏振垂直方向呈2～5°负的外差角；
3)飞秒开关脉冲光先经过半波片调整其偏振方向，然后经光学延时线调整其光程，再经第二凸透镜聚焦后，入射到光克尔介质上，其入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置重合；
4)调节光学延时线，当飞秒开关脉冲光和飞秒探测脉冲光到达光克尔介质的时间重合时，飞秒开光脉冲光瞬时开启飞秒差分光克尔门，经过第一分束片后，透射飞秒探测脉冲光依次经过第一四分之一波片、第一检偏器和第三凸透镜，使待测目标在第一单脉冲触发CCD上成像，在第一单脉冲触发CCD上得到正外差单脉冲选通图像，同时反射飞秒探测脉冲光依次经过第二四分之一波片、第二检偏器和第四凸透镜，使待测目标在第二单脉冲触发CCD上成像，在第二单脉冲触发CCD上得到负外差单脉冲选通图像；正外差单脉冲选通图像和负外差单脉冲选通图像相减得到待测目标的飞秒差分光克尔门单脉冲选通图像。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的飞秒差分光克尔门，是将传统光克尔门的检偏器分成两个，将两个检偏器分别设置在透射光路和反射光路上，并将两个检偏器分别在正、负方向上旋转2～5°的外差角度，得到正、负外差角度的飞秒外差光克尔门，最后用正外差单脉冲选通图像(正的外差角度光克尔门选通图像)减负外差单脉冲选通图像(负的外差角度光克尔门选通图像)，得到飞秒差分光克尔门单脉冲选通图像。该飞秒差分光克尔门最大限度地利用了探测光携带的被测目标的全部空间频谱成分，成像结果的边缘更加锐利，具有很高的系统分辨率，图像对比度也更高。同时，该飞秒差分光克尔门的时间分辨率仍由光克尔门的开关时间决定，这保证了成像系统仍然具有飞秒时间量级的极高时间分辨能力。
本发明提供的基于飞秒差分光克尔门的成像装置，是一种单脉冲的成像装置，该成像装置中将入射光路分为探测光路和开关光路，将待测目标设置在探测光路上，再将正、负的外差角度光克尔门选通图像分别成像在两个单脉冲触发CCD上。正的外差角度光克尔门选通图像减负的外差角度光克尔门选通图像，得到飞秒差分光克尔门单脉冲选通图像。本发明提供的基于飞秒差分光克尔门的成像装置解决了使用单脉冲飞秒外差光克尔门选通成像时引入背底噪声的问题，可以实现高信噪比的单脉冲成像，具有很高的系统分辨率，同时，提高了外差光克尔门选通图像对比度。
本发明提供的基于飞秒差分光克尔门的成像方法，是一种单脉冲的成像方法，涉及一种飞秒时间分辨的超快动态过程的观测方法，利用光学延时线调节飞秒开关脉冲光的光程，当飞秒开关脉冲光和飞秒探测脉冲光到达光克尔介质的时间完全重合时，飞秒开光脉冲光瞬时开启飞秒差分光克尔门，飞秒探测脉冲光经过第一检偏器和第二检偏器，正、负外差单脉冲选通图像分别成像于两个单脉冲触发CCD上，再用正外差单脉冲选通图像减去负外差单脉冲选通图像后得到的获得成像系统的目标图像。本发明提供的基于飞秒差分光克尔门的成像方法实现了高时间分辨、高图像对比度和高系统分辨率的飞秒时间门选通成像，利用该方法进行超快成像，既可保证成像系统飞秒量级的时间分辨能力，又能得到边缘更锐利，成像空间分辨率接近成像系统衍射极限的成像结果，可应用于强散射介质内部隐藏物体成像、获取物质超快荧光图像等领域。
进一步的，本发明中用半波片调节飞秒开关脉冲光和飞秒探测脉冲光的偏振方向呈45°夹角，保证了在系统输入光强不变情况下，该飞秒差分光克尔门可以获得最大的透过率。
进一步的，当未设置第一四分之一波片和第二四分之一波片时，飞秒差分光克尔门的透射光电场强度正比于4θE0Himaginary；当设置有第一四分之一波片和第二四分之一波片时，飞秒差分光克尔门的透射光电场强度正比于4θE0Hreal。其中，Himaginary非线性项来源于光致二色性，Hreal非线性项来源于光致双折射。光克尔效应中，当光致二色性所占的比重较大时，光路中未设置第一四分之一波片和第二四分之一波片，得到的飞秒差分光克尔门选通单脉冲成像信号较强；当光致双折射所占的比重较大时，光路中设置第一四分之一波片和第二四分之一波片，得到的飞秒差分光克尔门选通单脉冲成像信号较强。可根据实际情况选择是否设置第一、第二四分之一波片，以获得更广的适用范围和更好的成像结果。
附图说明
图1是本发明提供的基于飞秒差分光克尔门的成像装置的示意图；
图2是美军标1951USAF分辨率板在光路中直接图像，即参考图像；
图3是本发明具体实例的成像结果图，其中(a)为本发明的方法测得的选通图像，(b)为外差正角度光克尔门选通图像，(c)为外差负角度光克尔门选通图像，(d)为传统光克尔门选通图像，(e)待测目标在散射介质中的直接图像；
图4是本发明具体实例的调制传递函数曲线，其中a为图3(a)的图像的调制传递函数曲线，b为图3(b)的图像的调制传递函数曲线；
其中：1为飞秒激光器、2为第二分束片、3为第一反射镜、4为半波片、5为光学延时线、6为第二反射镜、7为第二凸透镜、8为待测目标、9为散射介质、10为第一凸透镜、11为起偏器、12为光克尔介质、13为遮挡板、14为第一分束片、15为第一四分之一波片、16为第二四分之一波片、17为第一检偏器、18为第二检偏器、19为第三凸透镜、20为第四凸透镜、21为第一单脉冲触发CCD、22为第二单脉冲触发CCD。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
申请人之前提出的飞秒外差光克尔门选通成像技术(专利申请号：201310471560.0)虽然改善了无散射介质条件下的成像分辨率，但这种技术在实际的强散射介质条件下的成像应用时，部分散射光作为成像的背底被引入，这种背底噪声增加了成像信噪比，降低了成像对比度，甚至无法实现单脉冲成像。而本发明是对飞秒外差光克尔门的进一步改进，本发明提出的飞秒差分光克尔门选通单脉冲成像技术利用正的外差光克尔门选通图像减去负的外差光克尔门选通图像，实现单脉冲成像的同时减去了散射光背低，提高了成像对比度。
本发明提供的飞秒差分光克尔门，是第一检偏器和第二检偏器分别旋转正、负的2～5°(即沿起偏器的偏振垂直方向分别顺时针、逆时针方向旋转2～5°)，分别得到正外差单脉冲选通图像和负外差单脉冲选通图像，其中，当第一检偏器旋转正的2～5°时，其透射光电场强度正比于：
当第二检偏器旋转负的2～5°时，其透射光电场强度正比于：
正外差单脉冲选通图像减去负外差单脉冲选通图像，得到的飞秒差分光克尔门选通图像强度正比于：
4θE0Hreal；
当去掉第一四分之一波片(15)和第二四分之一波片(16)后，当第一检偏器旋转正的2～5°时，其透射光电场强度正比于：
当第二检偏器旋转负的2～5°时，其透射光电场强度正比于：
正外差单脉冲选通图像减去负外差单脉冲选通图像，得到的飞秒差分光克尔门选通图像强度正比于：
4θE0Himaginary。
其中Hreal和Himaginary分别为普通光克尔门透射光电场的实部与虚部，均为非线性光学响应项，2θE0Hreal为飞秒差分光克尔门选通的探测光电场外差项，E0为光克尔介质前入射光电场，E0含有探测光携带的被测目标的全部空间频谱成分，θ为外差角。如果使用普通光克尔门，其选通的探测光电场为单纯的非线性光学项(Hreal和Himaginary)，该非线性光学项依赖于开关光和探测光与光克尔介质的产生的互作用光克尔效应。飞秒差分光克尔门选通的探测光电场只有外差项4θE0Hreal或4θE0Himaginary，具有滤波作用的非线性光学项(Hreal和Himaginary)被完全减掉，因此成像结果的边缘更加锐利，成像对比度和系统分辨率也更高。同时，此时成像系统的时间分辨率仍由光克尔门的开关时间决定，这保证了成像系统仍然具有飞秒时间量级的极高时间分辨能力。
如图1所示，本发明提供的飞秒差分光克尔门，包括沿光路方向依次设置的起偏器11、光克尔介质12和第一分束片14，第一分束片14将光路分为透射光路和反射光路，其中透射光路上依次设有第一四分之一玻片15和第一检偏器17，反射光路上依次设有第二四分之一玻片16和第二检偏器18，且起偏器11的偏振方向与光路中光的偏振方向相同，第一检偏器17的偏振方向与起偏器11的偏振垂直方向呈2～5°正的外差角，第二检偏器18的偏振方向与起偏器11的偏振垂直方向呈2～5°负的外差角。
所述的第一四分之一波片15和第二四分之一波片16的长轴方向与起偏器11的夹角均为0°；且第一四分之一波片15和第二四分之一波片16均为零级波片，其材质为石英材质或BK玻璃。
所述的起偏器11、第一检偏器17和第二检偏器18均为棱镜偏振器或消光比大于104:1的薄膜偏振器。
所述的光克尔介质12为以下三阶非线性光学材料中的一种：二硫化碳、硝基苯、钛酸锶钡、石英玻璃、重火石玻璃、铋酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、酞菁衍生物或C60衍生物。
参见图1，本发明提供的基于飞秒差分光克尔门的成像装置，包括飞秒激光器1，飞秒激光器发射的飞秒脉冲激光的单脉冲能量为3mJ，脉宽为50fs，经过放大器输出的重复频率1kHz。在飞秒激光器1的发射光路上设有第二分束片2，第二分束片2将光路分成两束，其中光强较大的一束作为探测光路，另一束作为开关光路，探测光路上依次设有第一反光镜3、待测目标8、散射介质9、第一凸透镜10、起偏器11、光克尔介质12和第一分束片14，第一分束片14将探测光路分为透射光路和反射光路，其中透射光路上依次设有第一四分之一波片15、第一检偏器17、第三凸透镜19和第一单脉冲触发CCD21，反射光路上依次设有第二四分之一波片16、第二检偏器18、第四凸透镜20和第二单脉冲触发CCD22；且起偏器11的偏振方向与探测光路中的飞秒探测脉冲光的偏振方向相同，第一检偏器17的偏振方向与起偏器11的偏振垂直方向呈2～5°正的外差角，第二检偏器18的偏振方向与起偏器11的偏振垂直方向呈2～5°负的外差角；在第一单脉冲触发CCD21和第二单脉冲触发CCD22上分别得到的正、负外差单脉冲选通图像，图像相减即为飞秒差分光克尔门的单脉冲成像；开关光路上依次设有用于调整飞秒开关脉冲光的偏振方向的半波片4、调节开关光路中的飞秒开关脉冲光的光程的光学延时线5、第二反射镜6、用于聚焦的第二凸透镜7和用于阻挡透射过光克尔介质12的飞秒开关脉冲光的遮挡板13，且飞秒开关脉冲光入射到光克尔介质12内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质12内部的空间位置重合。
所述的待测目标8设置在第一凸透镜10的前焦面上，光克尔介质12设置在第一凸透镜10和第二凸透镜7的后焦面上并同时设置在第三凸透镜19的前焦面上，第一单脉冲触发CCD21和第二单脉冲触发CCD22分别设置在第三凸透镜19和第四凸透镜20的后焦面上。第一分束片14和第二分束片2的分光比为1:(1～4)；第一、第二、第三、第四凸透镜为平凸或双凸透镜，透光孔径为25～50mm，焦距为150～160mm；光学延时线的最小光程改变量为10～100fs。
本发明的基于飞秒差分光克尔门的成像装置的优选参数如下：
飞秒激光器发射的飞秒脉冲激光的单脉冲能量为3mJ，脉宽为50fs，经过放大器输出的重复频率1kHz；第一、第二分束片的分束比为1:1；第一、第二、第三、第四凸透镜的透光孔径均为5cm，且第一、第二、第三、第四凸透镜的焦距分别为15cm、16cm、15cm和15cm；光克尔介质12采用放置于比色皿中的二硫化碳，二硫化碳的通光路径为5mm；起偏器11、第一检偏器17和第二检偏器18均为尼科尔棱镜偏振器，透光孔径为1.2cm；透过半波片4的飞秒开关脉冲光偏振方向与飞秒探测脉冲光偏振方向呈45°夹角；第一四分之一波片15和第二四分之一波片16长轴方向与起偏器11的夹角均为0°；光学延时线的最小光程改变量为10.4fs；飞秒差分光克尔门的正、负外差角为5°。
本发明提供的基于飞秒差分光克尔门的成像方法，首先将飞秒激光器出射的飞秒脉冲激光分成两路，通过其中一路飞秒探测脉冲光入射到待测目标上，携带其形貌信息后，再由另一路飞秒开关脉冲光控制正、负飞秒外差光克尔门的开关，得到正、负的飞秒外差光克尔门选通图像，最后正的外差光克尔门选通图像减负的外差光克尔门选通图像，得到飞秒差分光克尔门选通图像。
参见图1，该成像方法具体包括以下步骤：
1)将飞秒激光器1出射的偏振的飞秒脉冲激光经第二分束片2后分为两束，其中一束作为探测光路的飞秒探测脉冲光，另一束作为开关光路的飞秒开关脉冲光；
2)飞秒探测脉冲光经过第一反射镜3调整方向后，入射到待测目标8上，携带待测目标形貌信息后，先经过散射介质9，然后经第一凸透镜10聚焦后，顺次经过起偏器11、光克尔介质12和第一分束片14，第一分束片14将携带待测目标形貌信息的飞秒探测脉冲光分为透射飞秒探测脉冲光和反射飞秒探测脉冲光，然后透射飞秒探测脉冲光依次经过第一四分之一波片15和第一检偏器17，反射飞秒探测脉冲光依次经过第二四分之一波片16和第二检偏器18；其中起偏器的偏振方向与探测光路中飞秒探测脉冲光的偏振方向相同，第一检偏器的偏振方向与起偏器11的偏振垂直方向呈2～5°正的外差角，第二检偏器的偏振方向与起偏器11的偏振垂直方向呈2～5°负的外差角；
3)飞秒开关脉冲光先经过半波片4调整其偏振方向，然后经光学延时线5调整其光程，接着经第二反射镜6调整其方向，再经第二凸透镜7聚焦后，入射到光克尔介质12上，其入射位置与飞秒探测脉冲光入射到光克尔介质内的空间位置重合；
4)调节光学延时线5，当飞秒开关脉冲光和飞秒探测脉冲光到达光克尔介质12的时间重合时，飞秒开光脉冲光瞬时开启飞秒差分光克尔门，经过第一分束片14后，透射飞秒探测脉冲光依次经过第一四分之一波片和第一检偏器，然后经第三凸透镜聚焦，使待测目标在第一单脉冲触发CCD上成像，在第一单脉冲触发CCD上得到正外差单脉冲选通图像，同时反射飞秒探测脉冲光依次经过第二四分之一波片和第二检偏器，然后经第四凸透镜聚焦，使待测目标在第二单脉冲触发CCD上成像，在第二单脉冲触发CCD上得到负外差单脉冲选通图像；正外差单脉冲选通图像和负外差单脉冲选通图像相减得到待测目标的飞秒差分光克尔门单脉冲选通图像。
为了证实本发明的效果，下面结合附图给出本发明的超短脉冲光限幅器的实施例。
本实施例以散射介质前的鉴别率板(美军标1951USAF分辨率板，符合美国MIL-STD-150A标准)作为待测样品。该鉴别率板上的图案包括几组由三条短线条纹构成组合，短线条纹的尺寸从大到小，通过计算图像短线条纹的对比度，得到调制传递函数曲线，调制传递函数广泛地应用于测试光学成像系统(如显微镜和相机)的分辨能力，图2为该分辨率板在图1光路的无散射介质成像(直接图像，即参考图像)。
本实施例的具体实施步骤如下：
(1)将少量粒径为3.1微米的聚苯乙烯微球掺入去离子水中，制得聚苯乙烯微球悬浊液。该悬浊液是一种常用的标准散射介质。通过调节聚苯乙烯微球的浓度，获得光学密度为8的强散射体。将鉴别率板放置于该散射介质前，构成本实例的待测样品。
(2)从飞秒激光器出射的单脉冲能量为3mJ，脉宽为50fs，重复频率1kHz，水平方向偏振的飞秒脉冲激光，光斑的横向尺寸约为8mm，被分束比为1:1的第二分束片分为两束，分别作为飞秒探测脉冲光和飞秒开关脉冲光。
(3)飞秒探测脉冲光经第一反射镜调整传播方向后，入射到待测样品的2-3号系列图案(待测目标)上，接着入射到聚苯乙烯微球液。经第一凸透镜聚焦后入射到飞秒差分光克尔门中。其中待测目标和光克尔介质分别位于第一凸透镜的前后焦平面上，光克尔介质采用放置于5mm比色皿中的二硫化碳。经过分束比为1:1的第一分束片后，透射飞秒探测脉冲光依次经过第一四分之一波片和第一检偏器，反射飞秒探测脉冲光依次经过第二四分之一波片和第二检偏器。起偏器的偏振方向与飞秒探测脉冲光的偏振方向一致，两个检偏器的偏振方向与起偏器的偏振垂直方向分别呈2～5°正、负的外差角。
(4)飞秒开关脉冲光经一个石英材质的零级半波片调整其偏振方向后，入射到光学延时线上。为保证优异的飞秒外插光克尔门开关效率，经半波片调整后的飞秒开关脉冲光的偏振方向与飞秒探测脉冲光的偏振方向呈45°夹角。然后飞秒开关脉冲光经第二反射镜反射和第二凸透镜弱聚焦后，入射到光克尔介质上，透射的飞秒开关脉冲光被遮挡板阻挡。
(5)调节第二反射镜和第二凸透镜，保证飞秒探测脉冲光和飞秒开关脉冲光在光克尔介质内空间位置重合，然后调节光学延时线。当飞秒探测脉冲光和飞秒开关脉冲光到达光克尔介质的时刻重合时，飞秒开关脉冲光在光克尔介质内诱导瞬态双折射效应，进而瞬时开启飞秒差分光克尔门。正、负外差光克尔门选通的飞秒单脉冲探测光(透射飞秒探测脉冲光和反射飞秒探测脉冲光)，分别经第三、第四凸透镜收集后，成像于第一、第二单脉冲触发CCD上，获得正的外差光克尔门选通图像和负的外差光克尔门选通图像，分别如图3(b)、(c)所示。
(6)将步骤(5)中获得的正的外差光克尔门选通图像减去负的外差光克尔门选通图像，即可得到待测目标的飞秒差分光克尔门选通图像，如图3(a)所示。
进一步，为了对本方法得到的成像结果与传统方法进行比较，还将检偏器的偏振方向调整为飞秒探测脉冲光的偏振垂直方向(此处即为竖直方向)，得到了传统的光克尔门选通图像，如图3(d)所示。然后，将检偏器的偏振方向调整为飞秒探测脉冲光的偏振方向(即为水平方向)，得到了飞秒脉冲透射待测目标后，无光克尔门选通时的图像，如图3(e)所示。从图3中可以看出，使用传统方法得到的图像，由于光克尔门的滤波作用，其边缘比较模糊，而使用本方法提出的飞秒差分光克尔门得到的选通图像同待测目标的参考图像图2一样，边缘非常清晰锐利。
进一步，为了对本方法得到的成像结果进行定量的比较，分别计算了图3(a)和(b)的调制传递函数，即不同条纹的线对数与其对比度的依赖曲线，如图4所示。从图4中可以看出，使用飞秒差分光克尔门的成像方法实现了高图像对比度和高系统分辨率的时间门单脉冲选通成像(图4a)，其成像效果优于飞秒外差光克尔门的成像效果(图4b)。
Claims (10)
1.一种飞秒差分光克尔门，其特征在于：包括沿光路方向依次设置的起偏器(11)、光克尔介质(12)和第一分束片(14)，第一分束片(14)将光路分为透射光路和反射光路，其中透射光路上设有第一检偏器(17)，反射光路上设有第二检偏器(18)，且起偏器(11)的偏振方向与光路中光的偏振方向相同，第一检偏器(17)的偏振方向与起偏器(11)的偏振垂直方向呈2～5°正的外差角，第二检偏器(18)的偏振方向与起偏器(11)的偏振垂直方向呈2～5°负的外差角。
2.根据权利要求1所述的飞秒差分光克尔门，其特征在于：还包括设置在透射光路上的第一四分之一波片(15)和设置在反射光路上的第二四分之一波片(16)，且第一四分之一波片(15)设置在分束片(14)和第一检偏器(17)之间，第二四分之一波片(16)设置在分束片(14)和第二检偏器(18)之间。
3.根据权利要求2所述的飞秒差分光克尔门，其特征在于：当未设置第一四分之一波片(15)和第二四分之一波片(16)时，飞秒差分光克尔门开启后，第一检偏器(17)的透射光电场强度正比于第二检偏器(18)的透射光电场强度正比于飞秒差分光克尔门的透射光电场强度正比于4θE0Himaginary；
当设置有第一四分之一波片(15)和第二四分之一波片(16)时，飞秒差分光克尔门开启后，第一检偏器(17)的透射光电场强度正比于 第二检偏器(18)的透射光电场强度正比于飞秒差分光克尔门的透射光电场强度正比于4θE0Hreal；
其中Hreal和Himaginary分别为普通光克尔门透射光电场的实部与虚部，θ为外差角，E0为光克尔介质前入射光电场。
4.根据权利要求2或3所述的飞秒差分光克尔门，其特征在于：所述的第一四分之一波片(15)和第二四分之一波片(16)的长轴方向与起偏器(11)的夹角均为0°；且第一四分之一波片(15)和第二四分之一波片(16)均为零级波片，其材质为石英材质或BK玻璃。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的飞秒差分光克尔门，其特征在于：所述的起偏器(11)、第一检偏器(17)和第二检偏器(18)均为棱镜偏振器或消光比大于104:1的薄膜偏振器。
6.根据权利要求1-3中任意一项所述的飞秒差分光克尔门，其特征在于：所述的光克尔介质(12)为二硫化碳、硝基苯、钛酸锶钡、石英玻璃、重火石玻璃、铋酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、酞菁衍生物或C60衍生物。
7.一种基于飞秒差分光克尔门的成像装置，其特征在于：包括飞秒激光器(1)，在飞秒激光器(1)的发射光路上设有第二分束片(2)，第二分束片(2)将光路分成探测光路和开关光路，其中探测光路上依次设有待测目标(8)、散射介质(9)、第一凸透镜(10)、起偏器(11)、光克尔介质(12)和第一分束片(14)，第一分束片(14)将探测光路分为透射光路和反射光路，其中透射光路上依次设有第一四分之一波片(15)、第一检偏器(17)、第三凸透镜(19)和第一单脉冲触发CCD(21)，反射光路上依次设有第二四分之一波片(16)、第二检偏器(18)、第四凸透镜(20)和第二单脉冲触发CCD(22)；且起偏器(11)的偏振方向与探测光路中的飞秒探测脉冲光的偏振方向相同，第一检偏器(17)的偏振方向与起偏器(11)的偏振垂直方向呈2～5°正的外差角，第二检偏器(18)的偏振方向与起偏器(11)的偏振垂直方向呈2～5°负的外差角；开关光路上依次设有用于调整开关光路中的飞秒开关脉冲光的偏振方向的半波片(4)、调节飞秒开关脉冲光的光程的光学延时线(5)和第二凸透镜(7)，且飞秒开关脉冲光入射到光克尔介质(12)内部的空间位置与飞秒探测脉冲光入射到光克尔介质(12)内部的空间位置重合。
8.根据权利要求7所述的基于飞秒差分光克尔门的成像装置，其特征在于：所述的待测目标(8)设置在第一凸透镜(10)的前焦面上，光克尔介质(12)设置在第一、第二凸透镜(10、7)的后焦面上并同时设置在第三凸透镜(19)的前焦面上，第一单脉冲触发CCD(21)设置在第三凸透镜(19)的后焦面上，第二单脉冲触发CCD(22)设置在第四凸透镜(20)的后焦面上。
9.根据权利要求7或8所述的基于飞秒差分光克尔门的成像装置，其特征在于：所述的飞秒激光器(1)经过放大器输出的重复频率为1kHz；
所述的第一、第二分束片(14、2)的分光比为1:(1～4)，其中第二分束片(2)分出的光强较大的一束作为探测光路；
所述的第一、第二、第三、第四凸透镜(10、7、19、20)为平凸或双凸透镜，透光孔径为25～50mm，焦距为150～160mm；
所述的光学延时线(5)的最小光程改变量为10～100fs。
10.一种基于飞秒差分光克尔门的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)飞秒激光器(1)出射的偏振的飞秒脉冲激光经第二分束片(2)后分为两束，其中一束作为探测光路的飞秒探测脉冲光，另一束作为开关光路的飞秒开关脉冲光；
2)飞秒探测脉冲光入射到待测目标(8)上，携带待测目标形貌信息后，经第一凸透镜(10)聚焦，然后依次经过起偏器(11)、光克尔介质(12)和第一分束片(14)，第一分束片(14)将携带待测目标形貌信息的飞秒探测脉冲光分为透射飞秒探测脉冲光和反射飞秒探测脉冲光，然后透射飞秒探测脉冲光依次经过第一四分之一波片(15)和第一检偏器(17)，反射飞秒探测脉冲光依次经过第二四分之一波片(16)和第二检偏器(18)；其中起偏器(11)、光克尔介质(12)、第一分束片(14)、第一、第二四分之一波片(15、16)、第一、第二检偏器(17、18)构成飞秒差分光克尔门，且起偏器(11)的偏振方向与探测光路中飞秒探测脉冲光的偏振方向相同，第一检偏器(17)的偏振方向与起偏器(11)的偏振垂直方向呈2～5°正的外差角，第二检偏器(18)的偏振方向与起偏器(11)的偏振垂直方向呈2～5°负的外差角；
3)飞秒开关脉冲光先经过半波片(4)调整其偏振方向，然后经光学延时线(5)调整其光程，再经第二凸透镜(7)聚焦后，入射到光克尔介质(12)上，其入射到光克尔介质(12)内部的空间位置与飞秒探测脉冲光入射到光克尔介质(12)内部的空间位置重合；
4)调节光学延时线(5)，当飞秒开关脉冲光和飞秒探测脉冲光到达光克尔介质(12)的时间重合时，飞秒开光脉冲光瞬时开启飞秒差分光克尔门，经过第一分束片(14)后，透射飞秒探测脉冲光依次经过第一四分之一波片(15)、第一检偏器(17)和第三凸透镜(19)，使待测目标(8)在第一单脉冲触发CCD(21)上成像，在第一单脉冲触发CCD(21)上得到正外差单脉冲选通图像，同时反射飞秒探测脉冲光依次经过第二四分之一波片(16)、第二检偏器(18)和第四凸透镜(20)，使待测目标(8)在第二单脉冲触发CCD(22)上成像，在第二单脉冲触发CCD(22)上得到负外差单脉冲选通图像；正外差单脉冲选通图像和负外差单脉冲选通图像相减得到待测目标(8)的飞秒差分光克尔门单脉冲选通图像。
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