CN106124068B - 精准检测可见光空间相位的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种精准检测可见光空间相位的装置，待测可见光光源经过反射镜和1/2波片后，经过抛物面镜聚焦，电离焦点附近的空气介质形成等离子体拉丝，在等离子体拉丝一侧相应的位置安放可调节狭缝和MCP探测器，电离过程中产生的部分电子可以从可调节狭缝的缝隙中逸出，MCP探测器放在可调节狭缝的缝隙之后，用来收集和探测逸出的电子，经过处理得到等离子体拉丝不同空间位置处的电场强度分布。当1/2波片的角度是0°时，MCP探测器探测到等离子体拉丝其中一侧的电场强度分布；当1/2波片旋转180°时，MCP探测器探测到等离子体拉丝另一侧的电场强度分布；将两侧的电场强度分布作差值求解，就能够得到缝隙对应处的可见光空间相位。
Description
技术领域
本发明涉一种空间相位检测和相位变化过程动态演示装置，特别涉及一种精准检测可见光空间相位的装置。
背景技术
随着近几十年科学和技术的迅速发展，空间相位检测以其广泛的应用前景，已成为国际上物理领域的一个重要研究课题。空间相位对于一个波来说，是指在循环中特定时刻的位置，即该空间位置是否在波峰、波谷或它们之间的某点的标度。目前，主要的应用前景有利用太赫兹相位变化来测试太赫兹横波和纵波相位动态变化，基于太赫兹相位变化来检测物体的精细结构，利用古依相移进行干涉测量，基于单循环太赫兹脉冲的相位变化直接观察古依相移现象等。随着空间相位检测在各个领域中的应用日益增加，科技的发展对空间相位检测精度的要求越来越高。
MCP（Microchannel Plate即Burle BiPolar TOF Detector）探测器是一种大面阵和高空间分辨的电子倍增探测器，具备非常高的时间分辨率。MCP以玻璃薄片为基片，在基片上以六角形周期排布着孔径为数微米到十几微米的微孔。一块MCP上约有上百万微通道，二次电子可以在通道壁上碰撞倍增放大，工作原理与光电倍增管相似，即由光束落在阴极上产生光电子并通过级联放大激发出更多的光电子。该探测器灵敏度高、响应快，广泛应用于各科研领域，例如在光学探测仪中，可用于极微弱光强度的探测。
1890年，法国物理学家 Louis Georges Gouy发现通过焦点的电磁波将获得一个额外的轴向正负180°相移，并将这一相移命名为古依相移。古依相移对整个电磁波谱有着重要的影响，它不仅可以减少聚焦光束谐波畸变的概率、可以用来解释不同横向模式下的共振频率差异、还可以使得真空中的相速度超过一个平面光波。如果能够在可见光波段直接精确地观测古依相移空间相位动态变化的全过程，将对整个电磁波谱带来不可估量的应用价值。
到目前为止，已有的相位检测技术方法大多只局限于某一中心频率的非可见光波段，并且检测精度不高。目前还没有简洁的实验装置用于直接观测可见光的古依相移以及精准检测可见光空间相位。基于MCP探测器的优点和古依相移在可见光波段的应用需求以及目前实验上的种种局限性。因此，需要一种精准检测可见光空间相位的装置和方法，结合MCP探测器技术，可直接观测可见光的古依相移动态变化全过程，实现了精准检测可见光空间相位的功能。
发明内容
本发明是针对目前已有的相位检测技术方法大多只局限于某一中心频率的非可见光波段，检测精度不高，并且还没有简洁的实验装置用于直接观测可见光空间相位动态变化等问题，提出了一种精准检测可见光空间相位的装置。
本发明的技术方案为：一种精准检测可见光空间相位的装置，包括待测可见光光源、反射镜、1/2波片、电动旋转底座、抛物面镜、光收集盒、可调节狭缝、一维步进电机、MCP探测器和计算机，所述1/2波片安装在电动旋转底座上，可随电动旋转底座旋转角度；可调节狭缝固定在一维步进电机上，可随一维步进电机左右移动；所述电动旋转底座通过连接线连接计算机，用计算机精确控制1/2波片的旋转角度，计算机通过连接线连接MCP探测器，用于MCP探测器的数据存储及空间相位图像处理；所述待测可见光光源发出的光脉冲经过反射镜，再经过 1/2 波片达到抛物面镜，经过抛物面镜聚焦，使电离焦点附近的空气介质形成等离子体拉丝，再由光收集盒收集等离子体拉丝后的发散光；在等离子体拉丝一侧相应的位置安放可调节狭缝和MCP探测器；电离过程中产生的部分电子从可调节狭缝的缝隙中逸出，可调节狭缝的缝隙用来限定电子从等离子体拉丝周围逸出的范围，MCP探测器放在可调节狭缝的缝隙之后，用来收集和探测逸出的电子，并经过处理得到等离子体拉丝不同空间位置处的电场强度分布；当1/2波片的角度是0°时，MCP探测器探测到等离子体拉丝其中一侧的电场强度分布；当计算机控制电动旋转底座将1/2波片旋转180°时，所述MCP探测器探测到等离子体拉丝另一侧的电场强度分布；将等离子体拉丝两侧的电场强度分布作差值求解，得到可调节狭缝缝隙对应处的可见光空间相位。
所述可调节狭缝的位置通过一维步进电机调节改变，用于得到不同空间位置处的可见光空间相位，通过控制一维步进电机的移动步长，实现精准的检测可见光空间相位。
所述反射镜为与所用待测可见光光源相匹配的高效反射镜，所用抛物面镜为镀金或者镀银离轴抛物面镜，所述待测可见光光源为可见光波段光源。
所述光收集盒用于阻挡等离子体拉丝后发散的光束，保护实验者不受发散光的伤害。
本发明的有益效果在于：
待测可见光光源经过反射镜和1/2波片后，经过抛物面镜聚焦，电离焦点附近的空气介质形成等离子体拉丝，在等离子体拉丝一侧相应的位置安放可调节狭缝和MCP探测器。电离过程中产生的部分电子可以从可调节狭缝的缝隙中逸出，狭缝的缝隙用来限定电子从等离子体拉丝周围逸出的范围。MCP探测器放在可调节狭缝的缝隙之后，用来收集和探测逸出的电子，经过一定的处理可得到等离子体拉丝不同空间位置处的电场强度分布。当1/2波片的角度是0°时，MCP探测器探测到的是等离子体拉丝其中一侧的电场强度分布；控制计算机调节电动旋转底座将1/2波片旋转180°，此时MCP探测器探测到的是等离子体拉丝另一侧的电场强度分布；根据MCP探测器的探测原理，将两侧的电场强度分布作差值求解，就能够得到缝隙对应处的可见光空间相位。改变可调节狭缝相对等离子体拉丝的位置，就能得到不同空间位置处的可见光空间相位。根据可见光空间相位精准检测需要的精度，控制一维步进电机的移动步长，从而实现精准检测可见光空间相位的功能。该装置简单易操作，应用范围广。
本发明的精准检测可见光空间相位的装置，装置简单易操作，应用范围广。在实际操作过程中，只需要通过电脑控制安装在电动旋转底座上的1/2波片的旋转角度，以及移动固定在一维步进电机上的可调节狭缝控制可调节狭缝的狭缝大小，根据MCP 探测器测得的电场强度分布作差值计算，就能够得出不同空间位置处的可见光空间相位，实现精准的检测可见光空间相位。
附图说明
图1为本发明的精准检测可见光空间相位的装置结构示意图；
图2为本发明的精准检测可见光空间相位的主要部分测试示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的精准检测可见光空间相位的装置，包括待测可见光光源1、反射镜2、1/2波片3、电动旋转底座4、抛物面镜5、光收集盒7、可调节狭缝8、一维步进电机9、微通道板（MCP）探测器10、第一连接线11、第二连接线12和计算机13；在实验过程中会产生等离子体拉丝6。1/2波片3安装在电动旋转底座4上，可随电动旋转底座4旋转角度；可调节狭缝8固定在一维步进电机9上，可随一维步进电机9左右移动；第一连接线11连接电动旋转底座4和计算机13，第二连接线12用来连接MCP探测器10和计算机13，计算机13可以精确控制1/2波片3的旋转角度和MCP探测器10的数据存储及空间相位图像处理。
待测可见光光源1发出的光脉冲经过反射镜2，再经过 1/2 波片3达到抛物面镜5，经过抛物面镜5聚焦，电离焦点附近的空气介质形成等离子体拉丝6，再由光收集盒7收集等离子体拉丝6后的发散光。等离子体拉丝6具有一定的长度，在等离子体拉丝6一侧相应的位置安放可调节狭缝8和MCP探测器10。电离过程中产生的部分电子可以从可调节狭缝8的缝隙中逸出，可调节狭缝8的缝隙用来限定电子从等离子体拉丝6周围逸出的范围。MCP探测器10放在可调节狭缝8的缝隙之后，用来收集和探测逸出的电子，经过一定的处理可得到等离子体拉丝6不同空间位置处的电场强度分布。调节可调节狭缝8的位置时，MCP探测器10的位置也需要根据可调节狭缝8的移动做出相应的调整，以便尽可能接收到全部逸出的电子。当1/2波片3的角度是0°时，MCP探测器10探测到的是等离子体拉丝6其中一侧的电场强度分布；控制计算机13调节电动旋转底座4将1/2波片3旋转180°，此时MCP探测器10探测到的就是等离子体拉丝6另一侧的电场强度分布；根据MCP探测器10的探测原理，将两侧的电场强度分布作差值求解，就能够得到可调节狭缝8缝隙对应处的可见光空间相位。调节一维步进电机9改变可调节狭缝8的位置，可以得到不同空间位置处的可见光空间相位，可以验证古依相移理论，还可以在可见光波段直接精准地观测到古依相移相位动态变化的全过程，实现检测可见光空间相位的功能。根据可见光空间相位精准检测需要的精度，控制一维步进电机9的移动步长，从而实现精准的检测可见光空间相位。
初始的待测可见光光源1是可见光波段的光脉冲。用精准检测可见光空间相位的装置和方法观测古依相移时，需要注意的是不同光谱成分有不同空间尺度上的古依相移，比如蓝颜色的光谱比红色光谱的相变更陡。这种精准检测可见光空间相位的装置和方法可以根据需要和环境选择不同的待测可见光光源1，同时反射镜2、1/2波片3、电动旋转底座4、抛物面镜5、光收集盒7、可调节狭缝8、一维步进电机9、MCP探测10、第一连接线11、第二连接线12以及计算机13也需要和所选待测可见光光源1相匹配。
图2为本发明实现精准检测可见光空间相位的主要部分测试示意图，包括等离子体拉丝6、可调节狭缝8和一维步进电机9。图中表示可调节狭缝8可以通过调节一维步进电机9从等离子体6的左边移动到右边。改变可调节狭缝8的位置，可以检测到等离子体拉丝6不同空间位置处的可见光空间相位。左边和右边可调节狭缝8上面的波形分别是通过MCP探测器10测出的左边和右边可调节狭缝8的缝隙所在位置处的可见光空间相位，从图2中可以发现，两个可见光空间相位图的相位差正好是180°。在测试过程中调整可调节狭缝8的位置可以发现，等离子体拉丝6中心对称一定距离的可见光空间相位变化正好为180°，验证且直观检测了古依相移理论，即通过焦点的电磁波将获得一个额外的轴向正负180°相移。不同的光谱成分对应不同空间尺度上的古依相移，因此检测可见光空间相位时需要根据不同的待测可见光光源1选择不同的测量距离。
在下面的实施例中，以输出中心波长为800 nm的激光器为例，其他可见光波段与该波段的实施方法一致。
激光器输出光中心波长为800 nm，脉冲宽度130 fs,重复频率1 KHz，以800 nm 可见光为例，具体实现可见光空间相位的精准检测过程如下：如图1所示，由飞秒激光器1输出的初始激光脉冲，经过 1/2 波片3到达抛物面镜5，经抛物面镜5聚焦，电离焦点附近的空气介质形成等离子体拉丝6，再由光收集盒7收集等离子体拉丝6后的发散光。等离子体拉丝6具有一定的长度，在等离子体拉丝6一侧相应的位置安放可调节狭缝8和MCP探测器10。电离过程中产生的部分电子可以从可调节狭缝8的缝隙中逸出，可调节狭缝8的缝隙用来限定电子从等离子体拉丝6周围逸出的范围。MCP探测器10放在可调节狭缝8的缝隙之后，用来收集和探测逸出的电子，经过一定的处理可得到等离子体拉丝6不同空间位置处的电场强度分布。1/2波片3安装在电动旋转底座4上，可随电动旋转底座4旋转角度；可调节狭缝8固定在一维步进电机9上，可随一维步进电机9左右移动；第一连接线11连接电动旋转底座4和计算机13，第二连接线12连接MCP探测器10和计算机13，计算机13可以精确控制1/2波片3的旋转角度和MCP探测器10的数据存储及空间相位图像处理。调节可调节狭缝8的位置时，MCP探测器10的位置也需要根据可调节狭缝8的移动做出相应的调整，以便尽可能接收到全部逸出的电子。当1/2波片3的角度是0°时，MCP探测器10探测到的是等离子体拉丝6其中一侧的电场强度分布；控制计算机13调节电动旋转底座4将1/2波片3旋转180°，此时MCP探测器10探测到的就是等离子体拉丝6另一侧的电场强度分布；根据MCP探测器10的探测原理，将两侧的电场强度分布作差值求解，就能够得到可调节狭缝8的缝隙对应处的可见光空间相位。如图2所示，可调节狭缝8可以通过调节一维步进电机9从等离子体拉丝6的左边移动到右边。改变可调节狭缝8的位置，可以检测到等离子体拉丝6不同空间位置处的可见光空间相位。左边和右边可调节狭缝8上面的波形分别是通过MCP探测器10测出的左边和右边可调节狭缝8的缝隙所在位置处的可见光空间相位，从图2中可以发现，两个可见光空间相位图的相位差正好是180°。在实验过程中调整可调节狭缝8的位置可以发现，等离子体拉丝6中心对称一定距离的可见光空间相位变化正好为180°，验证且直观检测了古依相移理论，即通过焦点的电磁波将获得一个额外的轴向正负180°相移。不同的光谱成分对应不同空间尺度上的古依相移，因此检测可见光空间相位时需要根据不同的待测可见光光源1选择不同的测量距离。调节一维步进电机9改变可调节狭缝8的位置，可以得到不同空间位置处的可见光空间相位，可以验证古依相移理论，还可以在可见光波段直接精准地观测到古依相移相位动态变化的全过程，实现检测可见光空间相位的功能。根据可见光空间相位精准检测需要的精度，控制一维步进电机9的移动步长，从而实现精准的检测可见光空间相位。
Claims (4)
1.一种精准检测可见光空间相位的装置，包括待测可见光光源(1)、反射镜(2)、1/2波片(3)、电动旋转底座(4)、抛物面镜(5)、光收集盒(7)、可调节狭缝(8)、一维步进电机(9)、Microchannel Plate探测器(10)和计算机(13)，其特征在于：所述1/2波片(3)安装在电动旋转底座(4)上，可随电动旋转底座(4)旋转角度；可调节狭缝(8)固定在一维步进电机(9)上，可随一维步进电机(9)左右移动；所述电动旋转底座(4)通过连接线连接计算机(13)，用计算机(13)精确控制1/2波片(3)的旋转角度，计算机(13)通过连接线连接MicrochannelPlate探测器(10)，用于Microchannel Plate探测器(10)的数据存储及空间相位图像处理；所述待测可见光光源(1)发出的光脉冲经过反射镜(2)，再经过 1/2 波片(3)达到抛物面镜(5)，经过抛物面镜(5)聚焦，使电离焦点附近的空气介质形成等离子体拉丝(6)，再由光收集盒(7)收集等离子体拉丝(6)后的发散光；在等离子体拉丝(6)一侧相应的位置安放可调节狭缝(8)和Microchannel Plate探测器(10)；电离过程中产生的部分电子从可调节狭缝(8)的缝隙中逸出，可调节狭缝(8)的缝隙用来限定电子从等离子体拉丝(6)周围逸出的范围，Microchannel Plate探测器(10)放在可调节狭缝(8)的缝隙之后，用来收集和探测逸出的电子，并经过处理得到等离子体拉丝(6)不同空间位置处的电场强度分布；当1/2波片(3)的角度是0°时，所述Microchannel Plate探测器(10)探测到等离子体拉丝(6) 的沿光束传播方向的轴向其中一侧的电场强度分布；当计算机(13)控制电动旋转底座(4)将1/2波片(3)旋转180°时，所述Microchannel Plate探测器(10)探测到等离子体拉丝(6) 沿光束传播方向的轴向另一侧的电场强度分布；将等离子体拉丝(6)两侧的电场强度分布作差值求解，得到可调节狭缝(8)缝隙对应处的可见光空间相位。
2.根据权利要求1所述的精准检测可见光空间相位的装置，其特征在于：所述可调节狭缝(8)的位置通过一维步进电机(9)调节改变，用于得到不同空间位置处的可见光空间相位，通过控制一维步进电机(9)的移动步长，实现精准的检测可见光空间相位。
3.根据权利要求1所述的精准检测可见光空间相位的装置，其特征在于：所述反射镜(2)为与所用待测可见光光源(1)相匹配的高效反射镜，所用抛物面镜(5)为镀金或者镀银离轴抛物面镜，所述待测可见光光源(1)为可见光波段光源。
4.根据权利要求1所述的精准检测可见光空间相位的装置，其特征在于：所述光收集盒(7)用于阻挡等离子体拉丝后发散的光束，保护实验者不受发散光的伤害。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |