CN106198456A - 基于磁光科尔/法拉第效应的超快光学门控成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于磁光科尔/法拉第效应的超快门控成像系统。基于泵浦‑探测（Pump‑Probe）超快光学技术，我们采用泵浦光的偏振态来控制磁性薄膜的磁化方向，利用磁光旋转效应，实现对探测光线性偏振态旋转的控制；进一步，通过设计两束泵浦光的时间间隔以及偏振态，对磁性薄膜的磁化方向进行超快控制，实现对探测光时间窗口可调控的超快测量。这种新型磁光门控技术能选择性的对弹道光进行超快测量，可以有效实现混浊介质中的物体成像。

Description

基于磁光科尔/法拉第效应的超快光学门控成像系统及方法

技术领域

本发明涉及高灵敏度的超快光学探测以及新型磁性薄膜材料生长，具体是一种基于磁光科尔/法拉第效应的超快光学门控成像系统及方法。

背景技术

超快光学成像技术是混浊介质中物体成像的重要课题：混浊介质中的成像技术不仅在生物医学、工业检测起到作用，而且在国防安全等其他科学研究方面也有着十分重要的应用价值。

在此之前相关的技术研究有：电光科尔门超快光学成像技术是基于非线性晶体的电光科尔效应，具体是建立在泵浦-探测科尔门技术上，从而实现混浊介质中的物体成像。超快短脉冲Probe光经过混浊介质以后在时域上被展宽，展宽后的光脉冲分为三部分：弹道光、蛇形光和漫射光,其中弹道光出现在脉冲的最前沿。蛇形光和漫射光由于散射则需要经历迂回的路径才可以经过介质。

对于介质散射造成的光脉冲展宽，电光科尔门技术采用高能量密度的Pump光诱导激发门控，实时控制Probe光在时域上透射/反射超快动力学过程，从而对弹道光部分进行选择性探测，以实现混浊介质中的物体成像。

上述电光科尔门技术，所使用非线性科尔晶体通常包括熔融石英，二硫化碳，碲化玻璃等科尔常数大的晶体。用来诱导激发晶体的激光脉冲能量密度普遍要求达到数100mJ/cm²。为了产生如此高强度的激光脉冲，实验室往往利用飞秒激光器（比如钛宝石激光器）产生飞秒脉冲种子光，诱导再生放大器将多个光脉冲能量压缩至单个脉冲，从而实现脉冲能量的放大。如此庞大的光学放大系统不利于在实际应用中推广超快电光科尔门技术。

发明内容

本发明技术的目的是建立一种新的低光功率密度激发，具有飞秒时间尺度的光学门控，能够使超快光学门控成像技术更加有利于在实际应用中推广。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于磁光科尔效应的超快光学门控成像系统，采用泵浦-探测（Pump-Probe）工作模式，激光器产生的飞秒脉冲经分束器BS1分为反射部分Probe光和透射部分Pump光；

所述Probe光经过散射介质展宽，展宽的Probe光经过起偏器P3、透镜L1聚焦到位于焦平面处的磁性薄膜，Probe光经磁性薄膜反射再次经过透镜L1准直进入检偏器P4，Probe出射光经由透镜L2汇聚到CCD探测器上进行成像；

所述Pump光经过线性位移平台D1后，由分束器BS2分别两束相同脉冲，分别记为Pump1和Pump2；所述Pump1依次经过偏振器P1和零级1/4波片Q1后，由透镜L1聚焦到磁性薄膜上，并与Probe光在空间上重合；所述Pump2依次经过线性位移平台D2、偏振器P/2和零级1/4波片Q2后，由透镜L1聚焦到磁性薄膜上，并与Probe光在空间上重合。

一种基于磁光法拉第效应的超快光学门控成像系统，包括激光器，所述激光器产生的飞秒脉冲经分束器BS1分为反射部分Probe光和透射部分Pump光；

所述Probe光经过散射介质展宽，展宽的Probe光经过起偏器P3′、透镜L1′聚焦到位于焦平面处的磁性薄膜，Probe光经磁性薄膜透射后经过透镜L3准直进入检偏器P4′，Probe出射光经由透镜L2′汇聚到CCD探测器上进行成像；

所述Pump光经过线性位移平台D1后，由分束器BS2分别两束相同脉冲，分别记为Pump1和Pump2；所述Pump1依次经过偏振器P1和零级1/4波片Q1后，由透镜L1′聚焦到磁性薄膜上，并与Probe光在空间上重合；所述Pump2依次经过线性位移平台D2、偏振器P/2和零级1/4波片Q2后，由透镜L1′聚焦到磁性薄膜上，并与Probe光在空间上重合。

本系统是基于磁光科尔/法拉第效应建立的一种新型的超快光学门控成像技术。采用超快泵浦-探测技术，利用两束低能量密度且螺旋性正交的圆偏振态Pump光控制磁性薄膜的磁化方向，设置门控的“开”和“关”状态，从而对反射/透射弹道光脉冲的选择性测量，实现对混浊介质中的物体成像。

系统中使用一种新型磁性薄膜材料，其磁化方向可以由光的螺旋性进行控制，如C-H.Lambert实验小组研究的磁性薄膜材料。在2014年，该小组在Co/Pt纳米薄膜和FePtAgC纳米颗粒样品中首次观察到了光的螺旋度对磁性薄膜的磁化翻转。本系统是基于磁光效应提出的一种新型的超快光学门控成像技术，在探测光反射条件下是超快科尔门控成像，在透射条件下则是超快法拉第门控成像。采用螺旋性相互正交的圆偏振光来激发磁性薄膜，从而设计和控制薄膜的磁化方向，以实现对经过磁性薄膜反射/透射后探测光偏振态的超快旋转控制。在此项技术中，诱导超快磁动力学过程中所需要的光功率密度可降至0.1mJ/cm²数量级，这会极大降低热效应对磁化强度的影响，缩短自旋弛豫时间，从而加快磁性翻转速率。

本发明技术所建立的超快门控探测部分依次由起偏器、磁性薄膜、检偏器组成。在无Pump光激发的条件下，磁性薄膜处于热平衡态，Probe光的入射偏振态由起偏器设定，通过调节相位补偿器和检偏器使反射/透射的Probe光全部“关”住。为了让部分Probe光可以通过检偏器，实现Probe在时域上的选择性成像，设计利用第一束圆偏振光Pump1激发磁性薄膜；不失一般性，Pump1光的螺旋性为左旋圆偏振态。在Pump1光的激发下，薄膜的磁化方向发生超快翻转，这时Probe出射光的线偏振态不再与检偏器完全正交，从而有部分光通过检偏器至CCD。为了精确选定时间长度极短的弹道光部分，设计利用螺旋性相反的第二束右旋圆偏振Pump2光迅速将磁化方向再次超快翻转，从而又将Probe光“关”住。通过改变两束Pump光的之间的时间间隔Tg，就可以任意控制磁光科尔门/法拉第门的时间长短。选用的光脉冲宽度和线性位移平台的精度都在飞秒时间尺度，在低光功率密度激发下，磁性翻转有望在亚皮秒量级时间尺度实现，从而建立一个飞秒尺度的超快门控。基于此项门控技术，可以实时控制Probe光在时域上的超快动力学过程，选择性对弹道光脉冲部分进行测量，实现混浊介质中物体成像。

上述的Probe光、Pump1光，Pump2光均为飞秒脉冲激光。

上述的Pump和Probe光均由同一台飞秒激光器产生。实际操作中也可以采用双色光，即Pump和Probe光分别来自于互相同步的两台飞秒激光器，可以是不同的波长。

本发明的超快科尔/法拉第门与电光科尔门相比有以下优点：

1、低光功率密度Pump光激发的超快磁光光学门控，可进一步实现面向实际应用的高散射介质成像。

2、选用的磁性薄膜材料的磁化方向可被螺旋性不同的圆偏振光进行超快调控，比如类似于C-H.Lambert等所研究的磁性材料，低光功率激发有可能消除热效应对自旋系统的影响，使其磁化方向的翻转时间尺度可以达到亚皮秒数量级。

3、选用具有时延的两束Pump光相继激发诱导磁性薄膜，实时控制磁性薄膜的磁化方向，从而设置门控的“开关”。通过改变两束Pump光的之间的时间间隔Tg，就可以任意控制磁光科尔门/法拉第门的时间长短。

4、所建立的基于磁光科尔/法拉第效应的超快光学门控。两束Pump光分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，其时间间隔Tg即门“开”的时间长度，这个时间长度取决于两束Pump光的相对时延，实验中时间延迟精度可控制到飞秒量级，所以可以建立一个飞秒尺度的超快门控。

本发明设计合理，基于泵浦-探测（Pump-Probe）超快光学技术，采用泵浦光的偏振态来控制磁性薄膜的磁化方向，利用磁光旋转效应，实现对探测光线性偏振态旋转的控制；进一步，通过设计两束泵浦光的时间间隔以及偏振态，对磁性薄膜的磁化方向进行超快控制，实现对探测光时间窗口可调控的超快测量。这种新型磁光门控技术能选择性的对弹道光进行超快测量，可以有效实现混浊介质中的物体成像。

附图说明

图1表示基于磁光科尔效应的超快光学门控成像基本原理示意图。

图2表示基于磁光法拉第效应超快光学门控成像基本原理示意图。

图3表示基于磁光科尔效应的超快光学科尔门操控的基本原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

本发明基于磁光科尔/法拉第效应建立的新型超快光学门控成像技术。以Pump-Probe技术为基础。通过采用两束Pump光作为门控开关，从而控制Probe光对混浊介质中的物体在时域上实现超快成像。

图1是基于磁光科尔/法拉第效应的超快光学门控成像原理图，Pump-Probe技术将飞秒激光分为两路，分别为Pump光路（虚线部分）和Probe（实线部分）光路。Pump光作为门控光束，用来控制磁性薄膜的磁化方向，建立光学门控，Probe光则用来进行光探测实现混浊介质中物体成像。在反射条件下对探测光的测量是超快科尔门控成像技术，在透射条件下则是超快法拉第门控成像技术。

基于磁光效应的光学门控成像的Probe光路，见图1：

1、激光器产生的飞秒脉冲经分束器BS1反射的部分为Probe光，Probe脉冲光在散射介质中传播时，由于散射的影响，光脉冲在时域上被展宽，其中弹道光部分位于脉冲的最前端。

2、展宽的Probe脉冲依次经过反射镜M4和M8后入射到由起偏器、磁性薄膜以及检偏器组成的光学门控系统。图示1中的虚线部分是基于科尔效应的磁光科尔门，图示2是基于法拉第效应的磁光法拉第门，其中磁性薄膜均置于透镜L1/L1′的焦平面上。所述的起偏器对入射光的偏振态进行控制。

3、从起偏器P3/P3′的出射Probe光经由透镜L1/L1′聚焦到位于焦平面处的磁性薄膜上。磁性薄膜在反射条件下，Probe是反射光，在透射条件下Probe为透射光。

4、如图示1基于磁光科尔效应门控成像示意图，Probe光经磁性薄膜反射再次经由透镜L1准直进入到检偏器P4。考虑到磁光科尔效应，在进入检偏器P4之前，在P4前面加入一个Soleil-Babinet相位补偿器S对Probe光进行相位补偿，实现在热平衡态条件下对Probe光的完全“关”控制，保证Probe反射光/透射光为高纯度线性偏振光，以提高光探测的信噪比。

5、如图示2基于磁光法拉第效应门控成像示意图，Probe光经磁性介质透射后经由透镜L3准直进入到检偏器P4′。同样考虑到磁光法拉第效应，在P4′前面加入一个Soleil-Babinet相位补偿器S′对Probe光进行相位补偿，实现在热平衡态条件下对Probe光的完全“关”控制，保证Probe反射光/透射光为高纯度线性偏振光，以提高光探测的信噪比。

6、通过检偏器P4/P4′的Probe出射光经由透镜L2/L2′汇聚到CCD探测器上进行成像。

基于磁光效应的光学门控成像的Pump光路。见图1：

1、激光器产生的飞秒脉冲经分束器BS1透射的部分为Pump光，Pump光经反射镜M1入射至线性位移平台D1，然后Pump光经由分束器BS2分成两束相同的脉冲，分别为Pump1（短虚线）和Pump2（长虚线），通过线性位移平台D1来控制Pump1光和Probe光的相对延迟时间t，使Pump1光和Probe光的同时抵达磁性薄膜。线性位移平台D1具有微米量级的位移精度，从而光电探测系统具有飞秒量级的时间精度。

2、不同螺旋性的Pump光脉冲可以对磁性薄膜的磁化方向进行超快翻转。在Pump1和Pump2光路中分别依次加入偏振器P1、P2和零级1/4波片Q1、Q2，设置P1和P2线偏振方向正交。通过分别调节两路中的1/4波片，使透过波片Pump光的线偏振态方向与其光轴方向成45度角，得到Pump1为左旋圆偏振光，Pump2为右旋圆偏振光。两束Pump光的左、右旋圆偏振态是经由线偏振器和1/4波片调节所得。

3、在Pump2光路上通过反射镜M5和M6设计了第二个光学线性位移平台D2，通过调节D2来控制两束Pump光相对延迟时间，使其时间间隔为Tg，满足螺旋性相互正交的两束Pump光相继抵达磁性薄膜。所述的磁性薄膜在不同螺旋性泵浦光激发的情况下，其磁化方向不同。调节精度达到微米级别的两台线性位移平台分别来控制两束Pump光脉冲的时间间隔Tg，从而建立飞秒时间尺度的超快门控。

4、图示1和图示2分别是基于磁光科尔和磁光法拉第效应的门控成像示意图，Pump1光经反射镜M1、偏振器P1、零级1/4波片Q1、反射镜M3入射至透镜L1；Pump2光首先经过经反射镜M5、线性位移平台D2、反射镜M6后，再经过偏振器P2、零级1/4波片Q2、反射镜M7入射至透镜L1；最后，Pump1与Pump2光由透镜L1/L1′聚焦到磁性薄膜上，并与Probe光脉冲在空间上重合。

以磁光科尔门为例，基于磁光科尔效应门控成像技术的具体实施如下，见图3。其中，M表示磁性薄膜处于热平衡态条件下的磁化方向；Pump光和Probe分别由实线和虚线表示，其中带双箭头线条表示Probe入射磁性薄膜前、后的线偏振态方向，螺旋带箭头的线条分别对应Pump1和Pump2，Pump1为左旋圆偏振态光，Pump2为右旋圆偏振态光。

1、如图3所示，在热平衡态条件下，无Pump光激发，Probe光经由起偏器P3抵达磁性薄膜，由于磁光科尔效应，入射的线性偏振光在磁性薄膜表面反射时，其偏振态发生旋转。通过调整相位补偿器S和检偏器P4使其与Probe反射光的偏振方向正好正交，从而实现将Probe反射光全部“关住”。

2、为了让Probe光通过检偏器P4，通过调节光学线性位移平台D1使Pump1和Probe两束光同时到达磁性薄膜，所述的Pump1光为左旋圆偏振光，利用Pump1光脉冲激发磁性薄膜使其磁化方向发生翻转，由于磁光科尔效应，Probe反射光的线偏振态发生变化，此时磁光科尔门被“开启”，光脉冲可以部分通过检偏器P4，经由透镜L2聚焦，进入CCD探测器成像。

3、为了精确选取时间长度极短的弹道光部分，设计利用与Pump1时间间隔Tg且螺旋性正交的Pump2光激发磁性薄膜，使其磁化方向再次被超快的翻转到热平衡态方向上，此时Probe反射光的线偏振态方向与检偏器P4又正好再次正交，则Probe反射光瞬间被“关住”。通过调节光学线性位移平台D2使Pump1和Pump2时间间隔为Tg，两束Pump光的左右旋偏振态相互转化的时间间隔Tg就是门“开”的时间长度。所以可以依据弹道光部分在时域上的脉冲持续时间对磁光科尔门“开”的时间实现任意控制，从而建立一个飞秒尺度的超快门控。

基于磁光科尔/法拉第效应且低光功率密度激发的超快磁光旋转门控成像系统，采用泵浦-探测（Pump-Probe）工作模式。光路分为泵浦光路和探测光路两部分，分别用于完成磁性薄膜的门控激发和探测光的超快测量。通过调节精度达到微米级别的线性位移平台来控制两束Pump光脉冲的时间间隔Tg，从而建立飞秒时间尺度的超快门控。通过低光功率密度Pump光激发控制门的“开”和“关”，从而准确选择弹道光部分作为测量信号。通过控制Pump光与Probe光的时间间隔，从而控制Probe脉冲光的测量时间窗口。在混浊介质中，由于散射会造成Probe光脉冲的展宽，该系统可以通过精确选择Probe光的弹道光部分，实现对混浊介质中的物体成像。此光学门控系统使用低光功率密度Pump光激发即可完成，可以使高散射介质成像在工业中进行应用和推广。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims (10)

1.一种基于磁光科尔效应的超快光学门控成像系统，其特征在于：包括激光器，所述激光器产生的飞秒脉冲经分束器BS1分为反射部分Probe光和透射部分Pump光；

所述Probe光经过散射介质以后被展宽，展宽的Probe光经过起偏器P3、透镜L1聚焦到位于焦平面处的磁性薄膜，Probe光经磁性薄膜反射再次经过透镜L1准直进入检偏器P4，Probe出射光经由透镜L2汇聚到CCD探测器上进行成像；

所述Pump光由分束器BS2分别两束相同脉冲，分别记为Pump1和Pump2；所述Pump1依次经过偏振器P1和零级1/4波片Q1后，由透镜L1聚焦到磁性薄膜上，并与Probe光在空间上重合；所述Pump2依次经过偏振器P/2和零级1/4波片Q2后，由透镜L1聚焦到磁性薄膜上，并与Probe光在空间上重合。

2.根据权利要求1所述的基于磁光科尔效应的超快光学门控成像系统，其特征在于：所述检偏器P4前方设置Soleil-Babinet相位补偿器S。

3.根据权利要求1或2所述的基于磁光科尔效应的超快光学门控成像系统，其特征在于：所述Pump1通过线性位移平台D1调节；所述Pump2通过线性位移平台D2调节。

4.一种基于磁光科尔效应的超快光学门控成像方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、激光器产生的飞秒脉冲经分束器BS1分成Pump光和Probe光两部分，其中Pump光再经由BS2分为两束光，分别为Pump1光和Pump2光；

（2）、Probe光入射到散射介质上，经过起偏器P3，由透镜L1聚焦到磁性薄膜上；

（3）、调节控制Pump1光和Pump2光为不同螺旋性偏振态光，然后相继入射到磁性薄膜上；

（4）、飞秒脉冲Pump1光和Probe光同时抵达磁性薄膜，并且在空间上重合，此时磁光科尔门被“开启”，经磁性薄膜反射Probe光部分能够通过检偏器P4，然后由磁光科尔门后的透镜L2聚焦至CCD成像；

（5）、之后，飞秒脉冲Pump2光和Probe同时抵达磁性薄膜，并且在空间上重合，此时磁光科尔门被“关闭”；

（6）、通过（4）、（5）两步骤，从而准确选取弹道光部分，以实现混浊介质中的物体成像。

5.根据权利要求4所述的基于磁光科尔效应的超快光学门控成像方法，其特征在于：：步骤（3）中，Pump1光和Pump2光的螺旋性通过偏振器以及1/4波片调节控制；

步骤（4）中，通过调节线性位移平台D1，使飞秒脉冲Pump1光和Probe光同时抵达磁性薄膜；

步骤（5）中，通过调节线性位移平台D2，使飞秒脉冲Pump2光和Probe同时抵达磁性薄膜。

6.一种基于磁光法拉第效应的超快光学门控成像系统，其特征在于：包括激光器，所述激光器产生的飞秒脉冲经分束器BS1分为反射部分Probe光和透射部分Pump光；

所述Probe光经过散射介质以后被展宽，展宽的Probe光经过起偏器P3′、透镜L1′聚焦到位于焦平面处的磁性薄膜，Probe光经磁性薄膜透射后经过透镜L3准直进入检偏器P4′，Probe出射光经由透镜L2′汇聚到CCD探测器上进行成像；

所述Pump光由分束器BS2分别两束相同脉冲，分别记为Pump1和Pump2；所述Pump1依次经过偏振器P1和零级1/4波片Q1后，由透镜L1′聚焦到磁性薄膜上，并与Probe光在空间上重合；所述Pump2依次经过偏振器P/2和零级1/4波片Q2后，由透镜L1′聚焦到磁性薄膜上，并与Probe光在空间上重合。

7.根据权利要求6所述的基于磁光法拉第效应的超快光学门控成像系统，其特征在于：所述检偏器P4′前方设置Soleil-Babinet相位补偿器S′。

8.根据权利要求6或7所述的基于磁光法拉第效应的超快光学门控成像系统，其特征在于：所述Pump1通过线性位移平台D1调节；所述Pump2通过线性位移平台D2调节。

9.一种基于磁光法拉第效应的超快光学门控成像方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、激光器产生的飞秒脉冲经分束器BS1分成Pump光和Probe光两部分，其中Pump光再经由BS2分为两束光，分别为Pump1光和Pump2光；

（2）、Probe光入射到散射介质上，经过起偏器P3′，由透镜L1′聚焦到磁性薄膜上；

（3）、调节控制Pump1光和Pump2光为不同螺旋性偏振态光，然后相继入射到磁性薄膜上；

（4）、飞秒脉冲Pump1光和Probe同时抵达磁性薄膜，并且在空间上重合，此时磁光法拉第门被“开启”，经磁性薄膜反射Probe光部分能够通过检偏器P4′，然后由磁光科尔门后的透镜L2′聚焦至CCD成像；

（5）、之后，飞秒脉冲Pump2光和Probe同时抵达磁性薄膜，并且在空间上重合，此时磁光法拉第门被“关闭”；

（6）、通过（4）、（5）两步骤，从而准确选取弹道光部分，以实现混浊介质中的物体成像。

10.根据权利要求9所述的基于磁光法拉第效应的超快光学门控成像方法，其特征在于：步骤（3）中，Pump1光和Pump2光的螺旋性通过偏振器以及1/4波片调节控制；

步骤（4）中，通过调节线性位移平台D1，使飞秒脉冲Pump1光和Probe光同时抵达磁性薄膜；

步骤（5）中，通过调节线性位移平台D2，使飞秒脉冲Pump2光和Probe同时抵达磁性薄膜。