飛秒差分光克爾門及基于該光克爾門的成像裝置和方法
【專利摘要】飛秒差分光克爾門及基于該光克爾門的成像裝置和方法。探測光路上依次設有待測目標、散射介質(zhì)，由起偏器、光克爾介質(zhì)、第一分束片、兩個四分之一波片和兩個檢偏器組成的飛秒差分光克爾門，及兩個單脈沖觸發(fā)CCD；起偏器的偏振方向與飛秒探測脈沖光的偏振方向相同，兩個檢偏器的偏振方向與起偏器的偏振垂直方向分別呈正、負2～5°外差角；開關光路上設有半波片和光學延時線，飛秒開關脈沖光與飛秒探測脈沖光在光克爾介質(zhì)內(nèi)部重合。在兩個單脈沖觸發(fā)CCD上分別得到正、負外差單脈沖選通圖像，兩圖相減得到待測目標的飛秒差分光克爾門單脈沖選通圖像。本發(fā)明實現(xiàn)了高信噪比的單脈沖成像，具有高時間分辨、高圖像對比度和高系統(tǒng)分辨率等優(yōu)點。
【專利說明】飛秒差分光克爾門及基于該光克爾門的成像裝置和方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于超快速成像與測量【技術領域】，涉及一種飛秒差分光克爾門及基于該光 克爾門的成像裝置和方法。

【背景技術】
[0002] 飛秒激光的快速發(fā)展促進了飛秒技術的進步，如飛秒光電裝置和光通信系統(tǒng)，超 短脈沖測量系統(tǒng)，以及新材料的超快響應測量，超精細微加工等?；陲w秒激光的超快速成 像與測量技術，具有很高的時間分辨能力，可以用于研究超短的物理、生物以及化學等反應 過程。在高速碰撞、爆轟過程、高壓放電、視覺機制等瞬態(tài)過程研究領域，有著重要的應用價 值。
[0003] 基于飛秒光克爾效應的光克爾門選通方法是一種典型的超快速成像與測量技術， 利用光克爾效應構(gòu)造的光學時間門，無需相位匹配，選通光子效率高，具備飛秒量級的時間 分辨特性，在超快動態(tài)過程研究領域具有重要的科學意義和應用價值。近幾年，將飛秒激光 克爾門選通成像方法應用于高速火箭燃料發(fā)動機噴嘴噴霧過程的高分辨率的彈道成像的 研究中，光學克爾門可以通過單脈沖成像獲得火箭噴霧液核破裂的動力學過程，準確揭示 液核破裂過程，完善流體動力學計算模型，從而設計更有效的燃料發(fā)動機。
[0004] 飛秒光克爾門選通成像應用中，要求對待測目標實現(xiàn)高分辨率和高對比度的成 像。然而，在傳統(tǒng)的光克爾門選通成像技術中，由于飛秒脈沖光的高斯強度分布特性，開關 光在光克爾介質(zhì)處會誘導出瞬態(tài)微光闌，具有低通濾波效果，導致了傳統(tǒng)光克爾門選通成 像技術通常會出現(xiàn)圖像邊緣模糊，降低圖像的分辨率和對比度。外差光克爾門選通成像技 術改善了成像的分辨率，然而，這種技術在實際的彈道光選通成像應用時，部分散射光也同 時作為成像的背底被引入。在利用飛秒外差光克爾門選通成像技術實施單脈沖瞬態(tài)成像 時，這種背底噪聲會增加了成像信噪比，影響了成像對比度的提高，甚至令其無法實現(xiàn)單脈 沖成像。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明解決的問題在于提供一種飛秒差分光克爾門及基于該光克爾門的成像裝 置和方法，能夠?qū)崿F(xiàn)散射介質(zhì)物體的單脈沖成像，具有高分辨率和高對比度的優(yōu)點。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：
[0007] -種飛秒差分光克爾門，包括沿光路方向依次設置的起偏器、光克爾介質(zhì)和第一 分束片，第一分束片將光路分為透射光路和反射光路，其中透射光路上設有第一檢偏器，反 射光路上設有第二檢偏器，且起偏器的偏振方向與光路中光的偏振方向相同，第一檢偏器 的偏振方向與起偏器的偏振垂直方向呈2?5°正的外差角，第二檢偏器的偏振方向與起 偏器的偏振垂直方向呈2?5°負的外差角。
[0008] 還包括設置在透射光路上的第一四分之一波片和設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設置在分束片和第一檢偏器之間，第二四分之一波片設置 在分束片和第二檢偏器之間。
[0009] 當未設置第一四分之一波片和第二四分之一波片時，飛秒差分光克爾門開啟后， 第一檢偏器的透射光電場強度正比于祀eaZ + + imaginary^ 偏器的透射光電場強度正比于+ Himaginary _ 2θ￡*〇H[mag[nary; 飛秒差分光克 爾門的透射光電場強度正比于4 Θ;
[0010] 當設置有第一四分之一波片和第二四分之一波片時，飛秒差分光克爾門開啟后， 第一檢偏器的透射光電場強度正比于+ H imaginary + 20EoHreai;第二檢偏器的 透射光電場強度正比于HfeaZ + ^imaginary ~ 飛秒差分光克爾門的透射光 電場強度正比于4 Θ EQHreal ;
[0011] 其中HMal和Himaginmy分別為普通光克爾門透射光電場的實部與虛部，Θ為外差角， E(!為光克爾介質(zhì)前入射光電場。
[0012] 所述的第一四分之一波片和第二四分之一波片的長軸方向與起偏器的夾角均為 0° ;且第一四分之一波片和第二四分之一波片均為零級波片，其材質(zhì)為石英材質(zhì)或BK玻 3? 〇
[0013] 所述的起偏器、第一檢偏器和第二檢偏器均為棱鏡偏振器或消光比大于104:1的 薄膜偏振器。
[0014] 所述的光克爾介質(zhì)為二硫化碳、硝基苯、鈦酸鍶鋇、石英玻璃、重火石玻璃、鉍酸鹽 玻璃、碲酸鹽玻璃、酞菁衍生物或c 6(l衍生物。
[0015] 一種基于飛秒差分光克爾門的成像裝置，包括飛秒激光器，在飛秒激光器的發(fā)射 光路上設有第二分束片，第二分束片將光路分成探測光路和開關光路，其中探測光路上依 次設有待測目標、散射介質(zhì)、第一凸透鏡、起偏器、光克爾介質(zhì)和第一分束片，第一分束片將 探測光路分為透射光路和反射光路，其中透射光路上依次設有第一四分之一波片、第一檢 偏器、第三凸透鏡和第一單脈沖觸發(fā)(XD，反射光路上依次設有第二四分之一波片、第二檢 偏器、第四凸透鏡和第二單脈沖觸發(fā)CCD ;且起偏器的偏振方向與探測光路中的飛秒探測 脈沖光的偏振方向相同，第一檢偏器的偏振方向與起偏器的偏振垂直方向呈2?5°正的 外差角，第二檢偏器的偏振方向與起偏器的偏振垂直方向呈2?5°負的外差角；開關光路 上依次設有用于調(diào)整開關光路中的飛秒開關脈沖光的偏振方向的半波片、調(diào)節(jié)飛秒開關脈 沖光的光程的光學延時線和第二凸透鏡，且飛秒開關脈沖光入射到光克爾介質(zhì)內(nèi)部的空間 位置與飛秒探測脈沖光入射到光克爾介質(zhì)內(nèi)部的空間位置重合。
[0016] 所述的待測目標設置在第一凸透鏡的前焦面上，光克爾介質(zhì)設置在第一、第二凸 透鏡的后焦面上并同時設置在第三凸透鏡的前焦面上，第一單脈沖觸發(fā)(XD設置在第三凸 透鏡的后焦面上，第二單脈沖觸發(fā)C⑶設置在第四凸透鏡的后焦面上。
[0017] 所述的飛秒激光器經(jīng)過放大器輸出的重復頻率為1kHz ;
[0018] 所述的第一、第二分束片的分光比為1: (1?4)，其中第二分束片分出的光強較大 的一束作為探測光路；
[0019] 所述的第一、第二、第三、第四凸透鏡為平凸或雙凸透鏡，透光孔徑為25?50mm， 焦距為150?160mm ;
[0020] 所述的光學延時線的最小光程改變量為10?100fs。
[0021] 一種基于飛秒差分光克爾門的成像方法，包括以下步驟：
[0022] 1)飛秒激光器出射的偏振的飛秒脈沖激光經(jīng)第二分束片后分為兩束，其中一束作 為探測光路的飛秒探測脈沖光，另一束作為開關光路的飛秒開關脈沖光；
[0023] 2)飛秒探測脈沖光入射到待測目標上，攜帶待測目標形貌信息后，經(jīng)第一凸透鏡 聚焦，然后依次經(jīng)過起偏器、光克爾介質(zhì)和第一分束片，第一分束片將攜帶待測目標形貌信 息的飛秒探測脈沖光分為透射飛秒探測脈沖光和反射飛秒探測脈沖光，然后透射飛秒探測 脈沖光依次經(jīng)過第一四分之一波片和第一檢偏器，反射飛秒探測脈沖光依次經(jīng)過第二四分 之一波片和第二檢偏器；其中起偏器、光克爾介質(zhì)、第一分束片、第一、第二四分之一波片、 第一、第二檢偏器構(gòu)成飛秒差分光克爾門，且起偏器的偏振方向與探測光路中飛秒探測脈 沖光的偏振方向相同，第一檢偏器的偏振方向與起偏器的偏振垂直方向呈2?5°正的外 差角，第二檢偏器的偏振方向與起偏器的偏振垂直方向呈2?5°負的外差角；
[0024] 3)飛秒開關脈沖光先經(jīng)過半波片調(diào)整其偏振方向，然后經(jīng)光學延時線調(diào)整其光 程，再經(jīng)第二凸透鏡聚焦后，入射到光克爾介質(zhì)上，其入射到光克爾介質(zhì)內(nèi)部的空間位置與 飛秒探測脈沖光入射到光克爾介質(zhì)內(nèi)部的空間位置重合；
[0025] 4)調(diào)節(jié)光學延時線，當飛秒開關脈沖光和飛秒探測脈沖光到達光克爾介質(zhì)的時間 重合時，飛秒開光脈沖光瞬時開啟飛秒差分光克爾門，經(jīng)過第一分束片后，透射飛秒探測脈 沖光依次經(jīng)過第一四分之一波片、第一檢偏器和第三凸透鏡，使待測目標在第一單脈沖觸 發(fā)(XD上成像，在第一單脈沖觸發(fā)C⑶上得到正外差單脈沖選通圖像，同時反射飛秒探測脈 沖光依次經(jīng)過第二四分之一波片、第二檢偏器和第四凸透鏡，使待測目標在第二單脈沖觸 發(fā)(XD上成像，在第二單脈沖觸發(fā)C⑶上得到負外差單脈沖選通圖像；正外差單脈沖選通圖 像和負外差單脈沖選通圖像相減得到待測目標的飛秒差分光克爾門單脈沖選通圖像。
[0026] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0027] 本發(fā)明提供的飛秒差分光克爾門，是將傳統(tǒng)光克爾門的檢偏器分成兩個，將兩個 檢偏器分別設置在透射光路和反射光路上，并將兩個檢偏器分別在正、負方向上旋轉(zhuǎn)2? 5°的外差角度，得到正、負外差角度的飛秒外差光克爾門，最后用正外差單脈沖選通圖像 (正的外差角度光克爾門選通圖像）減負外差單脈沖選通圖像（負的外差角度光克爾門選 通圖像），得到飛秒差分光克爾門單脈沖選通圖像。該飛秒差分光克爾門最大限度地利用了 探測光攜帶的被測目標的全部空間頻譜成分，成像結(jié)果的邊緣更加銳利，具有很高的系統(tǒng) 分辨率，圖像對比度也更高。同時，該飛秒差分光克爾門的時間分辨率仍由光克爾門的開關 時間決定，這保證了成像系統(tǒng)仍然具有飛秒時間量級的極高時間分辨能力。
[0028] 本發(fā)明提供的基于飛秒差分光克爾門的成像裝置，是一種單脈沖的成像裝置，該 成像裝置中將入射光路分為探測光路和開關光路，將待測目標設置在探測光路上，再將正、 負的外差角度光克爾門選通圖像分別成像在兩個單脈沖觸發(fā)CCD上。正的外差角度光克爾 門選通圖像減負的外差角度光克爾門選通圖像，得到飛秒差分光克爾門單脈沖選通圖像。 本發(fā)明提供的基于飛秒差分光克爾門的成像裝置解決了使用單脈沖飛秒外差光克爾門選 通成像時引入背底噪聲的問題，可以實現(xiàn)高信噪比的單脈沖成像，具有很高的系統(tǒng)分辨率， 同時，提高了外差光克爾門選通圖像對比度。
[0029] 本發(fā)明提供的基于飛秒差分光克爾門的成像方法，是一種單脈沖的成像方法，涉 及一種飛秒時間分辨的超快動態(tài)過程的觀測方法，利用光學延時線調(diào)節(jié)飛秒開關脈沖光的 光程，當飛秒開關脈沖光和飛秒探測脈沖光到達光克爾介質(zhì)的時間完全重合時，飛秒開光 脈沖光瞬時開啟飛秒差分光克爾門，飛秒探測脈沖光經(jīng)過第一檢偏器和第二檢偏器，正、負 外差單脈沖選通圖像分別成像于兩個單脈沖觸發(fā)CCD上，再用正外差單脈沖選通圖像減去 負外差單脈沖選通圖像后得到的獲得成像系統(tǒng)的目標圖像。本發(fā)明提供的基于飛秒差分光 克爾門的成像方法實現(xiàn)了高時間分辨、高圖像對比度和高系統(tǒng)分辨率的飛秒時間門選通成 像，利用該方法進行超快成像，既可保證成像系統(tǒng)飛秒量級的時間分辨能力，又能得到邊緣 更銳利，成像空間分辨率接近成像系統(tǒng)衍射極限的成像結(jié)果，可應用于強散射介質(zhì)內(nèi)部隱 藏物體成像、獲取物質(zhì)超快熒光圖像等領域。
[0030] 進一步的，本發(fā)明中用半波片調(diào)節(jié)飛秒開關脈沖光和飛秒探測脈沖光的偏振方向 呈45°夾角，保證了在系統(tǒng)輸入光強不變情況下，該飛秒差分光克爾門可以獲得最大的透 過率。
[0031] 進一步的，當未設置第一四分之一波片和第二四分之一波片時，飛秒差分光克爾 門的透射光電場強度正比于4 Θ ;當設置有第一四分之一波片和第二四分之一波 片時，飛秒差分光克爾門的透射光電場強度正比于4 θ E此al。其中，Himagina,y非線性項來源 于光致二色性，H Mal非線性項來源于光致雙折射。光克爾效應中，當光致二色性所占的比重 較大時，光路中未設置第一四分之一波片和第二四分之一波片，得到的飛秒差分光克爾門 選通單脈沖成像信號較強；當光致雙折射所占的比重較大時，光路中設置第一四分之一波 片和第二四分之一波片，得到的飛秒差分光克爾門選通單脈沖成像信號較強?？筛鶕?jù)實際 情況選擇是否設置第一、第二四分之一波片，以獲得更廣的適用范圍和更好的成像結(jié)果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032] 圖1是本發(fā)明提供的基于飛秒差分光克爾門的成像裝置的示意圖；
[0033] 圖2是美軍標1951USAF分辨率板在光路中直接圖像，即參考圖像；
[0034] 圖3是本發(fā)明具體實例的成像結(jié)果圖，其中（a)為本發(fā)明的方法測得的選通圖像， (b)為外差正角度光克爾門選通圖像，（c)為外差負角度光克爾門選通圖像，（d)為傳統(tǒng)光 克爾門選通圖像，（e)待測目標在散射介質(zhì)中的直接圖像；
[0035] 圖4是本發(fā)明具體實例的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線，其中a為圖3(a)的圖像的調(diào)制傳遞 函數(shù)曲線，b為圖3(b)的圖像的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線；
[0036] 其中：1為飛秒激光器、2為第二分束片、3為第一反射鏡、4為半波片、5為光學延 時線、6為第二反射鏡、7為第二凸透鏡、8為待測目標、9為散射介質(zhì)、10為第一凸透鏡、11 為起偏器、12為光克爾介質(zhì)、13為遮擋板、14為第一分束片、15為第一四分之一波片、16為 第二四分之一波片、17為第一檢偏器、18為第二檢偏器、19為第三凸透鏡、20為第四凸透 鏡、21為第一單脈沖觸發(fā)CCD、22為第二單脈沖觸發(fā)CCD。

【具體實施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖和具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的 解釋而不是限定。
[0038] 申請人:之前提出的飛秒外差光克爾門選通成像技術（專利申請?zhí)枺?201310471560. 0)雖然改善了無散射介質(zhì)條件下的成像分辨率，但這種技術在實際的強散 射介質(zhì)條件下的成像應用時，部分散射光作為成像的背底被引入，這種背底噪聲增加了成 像信噪比，降低了成像對比度，甚至無法實現(xiàn)單脈沖成像。而本發(fā)明是對飛秒外差光克爾門 的進一步改進，本發(fā)明提出的飛秒差分光克爾門選通單脈沖成像技術利用正的外差光克爾 門選通圖像減去負的外差光克爾門選通圖像，實現(xiàn)單脈沖成像的同時減去了散射光背低， 提1? 了成像對比度。
[0039] 本發(fā)明提供的飛秒差分光克爾門，是第一檢偏器和第二檢偏器分別旋轉(zhuǎn)正、負的 2?5° (即沿起偏器的偏振垂直方向分別順時針、逆時針方向旋轉(zhuǎn)2?5° )，分別得到正 外差單脈沖選通圖像和負外差單脈沖選通圖像，其中，當?shù)谝粰z偏器旋轉(zhuǎn)正的2?5°時， 其透射光電場強度正比于：
[0040] ^real ^imaginary ^O^real'
[0041] 當?shù)诙z偏器旋轉(zhuǎn)負的2?5°時，其透射光電場強度正比于：
[0042] ^real ^imaginary _ 20￡，〇//reaj> ?
[0043] 正外差單脈沖選通圖像減去負外差單脈沖選通圖像，得到的飛秒差分光克爾門選 通圖像強度正比于：
[0044] 4 Θ E〇Hreal ；
[0045] 當去掉第一四分之一波片（15)和第二四分之一波片（16)后，當?shù)谝粰z偏器旋轉(zhuǎn) 正的2?5°時，其透射光電場強度正比于 ：
[0046] ^eal + imaginary + imaginary J
[0047] 當?shù)诙z偏器旋轉(zhuǎn)負的2?5°時，其透射光電場強度正比于：
[0048] ^real + ^aginary - imaginary J
[0049] 正外差單脈沖選通圖像減去負外差單脈沖選通圖像，得到的飛秒差分光克爾門選 通圖像強度正比于：
[0050] 4 0EoHimagin町。
[0051] 其中HMal和Himagina,y分別為普通光克爾門透射光電場的實部與虛部，均為非線性 光學響應項，2 Θ Ecftd為飛秒差分光克爾門選通的探測光電場外差項，E。為光克爾介質(zhì)前 入射光電場，^含有探測光攜帶的被測目標的全部空間頻譜成分，Θ為外差角。如果使用 普通光克爾門，其選通的探測光電場為單純的非線性光學項（H Mal和Himaginmy)，該非線性光 學項依賴于開關光和探測光與光克爾介質(zhì)的產(chǎn)生的互作用光克爾效應。飛秒差分光克爾 門選通的探測光電場只有外差項4 Θ E(1HMal或4 Θ E(1Himaginmy，具有濾波作用的非線性光學項 (HMal和H imaginmy)被完全減掉，因此成像結(jié)果的邊緣更加銳利，成像對比度和系統(tǒng)分辨率也 更高。同時，此時成像系統(tǒng)的時間分辨率仍由光克爾門的開關時間決定，這保證了成像系統(tǒng) 仍然具有飛秒時間量級的極高時間分辨能力。
[0052] 如圖1所示，本發(fā)明提供的飛秒差分光克爾門，包括沿光路方向依次設置的起偏 器11、光克爾介質(zhì)12和第一分束片14,第一分束片14將光路分為透射光路和反射光路， 其中透射光路上依次設有第一四分之一玻片15和第一檢偏器17,反射光路上依次設有第 二四分之一玻片16和第二檢偏器18,且起偏器11的偏振方向與光路中光的偏振方向相同， 第一檢偏器17的偏振方向與起偏器11的偏振垂直方向呈2?5°正的外差角，第二檢偏器 18的偏振方向與起偏器11的偏振垂直方向呈2?5°負的外差角。
[0053] 所述的第一四分之一波片15和第二四分之一波片16的長軸方向與起偏器11的 夾角均為0° ;且第一四分之一波片15和第二四分之一波片16均為零級波片，其材質(zhì)為石 英材質(zhì)或BK玻璃。
[0054] 所述的起偏器11、第一檢偏器17和第二檢偏器18均為棱鏡偏振器或消光比大于 1〇 4:1的薄膜偏振器。
[0055] 所述的光克爾介質(zhì)12為以下三階非線性光學材料中的一種：二硫化碳、硝基苯、 鈦酸鍶鋇、石英玻璃、重火石玻璃、鉍酸鹽玻璃、碲酸鹽玻璃、酞菁衍生物或C 6(l衍生物。
[0056] 參見圖1，本發(fā)明提供的基于飛秒差分光克爾門的成像裝置，包括飛秒激光器1， 飛秒激光器發(fā)射的飛秒脈沖激光的單脈沖能量為3mJ，脈寬為50fs，經(jīng)過放大器輸出的重 復頻率1kHz。在飛秒激光器1的發(fā)射光路上設有第二分束片2,第二分束片2將光路分成 兩束，其中光強較大的一束作為探測光路，另一束作為開關光路，探測光路上依次設有第一 反光鏡3、待測目標8、散射介質(zhì)9、第一凸透鏡10、起偏器11、光克爾介質(zhì)12和第一分束片 14,第一分束片14將探測光路分為透射光路和反射光路，其中透射光路上依次設有第一四 分之一波片15、第一檢偏器17、第三凸透鏡19和第一單脈沖觸發(fā)(XD21，反射光路上依次設 有第二四分之一波片16、第二檢偏器18、第四凸透鏡20和第二單脈沖觸發(fā)(XD22 ;且起偏 器11的偏振方向與探測光路中的飛秒探測脈沖光的偏振方向相同，第一檢偏器17的偏振 方向與起偏器11的偏振垂直方向呈2?5°正的外差角，第二檢偏器18的偏振方向與起偏 器11的偏振垂直方向呈2?5°負的外差角；在第一單脈沖觸發(fā)(XD21和第二單脈沖觸發(fā) CCD22上分別得到的正、負外差單脈沖選通圖像，圖像相減即為飛秒差分光克爾門的單脈沖 成像；開關光路上依次設有用于調(diào)整飛秒開關脈沖光的偏振方向的半波片4、調(diào)節(jié)開關光 路中的飛秒開關脈沖光的光程的光學延時線5、第二反射鏡6、用于聚焦的第二凸透鏡7和 用于阻擋透射過光克爾介質(zhì)12的飛秒開關脈沖光的遮擋板13,且飛秒開關脈沖光入射到 光克爾介質(zhì)12內(nèi)部的空間位置與飛秒探測脈沖光在光克爾介質(zhì)12內(nèi)部的空間位置重合。 [0057] 所述的待測目標8設置在第一凸透鏡10的前焦面上，光克爾介質(zhì)12設置在第一 凸透鏡10和第二凸透鏡7的后焦面上并同時設置在第三凸透鏡19的前焦面上，第一單脈 沖觸發(fā)(XD21和第二單脈沖觸發(fā)(XD22分別設置在第三凸透鏡19和第四凸透鏡20的后焦 面上。第一分束片14和第二分束片2的分光比為1: (1?4);第一、第二、第三、第四凸透 鏡為平凸或雙凸透鏡，透光孔徑為25?50mm，焦距為150?160mm ;光學延時線的最小光程 改變量為10?l〇〇fs。
[0058] 本發(fā)明的基于飛秒差分光克爾門的成像裝置的優(yōu)選參數(shù)如下：
[0059] 飛秒激光器發(fā)射的飛秒脈沖激光的單脈沖能量為3mJ，脈寬為50fs，經(jīng)過放大器 輸出的重復頻率1kHz ;第一、第二分束片的分束比為1:1 ;第一、第二、第三、第四凸透鏡的 透光孔徑均為5cm，且第一、第二、第三、第四凸透鏡的焦距分別為15cm、16cm、15cm和15cm ; 光克爾介質(zhì)12采用放置于比色皿中的二硫化碳，二硫化碳的通光路徑為5mm ;起偏器11、第 一檢偏器17和第二檢偏器18均為尼科爾棱鏡偏振器，透光孔徑為1. 2cm ;透過半波片4的 飛秒開關脈沖光偏振方向與飛秒探測脈沖光偏振方向呈45°夾角；第一四分之一波片15 和第二四分之一波片16長軸方向與起偏器11的夾角均為0° ;光學延時線的最小光程改 變量為10. 4fs ;飛秒差分光克爾門的正、負外差角為5°。
[0060] 本發(fā)明提供的基于飛秒差分光克爾門的成像方法，首先將飛秒激光器出射的飛秒 脈沖激光分成兩路，通過其中一路飛秒探測脈沖光入射到待測目標上，攜帶其形貌信息后， 再由另一路飛秒開關脈沖光控制正、負飛秒外差光克爾門的開關，得到正、負的飛秒外差光 克爾門選通圖像，最后正的外差光克爾門選通圖像減負的外差光克爾門選通圖像，得到飛 秒差分光克爾門選通圖像。
[0061] 參見圖1，該成像方法具體包括以下步驟：
[0062] 1)將飛秒激光器1出射的偏振的飛秒脈沖激光經(jīng)第二分束片2后分為兩束，其中 一束作為探測光路的飛秒探測脈沖光，另一束作為開關光路的飛秒開關脈沖光；
[0063] 2)飛秒探測脈沖光經(jīng)過第一反射鏡3調(diào)整方向后，入射到待測目標8上，攜帶待 測目標形貌信息后，先經(jīng)過散射介質(zhì)9,然后經(jīng)第一凸透鏡10聚焦后，順次經(jīng)過起偏器11、 光克爾介質(zhì)12和第一分束片14,第一分束片14將攜帶待測目標形貌信息的飛秒探測脈沖 光分為透射飛秒探測脈沖光和反射飛秒探測脈沖光，然后透射飛秒探測脈沖光依次經(jīng)過第 一四分之一波片15和第一檢偏器17,反射飛秒探測脈沖光依次經(jīng)過第二四分之一波片16 和第二檢偏器18 ;其中起偏器的偏振方向與探測光路中飛秒探測脈沖光的偏振方向相同， 第一檢偏器的偏振方向與起偏器11的偏振垂直方向呈2?5°正的外差角，第二檢偏器的 偏振方向與起偏器11的偏振垂直方向呈2?5°負的外差角；
[0064] 3)飛秒開關脈沖光先經(jīng)過半波片4調(diào)整其偏振方向，然后經(jīng)光學延時線5調(diào)整其 光程，接著經(jīng)第二反射鏡6調(diào)整其方向，再經(jīng)第二凸透鏡7聚焦后，入射到光克爾介質(zhì)12 上，其入射位置與飛秒探測脈沖光入射到光克爾介質(zhì)內(nèi)的空間位置重合；
[0065] 4)調(diào)節(jié)光學延時線5,當飛秒開關脈沖光和飛秒探測脈沖光到達光克爾介質(zhì)12的 時間重合時，飛秒開光脈沖光瞬時開啟飛秒差分光克爾門，經(jīng)過第一分束片14后，透射飛 秒探測脈沖光依次經(jīng)過第一四分之一波片和第一檢偏器，然后經(jīng)第三凸透鏡聚焦，使待測 目標在第一單脈沖觸發(fā)CCD上成像，在第一單脈沖觸發(fā)CCD上得到正外差單脈沖選通圖像， 同時反射飛秒探測脈沖光依次經(jīng)過第二四分之一波片和第二檢偏器，然后經(jīng)第四凸透鏡聚 焦，使待測目標在第二單脈沖觸發(fā)CCD上成像，在第二單脈沖觸發(fā)CCD上得到負外差單脈沖 選通圖像；正外差單脈沖選通圖像和負外差單脈沖選通圖像相減得到待測目標的飛秒差分 光克爾門單脈沖選通圖像。
[0066] 為了證實本發(fā)明的效果，下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明的超短脈沖光限幅器的實施 例。
[0067] 本實施例以散射介質(zhì)前的鑒別率板（美軍標1951USAF分辨率板，符合美國 MIL-STD-150A標準）作為待測樣品。該鑒別率板上的圖案包括幾組由三條短線條紋構(gòu)成組 合，短線條紋的尺寸從大到小，通過計算圖像短線條紋的對比度，得到調(diào)制傳遞函數(shù)曲線， 調(diào)制傳遞函數(shù)廣泛地應用于測試光學成像系統(tǒng)（如顯微鏡和相機）的分辨能力，圖2為該 分辨率板在圖1光路的無散射介質(zhì)成像（直接圖像，即參考圖像）。
[0068] 本實施例的具體實施步驟如下：
[0069] (1)將少量粒徑為3. 1微米的聚苯乙烯微球摻入去離子水中，制得聚苯乙烯微球 懸濁液。該懸濁液是一種常用的標準散射介質(zhì)。通過調(diào)節(jié)聚苯乙烯微球的濃度，獲得光學 密度為8的強散射體。將鑒別率板放置于該散射介質(zhì)前，構(gòu)成本實例的待測樣品。
[0070] (2)從飛秒激光器出射的單脈沖能量為3mJ，脈寬為50fs，重復頻率1kHz，水平方 向偏振的飛秒脈沖激光，光斑的橫向尺寸約為8mm，被分束比為1:1的第二分束片分為兩 束，分別作為飛秒探測脈沖光和飛秒開關脈沖光。
[0071] (3)飛秒探測脈沖光經(jīng)第一反射鏡調(diào)整傳播方向后，入射到待測樣品的2-3號系 列圖案（待測目標）上，接著入射到聚苯乙烯微球液。經(jīng)第一凸透鏡聚焦后入射到飛秒差分 光克爾門中。其中待測目標和光克爾介質(zhì)分別位于第一凸透鏡的前后焦平面上，光克爾介 質(zhì)采用放置于5mm比色皿中的二硫化碳。經(jīng)過分束比為1:1的第一分束片后，透射飛秒探 測脈沖光依次經(jīng)過第一四分之一波片和第一檢偏器，反射飛秒探測脈沖光依次經(jīng)過第二四 分之一波片和第二檢偏器。起偏器的偏振方向與飛秒探測脈沖光的偏振方向一致，兩個檢 偏器的偏振方向與起偏器的偏振垂直方向分別呈2?5°正、負的外差角。
[0072] (4)飛秒開關脈沖光經(jīng)一個石英材質(zhì)的零級半波片調(diào)整其偏振方向后，入射到光 學延時線上。為保證優(yōu)異的飛秒外插光克爾門開關效率，經(jīng)半波片調(diào)整后的飛秒開關脈沖 光的偏振方向與飛秒探測脈沖光的偏振方向呈45°夾角。然后飛秒開關脈沖光經(jīng)第二反射 鏡反射和第二凸透鏡弱聚焦后，入射到光克爾介質(zhì)上，透射的飛秒開關脈沖光被遮擋板阻 擋。
[0073] (5)調(diào)節(jié)第二反射鏡和第二凸透鏡，保證飛秒探測脈沖光和飛秒開關脈沖光在光 克爾介質(zhì)內(nèi)空間位置重合，然后調(diào)節(jié)光學延時線。當飛秒探測脈沖光和飛秒開關脈沖光到 達光克爾介質(zhì)的時刻重合時，飛秒開關脈沖光在光克爾介質(zhì)內(nèi)誘導瞬態(tài)雙折射效應，進而 瞬時開啟飛秒差分光克爾門。正、負外差光克爾門選通的飛秒單脈沖探測光（透射飛秒探 測脈沖光和反射飛秒探測脈沖光），分別經(jīng)第三、第四凸透鏡收集后，成像于第一、第二單脈 沖觸發(fā)CCD上，獲得正的外差光克爾門選通圖像和負的外差光克爾門選通圖像，分別如圖 3(b)、（c)所示。
[0074] (6)將步驟（5)中獲得的正的外差光克爾門選通圖像減去負的外差光克爾門選通 圖像，即可得到待測目標的飛秒差分光克爾門選通圖像，如圖3(a)所示。
[0075] 進一步，為了對本方法得到的成像結(jié)果與傳統(tǒng)方法進行比較，還將檢偏器的偏振 方向調(diào)整為飛秒探測脈沖光的偏振垂直方向（此處即為堅直方向），得到了傳統(tǒng)的光克爾 門選通圖像，如圖3(d)所示。然后，將檢偏器的偏振方向調(diào)整為飛秒探測脈沖光的偏振 方向（即為水平方向），得到了飛秒脈沖透射待測目標后，無光克爾門選通時的圖像，如圖 3(e)所示。從圖3中可以看出，使用傳統(tǒng)方法得到的圖像，由于光克爾門的濾波作用，其邊 緣比較模糊，而使用本方法提出的飛秒差分光克爾門得到的選通圖像同待測目標的參考圖 像圖2-樣，邊緣非常清晰銳利。
[0076] 進一步，為了對本方法得到的成像結(jié)果進行定量的比較，分別計算了圖3 (a)和 (b)的調(diào)制傳遞函數(shù)，即不同條紋的線對數(shù)與其對比度的依賴曲線，如圖4所示。從圖4中 可以看出，使用飛秒差分光克爾門的成像方法實現(xiàn)了高圖像對比度和高系統(tǒng)分辨率的時間 門單脈沖選通成像（圖4a)，其成像效果優(yōu)于飛秒外差光克爾門的成像效果（圖4b)。
【權利要求】
1. 一種飛秒差分光克爾門，其特征在于：包括沿光路方向依次設置的起偏器（11)、光 克爾介質(zhì)（12)和第一分束片（14),第一分束片（14)將光路分為透射光路和反射光路，其中 透射光路上設有第一檢偏器（17)，反射光路上設有第二檢偏器（18)，且起偏器（11)的偏振 方向與光路中光的偏振方向相同，第一檢偏器（17)的偏振方向與起偏器（11)的偏振垂直 方向呈2?5°正的外差角，第二檢偏器（18)的偏振方向與起偏器（11)的偏振垂直方向呈 2?5°負的外差角。
2. 根據(jù)權利要求1所述的飛秒差分光克爾門，其特征在于：還包括設置在透射光路上 的第一四分之一波片（15)和設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)設置在分束片（14)和第一檢偏器（17)之間，第二四分之一波片（16)設置在 分束片（14)和第二檢偏器（18)之間。
3. 根據(jù)權利要求2所述的飛秒差分光克爾門，其特征在于：當未設置第一四分之一波 片（15)和第二四分之一波片（16)時，飛秒差分光克爾門開啟后，第一檢偏器（17)的透射 光電場強度正比于
：第二檢偏器（18)的透射光 電場強度正比于
；飛秒差分光克爾門的透射光 電場強度正比于4 Θ EQHiniaginal7 ; 當設置有第一四分之一波片（15)和第二四分之一波片（16)時，飛秒差分光克爾門開 啟后，第一檢偏器（17)的透射光電場強度正比于』
；第 二檢偏器（18)的透射光電場強度正比^
;飛秒差分 光克爾門的透射光電場強度正比于4 Θ Ecftd ; 其中HMal和Himaginmy分別為普通光克爾門透射光電場的實部與虛部，Θ為外差角，匕為 光克爾介質(zhì)前入射光電場。
4. 根據(jù)權利要求2或3所述的飛秒差分光克爾門，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)的長軸方向與起偏器（11)的夾角均為0° ;且第一四 分之一波片（15)和第二四分之一波片（16)均為零級波片，其材質(zhì)為石英材質(zhì)或BK玻璃。
5. 根據(jù)權利要求1-3中任意一項所述的飛秒差分光克爾門，其特征在于：所述的起偏 器（11)、第一檢偏器（17)和第二檢偏器（18)均為棱鏡偏振器或消光比大于10 4:1的薄膜 偏振器。
6. 根據(jù)權利要求1-3中任意一項所述的飛秒差分光克爾門，其特征在于：所述的光克 爾介質(zhì)（12)為二硫化碳、硝基苯、鈦酸鍶鋇、石英玻璃、重火石玻璃、鉍酸鹽玻璃、碲酸鹽玻 璃、酞菁衍生物或C 6(l衍生物。
7. -種基于飛秒差分光克爾門的成像裝置，其特征在于：包括飛秒激光器（1)，在飛秒 激光器（1)的發(fā)射光路上設有第二分束片（2)，第二分束片（2)將光路分成探測光路和開 關光路，其中探測光路上依次設有待測目標（8)、散射介質(zhì)（9)、第一凸透鏡（10)、起偏器 (11)、光克爾介質(zhì)（12)和第一分束片（14)，第一分束片（14)將探測光路分為透射光路和 反射光路，其中透射光路上依次設有第一四分之一波片（15)、第一檢偏器（17)、第三凸透 鏡（19)和第一單脈沖觸發(fā)CCD (21)，反射光路上依次設有第二四分之一波片（16)、第二檢 偏器（18)、第四凸透鏡（20)和第二單脈沖觸發(fā)CCD(22);且起偏器（11)的偏振方向與探測 光路中的飛秒探測脈沖光的偏振方向相同，第一檢偏器（17)的偏振方向與起偏器（11)的 偏振垂直方向呈2?5°正的外差角，第二檢偏器（18)的偏振方向與起偏器（11)的偏振垂 直方向呈2?5°負的外差角；開關光路上依次設有用于調(diào)整開關光路中的飛秒開關脈沖 光的偏振方向的半波片（4)、調(diào)節(jié)飛秒開關脈沖光的光程的光學延時線（5)和第二凸透鏡 (7)，且飛秒開關脈沖光入射到光克爾介質(zhì)（12)內(nèi)部的空間位置與飛秒探測脈沖光入射到 光克爾介質(zhì)（12)內(nèi)部的空間位置重合。
8. 根據(jù)權利要求7所述的基于飛秒差分光克爾門的成像裝置，其特征在于：所述的待 測目標（8)設置在第一凸透鏡（10)的前焦面上，光克爾介質(zhì)（12)設置在第一、第二凸透鏡 (1〇、7)的后焦面上并同時設置在第三凸透鏡（19)的前焦面上，第一單脈沖觸發(fā)CCD(21)設 置在第三凸透鏡（19)的后焦面上，第二單脈沖觸發(fā)CCD(22)設置在第四凸透鏡（20)的后 焦面上。
9. 根據(jù)權利要求7或8所述的基于飛秒差分光克爾門的成像裝置，其特征在于：所述 的飛秒激光器（1)經(jīng)過放大器輸出的重復頻率為1kHz ; 所述的第一、第二分束片（14、2)的分光比為1:(1?4)，其中第二分束片（2)分出的光 強較大的一束作為探測光路； 所述的第一、第二、第三、第四凸透鏡（1〇、7、19、20)為平凸或雙凸透鏡，透光孔徑為 25 ?50mm，焦距為 150 ?160mm ; 所述的光學延時線（5)的最小光程改變量為10?lOOfs。
10. -種基于飛秒差分光克爾門的成像方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 飛秒激光器（1)出射的偏振的飛秒脈沖激光經(jīng)第二分束片（2)后分為兩束，其中一 束作為探測光路的飛秒探測脈沖光，另一束作為開關光路的飛秒開關脈沖光； 2) 飛秒探測脈沖光入射到待測目標（8)上，攜帶待測目標形貌信息后，經(jīng)第一凸透鏡 (10) 聚焦，然后依次經(jīng)過起偏器（11)、光克爾介質(zhì)（12)和第一分束片（14)，第一分束片 (14)將攜帶待測目標形貌信息的飛秒探測脈沖光分為透射飛秒探測脈沖光和反射飛秒探 測脈沖光，然后透射飛秒探測脈沖光依次經(jīng)過第一四分之一波片（15)和第一檢偏器（17)， 反射飛秒探測脈沖光依次經(jīng)過第二四分之一波片（16)和第二檢偏器（18);其中起偏器 (11) 、光克爾介質(zhì)（12)、第一分束片（14)、第一、第二四分之一波片（15、16)、第一、第二檢 偏器（17、18)構(gòu)成飛秒差分光克爾門，且起偏器（11)的偏振方向與探測光路中飛秒探測脈 沖光的偏振方向相同，第一檢偏器（17)的偏振方向與起偏器（11)的偏振垂直方向呈2? 5°正的外差角，第二檢偏器（18)的偏振方向與起偏器（11)的偏振垂直方向呈2?5°負 的外差角； 3) 飛秒開關脈沖光先經(jīng)過半波片（4)調(diào)整其偏振方向，然后經(jīng)光學延時線（5)調(diào)整其 光程，再經(jīng)第二凸透鏡（7)聚焦后，入射到光克爾介質(zhì)（12)上，其入射到光克爾介質(zhì)（12) 內(nèi)部的空間位置與飛秒探測脈沖光入射到光克爾介質(zhì)（12)內(nèi)部的空間位置重合； 4) 調(diào)節(jié)光學延時線（5)，當飛秒開關脈沖光和飛秒探測脈沖光到達光克爾介質(zhì)（12)的 時間重合時，飛秒開光脈沖光瞬時開啟飛秒差分光克爾門，經(jīng)過第一分束片（14)后，透射 飛秒探測脈沖光依次經(jīng)過第一四分之一波片（15)、第一檢偏器（17)和第三凸透鏡（19)，使 待測目標（8)在第一單脈沖觸發(fā)CCD (21)上成像，在第一單脈沖觸發(fā)CCD (21)上得到正外 差單脈沖選通圖像，同時反射飛秒探測脈沖光依次經(jīng)過第二四分之一波片（16)、第二檢偏 器（18)和第四凸透鏡（20)，使待測目標（8)在第二單脈沖觸發(fā)CCD(22)上成像，在第二單 脈沖觸發(fā)CCD(22)上得到負外差單脈沖選通圖像；正外差單脈沖選通圖像和負外差單脈沖 選通圖像相減得到待測目標（8)的飛秒差分光克爾門單脈沖選通圖像。
【文檔編號】G02F1/35GK104111569SQ201410315037
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月3日 優(yōu)先權日:2014年7月3日
【發(fā)明者】司金海, 許士超, 譚文疆, 占平平, 陳烽, 侯洵 申請人:西安交通大學