專利名稱：基于邁克爾遜干涉儀的4f相位相干成像裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明所涉及的是一種用于測量非線性光子學介質的三階非線性折射率 的裝置，屬于非線性光子學材料和非線性光學信息處理領域。
技術背景隨著光通信和光信息處理等領域的飛速發(fā)展，非線性光學材料研究日益重 要。光開關、相位復共軛、光限幅以及光調制等功能的實現(xiàn)主要依賴于非線性 光學材料的研究進展，而光學非線性測量技術是研究非線性光子學材料的關鍵 技術之一。目前常用的測量非線性光學參數(shù)方法有Z掃描、4f系統(tǒng)相干成像 技術、馬赫-曾德爾干涉法、四波混頻、三次諧波非線性干涉法、橢圓偏振法 等。上述測量方法中的后三種光路比較復雜，而且在測量非線性折射效應的時 候無法區(qū)分材料三階極化率的實部和虛部；上述Z掃描技術光路簡單、靈敏度 高，是目前應用最為廣泛的一種測量技術，但是需要樣品在激光傳播方向上的 移動，需要激光多次激發(fā)，對薄膜和易損傷的材料不適用，由于需要多次激發(fā)， 在研究材料的光動力學方面無能為力；上述馬赫-曾德爾干涉技術具有單脈沖 測量、靈敏度高的優(yōu)點，但無法區(qū)別材料的非線性吸收、光路復雜、數(shù)據處理 復雜的缺點。在應用基于邁克爾遜干涉儀的4f相位相干成像裝置測量介質非線性折射 性質時，具有光路簡單、無須相位光闌、實驗數(shù)據處理簡單、對材料的非線性 相移的測量不受非線性吸收的影響、單脈沖測量的優(yōu)點，其在測量薄膜和易損 傷材料時的優(yōu)點也顯而易見，而且是研究材料的光動力學性質的有力手段，但 傳統(tǒng)的4f系統(tǒng)相干成像技術數(shù)據的處理較為麻煩、無法避免非線性吸收的影 響。馬赫-曾德爾干涉儀的方法最早是由Georges Boudebs等人于2000年提出 (G. Boudebs, M. Chis, and X. Nguye;n Phu, "Third-order susceptibility measurement by a new Mach—Zehnder interferometry technique", J. Opt. Soc. Am. B, 18(5), 623-627)。這個方法是利用在馬赫-曾德爾干涉儀一個臂中產生相位轉
換而使干涉條紋發(fā)生局部的形變，用CCD接收到形變的結果，然后做一次傅 立葉變換得到非線性相位轉換的函數(shù)分布。它同Z掃描方法一樣，也屬于光束 畸變測量，其基本原理是在馬赫-曾德爾干涉儀的一個臂上放置樣品，通過泵 浦的方法讓通過此樣品的單壁產生非線性相移，從而使千涉條紋產生局域的形 變，但是此方法由于產生形變的范圍太小，對噪聲和激光的穩(wěn)定性要求很高、 數(shù)據處理復雜且誤差較大。 發(fā)明內容本發(fā)明為解決傳統(tǒng)4f系統(tǒng)相干成像技術數(shù)據的處理較為麻煩、無法避免 非線性吸收，以及馬赫-曾德爾干涉法存在的形變的范圍較小，對噪聲和激光 的穩(wěn)定性要求較高、數(shù)據處理復雜且誤差較大的問題，提供一種基于邁克爾遜 干涉儀的4f相位相干成像裝置。本發(fā)明包含第一線性衰減片1、第一全反射鏡 2、第一孔徑光闌3、第二全反射鏡4、第二孔徑光闌5、第一分光鏡6、第一 凸透鏡8、第二凸透鏡10、第二線性衰減片ll、 CCD相機13和激光器21， 第一線性衰減片l、第一分光鏡6、第二孔徑光闌5和第二全反射鏡4都依次 設置在激光器21的發(fā)射端口上側的中心軸線上，第一線性衰減片1的透射光 的光軸軸線、第二孔徑光闌5的透光孔的中心軸線和第二全反射鏡4的中心軸 線都與激光器21的激光發(fā)射口上側的中心軸線相重合，第一分光鏡6下側入 射點的右側面與激光器21的激光發(fā)射口上側的中心軸線呈45°角，第二全反 射鏡4的反射面朝向激光器21的激光發(fā)射口，第二線性衰減片ll、第二凸透 鏡10、第一凸透鏡8、第一分光鏡6、第一孔徑光闌3和第一全反射鏡2都依 次設置在CCD相機13的圖像采集面左側的中心軸線上，第二線性衰減片11 的透射光的光軸軸線、第二凸透鏡10的透射光的光軸軸線、第一凸透鏡8的 透射光的光軸軸線、第一孔徑光闌3的透光孔的中心軸線和第一全反射鏡2 的中心軸線都與CCD相機13的圖像采集面左側的中心軸線相重合，第一分光 鏡6右側出射點的下側面與CCD相機13的圖像采集面左側的中心軸線呈45° 角，第一全反射鏡2的反射面朝向CCD相機13的圖像采集面，第一凸透鏡8 的一個，焦點和第二凸透鏡10的一個焦點在它們倆之間重合，第一孔徑光闌3 和第二'孔徑光闌5的半徑大小不相同。本發(fā)明的有益效果是 (1) 與傳統(tǒng)4f相干成像系統(tǒng)相比，本發(fā)明具有無需專門的相位光柵、不需 要測量材料的非線性吸收系數(shù)、只需確定干涉條紋的移動既可得到最大非線性 相移、數(shù)據處理簡單的特點；(2) 與馬赫-曾德干涉技術相比較，本發(fā)明具有光路簡單、數(shù)據處理容易、 對激光器的穩(wěn)定性要求較低、不受非線性吸收的影響的特點；(3) 同其它非線性光學測量技術(如Z掃描方法)相比，本發(fā)明具有單脈 沖測量、沒有樣品的移動、理論模型簡單的特點，其單脈沖測量的特點還可以 被用來測量材料的非線性折射率隨曝光時間變化的動態(tài)過程；(4) 本發(fā)明所述的測量裝置，可以廣泛應用于非線性光子學材料、非線性 光學信息處理和光子學器件等研究領域，尤其是非線性光功能材料的測試和改 性等關鍵環(huán)節(jié)，利用本發(fā)明裝置的測試結臬準確，測量非線性相移時排除了非 線性吸收的影響，另外本裝置對激光的質量和光路要求簡單，數(shù)據處理方便， 測試速度快捷。


圖1是本發(fā)明的整體結構示意圖；圖2是具體實施方式
一中CCD相機13 得到的非線性二維圖；圖3是CCD相機13得到的垂直于條紋方向的一維線性 圖和一維非線性圖；圖4是CCD相機13得到的平行于條紋方向的一維線性圖 和一維非線性圖；圖5是具體實施方式
二的結構示意圖；圖6是具體實施方式
三的結構示意圖。
具體實施方式
'' _具體實施方式
一參見圖1 圖4，本實施方式由第一線性衰減片l、第一 全反射鏡2、第一孔徑光闌3、第二全反射鏡4、第二孔徑光闌5、第一分光鏡 6、第一凸透鏡8、第二凸透鏡IO、第二線性衰減片ll、 CCD相機13和激光 器21組成，第一線性衰減片1、第一分光鏡6、第二孔徑光闌5和第二全反射 鏡4都依次設置在激光器21的發(fā)射端口上側的中心軸線上，第一線性衰減片 1的透射光的光軸軸線、第二孔徑光闌5的透光孔的中心軸線和第二全反射鏡 4的中心軸線都與激光器21的激光發(fā)射口上側的中心軸線相重合，第一分光 鏡6下側入射點的右側面與激光器21的激光發(fā)射口上側的中心軸線呈45。角， 第二全反射鏡4的反射面朝向激光器21的激光發(fā)射口，第二線性衰減片11、 第二凸透鏡IO、第一凸透鏡8、第一分光鏡6、第一孔徑光闌3和第一全反射 鏡2都依次設置在CCD相機13的圖像采集面左側的中心軸線上，第二線性衰 減片11的透射光的光軸軸線、第二凸透鏡10的透射光的光軸軸線、第一凸透 鏡8的透射光的光軸軸線、第一孔徑光闌3的透光孔的中心軸線和第一全反射 鏡2的中心軸線都與CCD相機13的圖像采集面左側的中心軸線相重合，.第一 分光鏡6右側出射點的下側面與CCD相機13的圖像采集面左側的中心軸線呈 45°角，第一全反射鏡2的反射面朝向CCD相機13的圖像采集面，第一凸透 鏡8的一個焦點和第二凸透鏡10的一個焦點在它們倆之間重合，第一孔徑光 闌3和第二孔徑光闌5的半徑大小不相同。在本實施例中，激光器21可采用Nd:YAG激光器(Ekspla,PL2143B)倍頻以 后的532nm激光，脈寬21ps; CCD相機13可采用德國Lavision公司生產的 Image QE，像素大小為6.4x6.4pm2，每個象素具有4095級灰度；待測樣品9 可選用CS2，使第一孔徑光闌3和第二孔徑光闌5的透光孔的半徑的比值為1:3， 第一孔徑光闌3的透光孔到第一凸透鏡18的光路行程和第二孔徑光闌5的透 光孔到第一凸透鏡8的光路行程都等于第一凸透鏡8的焦距，第一分光鏡6 的透射率和反射率都為50%。工作原理首先打開激光器21，由第一分光鏡6、第一全反射鏡2和第二 全反射鏡4形成邁克爾遜干涉系統(tǒng)，在第一全反射鏡2和第二全反射鏡4上分 別放置第一孔徑光闌3和第二孔徑光闌5，由于第一孔徑光闌3和第二孔徑光 闌5的孔徑大小不同，激光束被分成兩束top-hat光，然后經過第一凸透鏡8 形成傅立葉變換，在經過第二凸透鏡10形成傅立葉逆變換，調節(jié)第一全反射 鏡2和第二全反射鏡4使CCD相機13的圖像采集面上采集3到5個清晰的條 紋，并且用CCD相機13采集一個脈沖圖像，記為無樣品圖像；將待測物品9 放置在第一凸透鏡8和第二凸透鏡10之間重合的焦點上，用CCD相機13采 集一個脈沖圖像，記為線性圖像；拿掉第一線性衰減片1和第二線性衰減片 11，用CCD相機13采集一個非線性圖像；分別對線形圖像和無樣品圖像進行 積分，得到透過樣品后的線性脈沖的能量和入射脈沖的總能量，兩者的比值就 是該待測樣品9的線性透過率；將非線性圖像和線性圖像進行對比，計算出條 紋移動距離，然后根據條紋移動距離計算出待測樣品9處產生的非線性相移。量的計算方法如下 第一孔徑光闌3和第二孔徑光闌5的平面處的電場分布為他力、"0c,力；則頻譜面的電場分布為S(",v)^尸(Q(x,力+ 02(x，力) 此時待測樣品9的透過率為T(u,v) = rO,v)exp(7^旭(",力)其中r(",v)只影響像平面的電場強度分布，而 ^(",v)既影響像平面的強度分布，又影響像平面的相位分布，而像平面的條紋移動只與電場的相位分布有 關，對于單光束來講像平面中心處的電場相位與入射面的電場相位分布相比，其增加量與樣品處的最大非線性線相移成正比，比值為0.5。當?shù)谝豢讖焦怅@ 3和第二孔徑光闌5的透光孔的半徑大小差別為1:3時，由于在頻譜面出的埃 里斑大小與孔徑大小成反比，小孔徑的單束光產生的非線性效應相對于大孔徑 產生的非線性效應可以忽略，因此通過計算條紋移動便可以計算得到樣品處的 非線性相移。由圖3和圖4中的條紋移動情況計算可得到條紋移動大約為0.12 個條紋，由于待測物品9的非線性吸收比較小，因此可以得到樣品處的非線性相移，經過校準能量還可以得到樣品的三階非線性折射系數(shù)I12，經過計算得到n2的值為2.8±0.2m2/W，這個結果跟以前的各種方法所測得的結果相吻合。.具體實施方式
二參見圖5，本實施方式在具體實施方式
一的基礎上增加 了第三凸透鏡19和第四凸透鏡20，第三凸透鏡19、第一線性衰減片1和第四 凸透鏡20都依次設置在激光器21和第一分光鏡6之間的光路上，第三凸透鏡 19的透射光的光軸軸線和第四凸透鏡20的透射光的光軸軸線都與激光器21 的激光發(fā)射口的中心軸線相重合，所述第三凸透鏡19的焦距小于第四凸透鏡 20的焦距9第三凸透鏡19和第四凸透鏡20組成擴束系統(tǒng)，使第三凸透鏡19 的一個焦點和第四凸透鏡20的一個焦點在它們之間重合，擴束系統(tǒng)可以使激 光器21射出的激光束準直擴束，在第一全反射鏡2和第二全反射鏡4的調整 過程中，保持激光束在可接收到的范圍內。
具體實施方式
三參見圖6，本實施方式在具體實施方式
一的基礎上增加 了第二分光鏡7、第三分光鏡12、第五凸透鏡14、第三全反射鏡15和第四全 反射鏡18，第二分光鏡7設置在第一分光鏡6和第一凸透鏡8之間的光路上， 第三分光鏡12設置在第二線性衰減片11和CCD相機13之間的光路上，第二 分光鏡7與第一分光鏡6相互平行設置，第三分光鏡12與第二分光鏡7之間 的夾角為90°，第三全反射鏡15設置在第二分光鏡7的反射光的光路上，第 三全反射鏡15的反射面朝向右側并與第二分光鏡7的出射光的中心軸線呈45° 角，第五凸透鏡14和第四全反射鏡18都依次設置在第三全反射鏡15的反射 光的光路上，第五凸透鏡14的透射光的光軸軸線和第四全反射鏡18的入射光 的光軸軸線都與第三全反射鏡15的出射光的光軸軸線相重合，第四全反射鏡 18的出射光的光軸軸線與第三分光鏡12的入射光的光軸軸線相重合。第五凸 透鏡14、第三全反射鏡15、第四全反射鏡18、第二分光鏡7和第三分光鏡12 組成了分束系統(tǒng)，可選第五凸透鏡14的焦距小于第一凸透鏡8和第二凸透鏡 10的焦距，第二分光鏡7的透射率大于反射率，第三分光鏡12的反射率大于 透射率。利用透鏡成像作為參考光路，不僅可以用來校準能量，更重要的是可 以校準條紋位置，從而大大降低了對激光器21的穩(wěn)定性的要求。
權利要求
1、基于邁克爾遜干涉儀的4f相位相干成像裝置，其特征在于它包含第一線性衰減片(1)、第一全反射鏡(2)、第一孔徑光闌(3)、第二全反射鏡(4)、第二孔徑光闌(5)、第一分光鏡(6)、第一凸透鏡(8)、第二凸透鏡(10)、第二線性衰減片(11)、CCD相機(13)和激光器(21)，第一線性衰減片(1)、第一分光鏡(6)、第二孔徑光闌(5)和第二全反射鏡(4)都依次設置在激光器(21)的發(fā)射端口上側的中心軸線上，第一線性衰減片(1)的透射光的光軸軸線、第二孔徑光闌(5)的透光孔的中心軸線和第二全反射鏡(4)的中心軸線都與激光器(21)的激光發(fā)射口上側的中心軸線相重合，第一分光鏡(6)下側入射點的右側面與激光器(21)的激光發(fā)射口上側的中心軸線呈45°角，第二全反射鏡(4)的反射面朝向激光器(21)的激光發(fā)射口，第二線性衰減片(11)、第二凸透鏡(10)、第一凸透鏡(8)、第一分光鏡(6)、第一孔徑光闌(3)和第一全反射鏡(2)都依次設置在CCD相機(13)的圖像采集面左側的中心軸線上，第二線性衰減片(11)的透射光的光軸軸線、第二凸透鏡(10)的透射光的光軸軸線、第一凸透鏡(8)的透射光的光軸軸線、第一孔徑光闌(3)的透光孔的中心軸線和第一全反射鏡(2)的中心軸線都與CCD相機(13)的圖像采集面左側的中心軸線相重合，第一分光鏡(6)右側出射點的下側面與CCD相機(13)的圖像采集面左側的中心軸線呈45°角，第一全反射鏡(2)的反射面朝向CCD相機(13)的圖像采集面，第一凸透鏡(8)的一個焦點和第二凸透鏡(10)的一個焦點在它們倆之間重合，第一孔徑光闌(3)和第二孔徑光闌(5)的半徑大小不相同。
2、 根據權利要求1所述的基于邁克爾遜干涉儀的4f相位相干成像裝置， 其特征在于它增加了第三凸透鏡(19)和第四凸透鏡(20)，第三凸透鏡(19)、第一 線性衰減片(1)和第四凸透鏡(20)都依次設置在激光器(21)和第一分光鏡(6)之 間的光路上，第三凸透鏡(19)的透射光的光軸軸線和第四凸透鏡(20)的透射光 的光軸軸線都與激光器(21)的激光發(fā)射口的中心軸線相重合，所述第三凸透鏡 (19)的焦距小于第四凸透鏡(20)的焦距。
3、 根據權利要求2所述的基于邁克爾遜干涉儀的4f相位相干成像裝置， 其特征在于所述第三凸透鏡(19)的一個焦點和第四凸透鏡(20)的一個焦點在它 們倆之間重合。
4、 根據權利要求1所述的基于邁克爾遜干涉儀的4f相位相干成像裝置， 其特征在于它增加了第二分光鏡(7)、第三分光鏡(12)、第五凸透鏡(14)、第三 全反射鏡(15)和第四全反射鏡(18)，第二分光鏡(7)設置在第一分光鏡(6)和第一 凸透鏡(8)之間的光路上，第三分光鏡(12)設置在第二線性衰減片(11)和CCD相 機(13)之間的光路上，第二分光鏡(7)與第一分光鏡(6)相互平行設置，第三分光 鏡(12)與第二分光鏡(7)之間的夾角為90°，第三全反射鏡(15)設置在第二分光 鏡(7)的反射光的光路上，第三全反射鏡(15)的反射面朝向右側并與第二分光鏡 (7)的出射光的中心軸線呈45°角，第五凸透鏡(14)和第四全反射鏡(18)都依次 設置在第三全反射鏡(15)的反射光的光路上，第五凸透鏡(14)的透射光的光軸 軸線和第四全反射鏡(18)的入射光的光軸軸線都與第三全反射銜15)的出射光 的光軸軸線相重合，第四全反射鏡(18)的出射光的光軸軸線與第三分光鏡(12) 的入射光的光軸軸線相重合。
5、 根據權利要求4所述的基于邁克爾遜干涉儀的4f相位相干成像裝置， 其特征在于所述第五凸透鏡(14)的焦距小于第一凸透鏡(8)和第二凸透鏡(10)的 焦距。
6、 根據權利要求4所述的基于邁克爾遜干涉儀的4f相位相干成像裝置， 其特征在于所述第二分光鏡(7)的透射率大于反射率，所述第三分光鏡(12)的反 射率大于透射率。
7、 根據權利要求1所述的基于邁克爾遜干涉儀的4f相位相干成像裝置， 其特征在于第一孔徑光闌(3)和第二孔徑光闌(5)的透光孔的半徑的比值為1:3。
8、 根據權利要求1所述的基于邁克爾遜干涉儀的4f相位相干成像裝置， 其特征在于第一孔徑光闌(3)的透光孔到第一凸透鏡(8)的光路行程和第二孔徑 光闌(5)的透光孔到第一凸透鏡(8)的光路行程都等于第一凸透鏡(8)的焦距。
9、 根據權利要求1所述的基于邁克爾遜干涉儀的4f相位相干成像裝置， 其特征在于所述第一分光鏡(6)的透射率和反射率都為50%。
全文摘要
基于邁克爾遜干涉儀的4f相位相干成像裝置，它是一種用于測量非線性光子學介質的三階非線性折射率的裝置，以解決傳統(tǒng)4f系統(tǒng)相干成像技術數(shù)據的處理較為麻煩、無法避免非線性吸收，以及馬赫-曾德爾干涉法存在的形變的范圍較小，對穩(wěn)定性的要求較高、數(shù)據處理復雜且誤差較大的問題。本發(fā)明的第一線性衰減片、第一分光鏡、第二孔徑光闌和第二全反射鏡都依次設置在激光器發(fā)射口的中心軸線上，第一分光鏡下側入射點的右側面與激光器發(fā)射口的中心軸線呈45°角，第二線性衰減片、第二凸透鏡、第一凸透鏡、第一分光鏡、第一孔徑光闌和第一全反射鏡都依次設置在CCD相機的圖像采集面的中心軸線上，第一分光鏡右側出射點的下側面與圖像采集面的中心軸線呈45°角。
文檔編號G01N21/45GK101149343SQ200710144598
公開日2008年3月26日 申請日期2007年11月14日 優(yōu)先權日2007年11月14日
發(fā)明者宋瑛林, 張學如, 李云波, 昆 楊, 潘廣飛, 王玉曉 申請人:哈爾濱工業(yè)大學