本發(fā)明涉一種空間相位檢測和相位變化過程動態(tài)演示裝置，特別涉及一種精準檢測可見光空間相位的裝置。

背景技術：

隨著近幾十年科學和技術的迅速發(fā)展，空間相位檢測以其廣泛的應用前景，已成為國際上物理領域的一個重要研究課題?？臻g相位對于一個波來說，是指在循環(huán)中特定時刻的位置，即該空間位置是否在波峰、波谷或它們之間的某點的標度。目前，主要的應用前景有利用太赫茲相位變化來測試太赫茲橫波和縱波相位動態(tài)變化，基于太赫茲相位變化來檢測物體的精細結構，利用古依相移進行干涉測量，基于單循環(huán)太赫茲脈沖的相位變化直接觀察古依相移現象等。隨著空間相位檢測在各個領域中的應用日益增加，科技的發(fā)展對空間相位檢測精度的要求越來越高。

MCP（Microchannel Plate即Burle BiPolar TOF Detector）探測器是一種大面陣和高空間分辨的電子倍增探測器，具備非常高的時間分辨率。MCP以玻璃薄片為基片，在基片上以六角形周期排布著孔徑為數微米到十幾微米的微孔。一塊MCP上約有上百萬微通道，二次電子可以在通道壁上碰撞倍增放大，工作原理與光電倍增管相似，即由光束落在陰極上產生光電子并通過級聯放大激發(fā)出更多的光電子。該探測器靈敏度高、響應快，廣泛應用于各科研領域，例如在光學探測儀中，可用于極微弱光強度的探測。

1890年，法國物理學家 Louis Georges Gouy發(fā)現通過焦點的電磁波將獲得一個額外的軸向正負180°相移，并將這一相移命名為古依相移。古依相移對整個電磁波譜有著重要的影響，它不僅可以減少聚焦光束諧波畸變的概率、可以用來解釋不同橫向模式下的共振頻率差異、還可以使得真空中的相速度超過一個平面光波。如果能夠在可見光波段直接精確地觀測古依相移空間相位動態(tài)變化的全過程，將對整個電磁波譜帶來不可估量的應用價值。

到目前為止，已有的相位檢測技術方法大多只局限于某一中心頻率的非可見光波段，并且檢測精度不高。目前還沒有簡潔的實驗裝置用于直接觀測可見光的古依相移以及精準檢測可見光空間相位?；贛CP探測器的優(yōu)點和古依相移在可見光波段的應用需求以及目前實驗上的種種局限性。因此，需要一種精準檢測可見光空間相位的裝置和方法，結合MCP探測器技術，可直接觀測可見光的古依相移動態(tài)變化全過程，實現了精準檢測可見光空間相位的功能。

技術實現要素：

本發(fā)明是針對目前已有的相位檢測技術方法大多只局限于某一中心頻率的非可見光波段，檢測精度不高，并且還沒有簡潔的實驗裝置用于直接觀測可見光空間相位動態(tài)變化等問題，提出了一種精準檢測可見光空間相位的裝置。

本發(fā)明的技術方案為：一種精準檢測可見光空間相位的裝置，包括待測可見光光源、反射鏡、1/2波片、電動旋轉底座、拋物面鏡、光收集盒、可調節(jié)狹縫、一維步進電機、MCP探測器和計算機，所述1/2波片安裝在電動旋轉底座上，可隨電動旋轉底座旋轉角度；可調節(jié)狹縫固定在一維步進電機上，可隨一維步進電機左右移動；所述電動旋轉底座通過連接線連接計算機，用計算機精確控制1/2波片的旋轉角度，計算機通過連接線連接MCP探測器，用于MCP探測器的數據存儲及空間相位圖像處理；所述待測可見光光源發(fā)出的光脈沖經過反射鏡，再經過 1/2 波片達到拋物面鏡，經過拋物面鏡聚焦，使電離焦點附近的空氣介質形成等離子體拉絲，再由光收集盒收集等離子體拉絲后的發(fā)散光；在等離子體拉絲一側相應的位置安放可調節(jié)狹縫和MCP探測器；電離過程中產生的部分電子從可調節(jié)狹縫的縫隙中逸出，可調節(jié)狹縫的縫隙用來限定電子從等離子體拉絲周圍逸出的范圍，MCP探測器放在可調節(jié)狹縫的縫隙之后，用來收集和探測逸出的電子，并經過處理得到等離子體拉絲不同空間位置處的電場強度分布；當1/2波片的角度是0°時，MCP探測器探測到等離子體拉絲其中一側的電場強度分布；當計算機控制電動旋轉底座將1/2波片旋轉180°時，所述MCP探測器探測到等離子體拉絲另一側的電場強度分布；將等離子體拉絲兩側的電場強度分布作差值求解，得到可調節(jié)狹縫縫隙對應處的可見光空間相位。

所述可調節(jié)狹縫的位置通過一維步進電機調節(jié)改變，用于得到不同空間位置處的可見光空間相位，通過控制一維步進電機的移動步長，實現精準的檢測可見光空間相位。

所述反射鏡為與所用待測可見光光源相匹配的高效反射鏡，所用拋物面鏡為鍍金或者鍍銀離軸拋物面鏡，所述待測可見光光源為可見光波段光源。

所述光收集盒用于阻擋等離子體拉絲后發(fā)散的光束，保護實驗者不受發(fā)散光的傷害。

本發(fā)明的有益效果在于：

待測可見光光源經過反射鏡和1/2波片后，經過拋物面鏡聚焦，電離焦點附近的空氣介質形成等離子體拉絲，在等離子體拉絲一側相應的位置安放可調節(jié)狹縫和MCP探測器。電離過程中產生的部分電子可以從可調節(jié)狹縫的縫隙中逸出，狹縫的縫隙用來限定電子從等離子體拉絲周圍逸出的范圍。MCP探測器放在可調節(jié)狹縫的縫隙之后，用來收集和探測逸出的電子，經過一定的處理可得到等離子體拉絲不同空間位置處的電場強度分布。當1/2波片的角度是0°時，MCP探測器探測到的是等離子體拉絲其中一側的電場強度分布；控制計算機調節(jié)電動旋轉底座將1/2波片旋轉180°，此時MCP探測器探測到的是等離子體拉絲另一側的電場強度分布；根據MCP探測器的探測原理，將兩側的電場強度分布作差值求解，就能夠得到縫隙對應處的可見光空間相位。改變可調節(jié)狹縫相對等離子體拉絲的位置，就能得到不同空間位置處的可見光空間相位。根據可見光空間相位精準檢測需要的精度，控制一維步進電機的移動步長，從而實現精準檢測可見光空間相位的功能。該裝置簡單易操作，應用范圍廣。

本發(fā)明的精準檢測可見光空間相位的裝置，裝置簡單易操作，應用范圍廣。在實際操作過程中，只需要通過電腦控制安裝在電動旋轉底座上的1/2波片的旋轉角度，以及移動固定在一維步進電機上的可調節(jié)狹縫控制可調節(jié)狹縫的狹縫大小，根據MCP 探測器測得的電場強度分布作差值計算，就能夠得出不同空間位置處的可見光空間相位，實現精準的檢測可見光空間相位。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的精準檢測可見光空間相位的裝置結構示意圖；

圖2為本發(fā)明的精準檢測可見光空間相位的主要部分測試示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明的精準檢測可見光空間相位的裝置，包括待測可見光光源1、反射鏡2、1/2波片3、電動旋轉底座4、拋物面鏡5、光收集盒7、可調節(jié)狹縫8、一維步進電機9、微通道板（MCP）探測器10、第一連接線11、第二連接線12和計算機13；在實驗過程中會產生等離子體拉絲6。1/2波片3安裝在電動旋轉底座4上，可隨電動旋轉底座4旋轉角度；可調節(jié)狹縫8固定在一維步進電機9上，可隨一維步進電機9左右移動；第一連接線11連接電動旋轉底座4和計算機13，第二連接線12用來連接MCP探測器10和計算機13，計算機13可以精確控制1/2波片3的旋轉角度和MCP探測器10的數據存儲及空間相位圖像處理。

待測可見光光源1發(fā)出的光脈沖經過反射鏡2，再經過 1/2 波片3達到拋物面鏡5，經過拋物面鏡5聚焦，電離焦點附近的空氣介質形成等離子體拉絲6，再由光收集盒7收集等離子體拉絲6后的發(fā)散光。等離子體拉絲6具有一定的長度，在等離子體拉絲6一側相應的位置安放可調節(jié)狹縫8和MCP探測器10。電離過程中產生的部分電子可以從可調節(jié)狹縫8的縫隙中逸出，可調節(jié)狹縫8的縫隙用來限定電子從等離子體拉絲6周圍逸出的范圍。MCP探測器10放在可調節(jié)狹縫8的縫隙之后，用來收集和探測逸出的電子，經過一定的處理可得到等離子體拉絲6不同空間位置處的電場強度分布。調節(jié)可調節(jié)狹縫8的位置時，MCP探測器10的位置也需要根據可調節(jié)狹縫8的移動做出相應的調整，以便盡可能接收到全部逸出的電子。當1/2波片3的角度是0°時，MCP探測器10探測到的是等離子體拉絲6其中一側的電場強度分布；控制計算機13調節(jié)電動旋轉底座4將1/2波片3旋轉180°，此時MCP探測器10探測到的就是等離子體拉絲6另一側的電場強度分布；根據MCP探測器10的探測原理，將兩側的電場強度分布作差值求解，就能夠得到可調節(jié)狹縫8縫隙對應處的可見光空間相位。調節(jié)一維步進電機9改變可調節(jié)狹縫8的位置，可以得到不同空間位置處的可見光空間相位，可以驗證古依相移理論，還可以在可見光波段直接精準地觀測到古依相移相位動態(tài)變化的全過程，實現檢測可見光空間相位的功能。根據可見光空間相位精準檢測需要的精度，控制一維步進電機9的移動步長，從而實現精準的檢測可見光空間相位。

初始的待測可見光光源1是可見光波段的光脈沖。用精準檢測可見光空間相位的裝置和方法觀測古依相移時，需要注意的是不同光譜成分有不同空間尺度上的古依相移，比如藍顏色的光譜比紅色光譜的相變更陡。這種精準檢測可見光空間相位的裝置和方法可以根據需要和環(huán)境選擇不同的待測可見光光源1，同時反射鏡2、1/2波片3、電動旋轉底座4、拋物面鏡5、光收集盒7、可調節(jié)狹縫8、一維步進電機9、MCP探測10、第一連接線11、第二連接線12以及計算機13也需要和所選待測可見光光源1相匹配。

圖2為本發(fā)明實現精準檢測可見光空間相位的主要部分測試示意圖，包括等離子體拉絲6、可調節(jié)狹縫8和一維步進電機9。圖中表示可調節(jié)狹縫8可以通過調節(jié)一維步進電機9從等離子體6的左邊移動到右邊。改變可調節(jié)狹縫8的位置，可以檢測到等離子體拉絲6不同空間位置處的可見光空間相位。左邊和右邊可調節(jié)狹縫8上面的波形分別是通過MCP探測器10測出的左邊和右邊可調節(jié)狹縫8的縫隙所在位置處的可見光空間相位，從圖2中可以發(fā)現，兩個可見光空間相位圖的相位差正好是180°。在測試過程中調整可調節(jié)狹縫8的位置可以發(fā)現，等離子體拉絲6中心對稱一定距離的可見光空間相位變化正好為180°，驗證且直觀檢測了古依相移理論，即通過焦點的電磁波將獲得一個額外的軸向正負180°相移。不同的光譜成分對應不同空間尺度上的古依相移，因此檢測可見光空間相位時需要根據不同的待測可見光光源1選擇不同的測量距離。

在下面的實施例中，以輸出中心波長為800 nm的激光器為例，其他可見光波段與該波段的實施方法一致。

激光器輸出光中心波長為800 nm，脈沖寬度130 fs,重復頻率1 KHz，以800 nm 可見光為例，具體實現可見光空間相位的精準檢測過程如下：如圖1所示，由飛秒激光器1輸出的初始激光脈沖，經過 1/2 波片3到達拋物面鏡5，經拋物面鏡5聚焦，電離焦點附近的空氣介質形成等離子體拉絲6，再由光收集盒7收集等離子體拉絲6后的發(fā)散光。等離子體拉絲6具有一定的長度，在等離子體拉絲6一側相應的位置安放可調節(jié)狹縫8和MCP探測器10。電離過程中產生的部分電子可以從可調節(jié)狹縫8的縫隙中逸出，可調節(jié)狹縫8的縫隙用來限定電子從等離子體拉絲6周圍逸出的范圍。MCP探測器10放在可調節(jié)狹縫8的縫隙之后，用來收集和探測逸出的電子，經過一定的處理可得到等離子體拉絲6不同空間位置處的電場強度分布。1/2波片3安裝在電動旋轉底座4上，可隨電動旋轉底座4旋轉角度；可調節(jié)狹縫8固定在一維步進電機9上，可隨一維步進電機9左右移動；第一連接線11連接電動旋轉底座4和計算機13，第二連接線12連接MCP探測器10和計算機13，計算機13可以精確控制1/2波片3的旋轉角度和MCP探測器10的數據存儲及空間相位圖像處理。調節(jié)可調節(jié)狹縫8的位置時，MCP探測器10的位置也需要根據可調節(jié)狹縫8的移動做出相應的調整，以便盡可能接收到全部逸出的電子。當1/2波片3的角度是0°時，MCP探測器10探測到的是等離子體拉絲6其中一側的電場強度分布；控制計算機13調節(jié)電動旋轉底座4將1/2波片3旋轉180°，此時MCP探測器10探測到的就是等離子體拉絲6另一側的電場強度分布；根據MCP探測器10的探測原理，將兩側的電場強度分布作差值求解，就能夠得到可調節(jié)狹縫8的縫隙對應處的可見光空間相位。如圖2所示，可調節(jié)狹縫8可以通過調節(jié)一維步進電機9從等離子體拉絲6的左邊移動到右邊。改變可調節(jié)狹縫8的位置，可以檢測到等離子體拉絲6不同空間位置處的可見光空間相位。左邊和右邊可調節(jié)狹縫8上面的波形分別是通過MCP探測器10測出的左邊和右邊可調節(jié)狹縫8的縫隙所在位置處的可見光空間相位，從圖2中可以發(fā)現，兩個可見光空間相位圖的相位差正好是180°。在實驗過程中調整可調節(jié)狹縫8的位置可以發(fā)現，等離子體拉絲6中心對稱一定距離的可見光空間相位變化正好為180°，驗證且直觀檢測了古依相移理論，即通過焦點的電磁波將獲得一個額外的軸向正負180°相移。不同的光譜成分對應不同空間尺度上的古依相移，因此檢測可見光空間相位時需要根據不同的待測可見光光源1選擇不同的測量距離。調節(jié)一維步進電機9改變可調節(jié)狹縫8的位置，可以得到不同空間位置處的可見光空間相位，可以驗證古依相移理論，還可以在可見光波段直接精準地觀測到古依相移相位動態(tài)變化的全過程，實現檢測可見光空間相位的功能。根據可見光空間相位精準檢測需要的精度，控制一維步進電機9的移動步長，從而實現精準的檢測可見光空間相位。