本發(fā)明涉及高靈敏度的超快光學(xué)探測(cè)以及新型磁性薄膜材料生長(zhǎng)，具體是一種基于磁光科爾/法拉第效應(yīng)的超快光學(xué)門控成像系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

超快光學(xué)成像技術(shù)是混濁介質(zhì)中物體成像的重要課題：混濁介質(zhì)中的成像技術(shù)不僅在生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)檢測(cè)起到作用，而且在國(guó)防安全等其他科學(xué)研究方面也有著十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

在此之前相關(guān)的技術(shù)研究有：電光科爾門超快光學(xué)成像技術(shù)是基于非線性晶體的電光科爾效應(yīng)，具體是建立在泵浦-探測(cè)科爾門技術(shù)上，從而實(shí)現(xiàn)混濁介質(zhì)中的物體成像。超快短脈沖Probe光經(jīng)過(guò)混濁介質(zhì)以后在時(shí)域上被展寬，展寬后的光脈沖分為三部分：彈道光、蛇形光和漫射光,其中彈道光出現(xiàn)在脈沖的最前沿。蛇形光和漫射光由于散射則需要經(jīng)歷迂回的路徑才可以經(jīng)過(guò)介質(zhì)。

對(duì)于介質(zhì)散射造成的光脈沖展寬，電光科爾門技術(shù)采用高能量密度的Pump光誘導(dǎo)激發(fā)門控，實(shí)時(shí)控制Probe光在時(shí)域上透射/反射超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程，從而對(duì)彈道光部分進(jìn)行選擇性探測(cè)，以實(shí)現(xiàn)混濁介質(zhì)中的物體成像。

上述電光科爾門技術(shù)，所使用非線性科爾晶體通常包括熔融石英，二硫化碳，碲化玻璃等科爾常數(shù)大的晶體。用來(lái)誘導(dǎo)激發(fā)晶體的激光脈沖能量密度普遍要求達(dá)到數(shù)100mJ/cm²。為了產(chǎn)生如此高強(qiáng)度的激光脈沖，實(shí)驗(yàn)室往往利用飛秒激光器（比如鈦寶石激光器）產(chǎn)生飛秒脈沖種子光，誘導(dǎo)再生放大器將多個(gè)光脈沖能量壓縮至單個(gè)脈沖，從而實(shí)現(xiàn)脈沖能量的放大。如此龐大的光學(xué)放大系統(tǒng)不利于在實(shí)際應(yīng)用中推廣超快電光科爾門技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明技術(shù)的目的是建立一種新的低光功率密度激發(fā)，具有飛秒時(shí)間尺度的光學(xué)門控，能夠使超快光學(xué)門控成像技術(shù)更加有利于在實(shí)際應(yīng)用中推廣。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于磁光科爾效應(yīng)的超快光學(xué)門控成像系統(tǒng)，采用泵浦-探測(cè)（Pump-Probe）工作模式，激光器產(chǎn)生的飛秒脈沖經(jīng)分束器BS1分為反射部分Probe光和透射部分Pump光；

所述Probe光經(jīng)過(guò)散射介質(zhì)展寬，展寬的Probe光經(jīng)過(guò)起偏器P3、透鏡L1聚焦到位于焦平面處的磁性薄膜，Probe光經(jīng)磁性薄膜反射再次經(jīng)過(guò)透鏡L1準(zhǔn)直進(jìn)入檢偏器P4，Probe出射光經(jīng)由透鏡L2匯聚到CCD探測(cè)器上進(jìn)行成像；

所述Pump光經(jīng)過(guò)線性位移平臺(tái)D1后，由分束器BS2分別兩束相同脈沖，分別記為Pump1和Pump2；所述Pump1依次經(jīng)過(guò)偏振器P1和零級(jí)1/4波片Q1后，由透鏡L1聚焦到磁性薄膜上，并與Probe光在空間上重合；所述Pump2依次經(jīng)過(guò)線性位移平臺(tái)D2、偏振器P/2和零級(jí)1/4波片Q2后，由透鏡L1聚焦到磁性薄膜上，并與Probe光在空間上重合。

一種基于磁光法拉第效應(yīng)的超快光學(xué)門控成像系統(tǒng)，包括激光器，所述激光器產(chǎn)生的飛秒脈沖經(jīng)分束器BS1分為反射部分Probe光和透射部分Pump光；

所述Probe光經(jīng)過(guò)散射介質(zhì)展寬，展寬的Probe光經(jīng)過(guò)起偏器P3′、透鏡L1′聚焦到位于焦平面處的磁性薄膜，Probe光經(jīng)磁性薄膜透射后經(jīng)過(guò)透鏡L3準(zhǔn)直進(jìn)入檢偏器P4′，Probe出射光經(jīng)由透鏡L2′匯聚到CCD探測(cè)器上進(jìn)行成像；

所述Pump光經(jīng)過(guò)線性位移平臺(tái)D1后，由分束器BS2分別兩束相同脈沖，分別記為Pump1和Pump2；所述Pump1依次經(jīng)過(guò)偏振器P1和零級(jí)1/4波片Q1后，由透鏡L1′聚焦到磁性薄膜上，并與Probe光在空間上重合；所述Pump2依次經(jīng)過(guò)線性位移平臺(tái)D2、偏振器P/2和零級(jí)1/4波片Q2后，由透鏡L1′聚焦到磁性薄膜上，并與Probe光在空間上重合。

本系統(tǒng)是基于磁光科爾/法拉第效應(yīng)建立的一種新型的超快光學(xué)門控成像技術(shù)。采用超快泵浦-探測(cè)技術(shù)，利用兩束低能量密度且螺旋性正交的圓偏振態(tài)Pump光控制磁性薄膜的磁化方向，設(shè)置門控的“開(kāi)”和“關(guān)”狀態(tài)，從而對(duì)反射/透射彈道光脈沖的選擇性測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)混濁介質(zhì)中的物體成像。

系統(tǒng)中使用一種新型磁性薄膜材料，其磁化方向可以由光的螺旋性進(jìn)行控制，如C-H.Lambert實(shí)驗(yàn)小組研究的磁性薄膜材料。在2014年，該小組在Co/Pt納米薄膜和FePtAgC納米顆粒樣品中首次觀察到了光的螺旋度對(duì)磁性薄膜的磁化翻轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)是基于磁光效應(yīng)提出的一種新型的超快光學(xué)門控成像技術(shù)，在探測(cè)光反射條件下是超快科爾門控成像，在透射條件下則是超快法拉第門控成像。采用螺旋性相互正交的圓偏振光來(lái)激發(fā)磁性薄膜，從而設(shè)計(jì)和控制薄膜的磁化方向，以實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)過(guò)磁性薄膜反射/透射后探測(cè)光偏振態(tài)的超快旋轉(zhuǎn)控制。在此項(xiàng)技術(shù)中，誘導(dǎo)超快磁動(dòng)力學(xué)過(guò)程中所需要的光功率密度可降至0.1mJ/cm²數(shù)量級(jí)，這會(huì)極大降低熱效應(yīng)對(duì)磁化強(qiáng)度的影響，縮短自旋弛豫時(shí)間，從而加快磁性翻轉(zhuǎn)速率。

本發(fā)明技術(shù)所建立的超快門控探測(cè)部分依次由起偏器、磁性薄膜、檢偏器組成。在無(wú)Pump光激發(fā)的條件下，磁性薄膜處于熱平衡態(tài)，Probe光的入射偏振態(tài)由起偏器設(shè)定，通過(guò)調(diào)節(jié)相位補(bǔ)償器和檢偏器使反射/透射的Probe光全部“關(guān)”住。為了讓部分Probe光可以通過(guò)檢偏器，實(shí)現(xiàn)Probe在時(shí)域上的選擇性成像，設(shè)計(jì)利用第一束圓偏振光Pump1激發(fā)磁性薄膜；不失一般性，Pump1光的螺旋性為左旋圓偏振態(tài)。在Pump1光的激發(fā)下，薄膜的磁化方向發(fā)生超快翻轉(zhuǎn)，這時(shí)Probe出射光的線偏振態(tài)不再與檢偏器完全正交，從而有部分光通過(guò)檢偏器至CCD。為了精確選定時(shí)間長(zhǎng)度極短的彈道光部分，設(shè)計(jì)利用螺旋性相反的第二束右旋圓偏振Pump2光迅速將磁化方向再次超快翻轉(zhuǎn)，從而又將Probe光“關(guān)”住。通過(guò)改變兩束Pump光的之間的時(shí)間間隔Tg，就可以任意控制磁光科爾門/法拉第門的時(shí)間長(zhǎng)短。選用的光脈沖寬度和線性位移平臺(tái)的精度都在飛秒時(shí)間尺度，在低光功率密度激發(fā)下，磁性翻轉(zhuǎn)有望在亞皮秒量級(jí)時(shí)間尺度實(shí)現(xiàn)，從而建立一個(gè)飛秒尺度的超快門控?；诖隧?xiàng)門控技術(shù)，可以實(shí)時(shí)控制Probe光在時(shí)域上的超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程，選擇性對(duì)彈道光脈沖部分進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)混濁介質(zhì)中物體成像。

上述的Probe光、Pump1光，Pump2光均為飛秒脈沖激光。

上述的Pump和Probe光均由同一臺(tái)飛秒激光器產(chǎn)生。實(shí)際操作中也可以采用雙色光，即Pump和Probe光分別來(lái)自于互相同步的兩臺(tái)飛秒激光器，可以是不同的波長(zhǎng)。

本發(fā)明的超快科爾/法拉第門與電光科爾門相比有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、低光功率密度Pump光激發(fā)的超快磁光光學(xué)門控，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)面向?qū)嶋H應(yīng)用的高散射介質(zhì)成像。

2、選用的磁性薄膜材料的磁化方向可被螺旋性不同的圓偏振光進(jìn)行超快調(diào)控，比如類似于C-H.Lambert等所研究的磁性材料，低光功率激發(fā)有可能消除熱效應(yīng)對(duì)自旋系統(tǒng)的影響，使其磁化方向的翻轉(zhuǎn)時(shí)間尺度可以達(dá)到亞皮秒數(shù)量級(jí)。

3、選用具有時(shí)延的兩束Pump光相繼激發(fā)誘導(dǎo)磁性薄膜，實(shí)時(shí)控制磁性薄膜的磁化方向，從而設(shè)置門控的“開(kāi)關(guān)”。通過(guò)改變兩束Pump光的之間的時(shí)間間隔Tg，就可以任意控制磁光科爾門/法拉第門的時(shí)間長(zhǎng)短。

4、所建立的基于磁光科爾/法拉第效應(yīng)的超快光學(xué)門控。兩束Pump光分別為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，其時(shí)間間隔Tg即門“開(kāi)”的時(shí)間長(zhǎng)度，這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度取決于兩束Pump光的相對(duì)時(shí)延，實(shí)驗(yàn)中時(shí)間延遲精度可控制到飛秒量級(jí)，所以可以建立一個(gè)飛秒尺度的超快門控。

本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，基于泵浦-探測(cè)（Pump-Probe）超快光學(xué)技術(shù)，采用泵浦光的偏振態(tài)來(lái)控制磁性薄膜的磁化方向，利用磁光旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)光線性偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)的控制；進(jìn)一步，通過(guò)設(shè)計(jì)兩束泵浦光的時(shí)間間隔以及偏振態(tài)，對(duì)磁性薄膜的磁化方向進(jìn)行超快控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)光時(shí)間窗口可調(diào)控的超快測(cè)量。這種新型磁光門控技術(shù)能選擇性的對(duì)彈道光進(jìn)行超快測(cè)量，可以有效實(shí)現(xiàn)混濁介質(zhì)中的物體成像。

附圖說(shuō)明

圖1表示基于磁光科爾效應(yīng)的超快光學(xué)門控成像基本原理示意圖。

圖2表示基于磁光法拉第效應(yīng)超快光學(xué)門控成像基本原理示意圖。

圖3表示基于磁光科爾效應(yīng)的超快光學(xué)科爾門操控的基本原理示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明基于磁光科爾/法拉第效應(yīng)建立的新型超快光學(xué)門控成像技術(shù)。以Pump-Probe技術(shù)為基礎(chǔ)。通過(guò)采用兩束Pump光作為門控開(kāi)關(guān)，從而控制Probe光對(duì)混濁介質(zhì)中的物體在時(shí)域上實(shí)現(xiàn)超快成像。

圖1是基于磁光科爾/法拉第效應(yīng)的超快光學(xué)門控成像原理圖，Pump-Probe技術(shù)將飛秒激光分為兩路，分別為Pump光路（虛線部分）和Probe（實(shí)線部分）光路。Pump光作為門控光束，用來(lái)控制磁性薄膜的磁化方向，建立光學(xué)門控，Probe光則用來(lái)進(jìn)行光探測(cè)實(shí)現(xiàn)混濁介質(zhì)中物體成像。在反射條件下對(duì)探測(cè)光的測(cè)量是超快科爾門控成像技術(shù)，在透射條件下則是超快法拉第門控成像技術(shù)。

基于磁光效應(yīng)的光學(xué)門控成像的Probe光路，見(jiàn)圖1：

1、激光器產(chǎn)生的飛秒脈沖經(jīng)分束器BS1反射的部分為Probe光，Probe脈沖光在散射介質(zhì)中傳播時(shí)，由于散射的影響，光脈沖在時(shí)域上被展寬，其中彈道光部分位于脈沖的最前端。

2、展寬的Probe脈沖依次經(jīng)過(guò)反射鏡M4和M8后入射到由起偏器、磁性薄膜以及檢偏器組成的光學(xué)門控系統(tǒng)。圖示1中的虛線部分是基于科爾效應(yīng)的磁光科爾門，圖示2是基于法拉第效應(yīng)的磁光法拉第門，其中磁性薄膜均置于透鏡L1/L1′的焦平面上。所述的起偏器對(duì)入射光的偏振態(tài)進(jìn)行控制。

3、從起偏器P3/P3′的出射Probe光經(jīng)由透鏡L1/L1′聚焦到位于焦平面處的磁性薄膜上。磁性薄膜在反射條件下，Probe是反射光，在透射條件下Probe為透射光。

4、如圖示1基于磁光科爾效應(yīng)門控成像示意圖，Probe光經(jīng)磁性薄膜反射再次經(jīng)由透鏡L1準(zhǔn)直進(jìn)入到檢偏器P4。考慮到磁光科爾效應(yīng)，在進(jìn)入檢偏器P4之前，在P4前面加入一個(gè)Soleil-Babinet相位補(bǔ)償器S對(duì)Probe光進(jìn)行相位補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)在熱平衡態(tài)條件下對(duì)Probe光的完全“關(guān)”控制，保證Probe反射光/透射光為高純度線性偏振光，以提高光探測(cè)的信噪比。

5、如圖示2基于磁光法拉第效應(yīng)門控成像示意圖，Probe光經(jīng)磁性介質(zhì)透射后經(jīng)由透鏡L3準(zhǔn)直進(jìn)入到檢偏器P4′。同樣考慮到磁光法拉第效應(yīng)，在P4′前面加入一個(gè)Soleil-Babinet相位補(bǔ)償器S′對(duì)Probe光進(jìn)行相位補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)在熱平衡態(tài)條件下對(duì)Probe光的完全“關(guān)”控制，保證Probe反射光/透射光為高純度線性偏振光，以提高光探測(cè)的信噪比。

6、通過(guò)檢偏器P4/P4′的Probe出射光經(jīng)由透鏡L2/L2′匯聚到CCD探測(cè)器上進(jìn)行成像。

基于磁光效應(yīng)的光學(xué)門控成像的Pump光路。見(jiàn)圖1：

1、激光器產(chǎn)生的飛秒脈沖經(jīng)分束器BS1透射的部分為Pump光，Pump光經(jīng)反射鏡M1入射至線性位移平臺(tái)D1，然后Pump光經(jīng)由分束器BS2分成兩束相同的脈沖，分別為Pump1（短虛線）和Pump2（長(zhǎng)虛線），通過(guò)線性位移平臺(tái)D1來(lái)控制Pump1光和Probe光的相對(duì)延遲時(shí)間t，使Pump1光和Probe光的同時(shí)抵達(dá)磁性薄膜。線性位移平臺(tái)D1具有微米量級(jí)的位移精度，從而光電探測(cè)系統(tǒng)具有飛秒量級(jí)的時(shí)間精度。

2、不同螺旋性的Pump光脈沖可以對(duì)磁性薄膜的磁化方向進(jìn)行超快翻轉(zhuǎn)。在Pump1和Pump2光路中分別依次加入偏振器P1、P2和零級(jí)1/4波片Q1、Q2，設(shè)置P1和P2線偏振方向正交。通過(guò)分別調(diào)節(jié)兩路中的1/4波片，使透過(guò)波片Pump光的線偏振態(tài)方向與其光軸方向成45度角，得到Pump1為左旋圓偏振光，Pump2為右旋圓偏振光。兩束Pump光的左、右旋圓偏振態(tài)是經(jīng)由線偏振器和1/4波片調(diào)節(jié)所得。

3、在Pump2光路上通過(guò)反射鏡M5和M6設(shè)計(jì)了第二個(gè)光學(xué)線性位移平臺(tái)D2，通過(guò)調(diào)節(jié)D2來(lái)控制兩束Pump光相對(duì)延遲時(shí)間，使其時(shí)間間隔為Tg，滿足螺旋性相互正交的兩束Pump光相繼抵達(dá)磁性薄膜。所述的磁性薄膜在不同螺旋性泵浦光激發(fā)的情況下，其磁化方向不同。調(diào)節(jié)精度達(dá)到微米級(jí)別的兩臺(tái)線性位移平臺(tái)分別來(lái)控制兩束Pump光脈沖的時(shí)間間隔Tg，從而建立飛秒時(shí)間尺度的超快門控。

4、圖示1和圖示2分別是基于磁光科爾和磁光法拉第效應(yīng)的門控成像示意圖，Pump1光經(jīng)反射鏡M1、偏振器P1、零級(jí)1/4波片Q1、反射鏡M3入射至透鏡L1；Pump2光首先經(jīng)過(guò)經(jīng)反射鏡M5、線性位移平臺(tái)D2、反射鏡M6后，再經(jīng)過(guò)偏振器P2、零級(jí)1/4波片Q2、反射鏡M7入射至透鏡L1；最后，Pump1與Pump2光由透鏡L1/L1′聚焦到磁性薄膜上，并與Probe光脈沖在空間上重合。

以磁光科爾門為例，基于磁光科爾效應(yīng)門控成像技術(shù)的具體實(shí)施如下，見(jiàn)圖3。其中，M表示磁性薄膜處于熱平衡態(tài)條件下的磁化方向；Pump光和Probe分別由實(shí)線和虛線表示，其中帶雙箭頭線條表示Probe入射磁性薄膜前、后的線偏振態(tài)方向，螺旋帶箭頭的線條分別對(duì)應(yīng)Pump1和Pump2，Pump1為左旋圓偏振態(tài)光，Pump2為右旋圓偏振態(tài)光。

1、如圖3所示，在熱平衡態(tài)條件下，無(wú)Pump光激發(fā)，Probe光經(jīng)由起偏器P3抵達(dá)磁性薄膜，由于磁光科爾效應(yīng)，入射的線性偏振光在磁性薄膜表面反射時(shí)，其偏振態(tài)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。通過(guò)調(diào)整相位補(bǔ)償器S和檢偏器P4使其與Probe反射光的偏振方向正好正交，從而實(shí)現(xiàn)將Probe反射光全部“關(guān)住”。

2、為了讓Probe光通過(guò)檢偏器P4，通過(guò)調(diào)節(jié)光學(xué)線性位移平臺(tái)D1使Pump1和Probe兩束光同時(shí)到達(dá)磁性薄膜，所述的Pump1光為左旋圓偏振光，利用Pump1光脈沖激發(fā)磁性薄膜使其磁化方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)，由于磁光科爾效應(yīng)，Probe反射光的線偏振態(tài)發(fā)生變化，此時(shí)磁光科爾門被“開(kāi)啟”，光脈沖可以部分通過(guò)檢偏器P4，經(jīng)由透鏡L2聚焦，進(jìn)入CCD探測(cè)器成像。

3、為了精確選取時(shí)間長(zhǎng)度極短的彈道光部分，設(shè)計(jì)利用與Pump1時(shí)間間隔Tg且螺旋性正交的Pump2光激發(fā)磁性薄膜，使其磁化方向再次被超快的翻轉(zhuǎn)到熱平衡態(tài)方向上，此時(shí)Probe反射光的線偏振態(tài)方向與檢偏器P4又正好再次正交，則Probe反射光瞬間被“關(guān)住”。通過(guò)調(diào)節(jié)光學(xué)線性位移平臺(tái)D2使Pump1和Pump2時(shí)間間隔為Tg，兩束Pump光的左右旋偏振態(tài)相互轉(zhuǎn)化的時(shí)間間隔Tg就是門“開(kāi)”的時(shí)間長(zhǎng)度。所以可以依據(jù)彈道光部分在時(shí)域上的脈沖持續(xù)時(shí)間對(duì)磁光科爾門“開(kāi)”的時(shí)間實(shí)現(xiàn)任意控制，從而建立一個(gè)飛秒尺度的超快門控。

基于磁光科爾/法拉第效應(yīng)且低光功率密度激發(fā)的超快磁光旋轉(zhuǎn)門控成像系統(tǒng)，采用泵浦-探測(cè)（Pump-Probe）工作模式。光路分為泵浦光路和探測(cè)光路兩部分，分別用于完成磁性薄膜的門控激發(fā)和探測(cè)光的超快測(cè)量。通過(guò)調(diào)節(jié)精度達(dá)到微米級(jí)別的線性位移平臺(tái)來(lái)控制兩束Pump光脈沖的時(shí)間間隔Tg，從而建立飛秒時(shí)間尺度的超快門控。通過(guò)低光功率密度Pump光激發(fā)控制門的“開(kāi)”和“關(guān)”，從而準(zhǔn)確選擇彈道光部分作為測(cè)量信號(hào)。通過(guò)控制Pump光與Probe光的時(shí)間間隔，從而控制Probe脈沖光的測(cè)量時(shí)間窗口。在混濁介質(zhì)中，由于散射會(huì)造成Probe光脈沖的展寬，該系統(tǒng)可以通過(guò)精確選擇Probe光的彈道光部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)混濁介質(zhì)中的物體成像。此光學(xué)門控系統(tǒng)使用低光功率密度Pump光激發(fā)即可完成，可以使高散射介質(zhì)成像在工業(yè)中進(jìn)行應(yīng)用和推廣。

最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明的技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍中。