专利名称：用于极高速全息摄影的光束生成器及数字全息摄像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光全息摄影，更具体地说，涉及一种用于极高速成像的多幅数字全息摄像装置。
背景技术：
利用全息摄影的多参数性和光波的并行性，容易实现极高速摄影的多幅编码，因此，利用全息原理实现多幅极高速摄影是非管极高速技术的重要领域，具有重要的学术意义和应用前景。
随着超短脉冲激光技术及CCD技术的迅速发展，利用超短脉冲数字全息术记录和再现超快动态过程已逐渐显示出了其不可取代的优越性。利用超短脉冲数字全息术，可在极短的时间内对超快变化的物场连续进行多次曝光，从而可将物光脉冲串和参考光脉冲串干涉所得到的多幅全息图记录在CCD光敏面上。飞秒全息摄影频率能达到1012幅/秒以上，目前的摄影技术，无论是变像管摄影技术还是其它类非管摄影技术，根本无法达到。利用参考光编码和空间分开的多脉冲技术是解决这类问题的有效途径之一。目前适用于超短脉冲极高速数字全息术的编码方法有角度编码(同一子午面内的多个角度)，方位角编码(各个角度处于不同的子午面内)、波长编码和偏振面编码。其中偏振面编码只能得到2幅子全息图，波长编码需要光源有多波长输出。角度编码和方位角编码的特点是对脉冲光源没有特殊的要求，可得到2幅以上的子全息记录。该技术利用入射角度各不相同的参考光把超快过程不同时刻的信息记录在CCD的同一帧图像上，从而得到一张包含多张子全息图的复合全息图。再现时，可利用子全息图在频谱空间分离的特性，使用数字滤波方法对全息图频谱进行滤波分离并进行相应的数字再现，从而将多幅再现图像分别输出到显示器上。角度编码中不同角度传输的参考光处于同一平面内，由于CCD像素尺寸的限制，一般对物光和参考光的角度要求较为严格。对于在同一平面但相对光轴成θ1、θ2的参考光(θ1＞θ2)，则必须满足 其中λ为波长，d为光敏单元尺寸。f1max、f2max为由带限物光波和两束参考光波分别形成的全息干涉图的最大空间频率(王晓雷；翟宏琛；王毅；母国光，物理学报，2006，Vol.55，P1137)。如果采用方位角编码，由于不同平面的参考光形成的全息图有不同的空间取向，使得彼此之间的空间频谱分量更易于分离。学者们在这方面已经作了一些较为深入的研究。例如利用一个由独立可控的四面反射镜组成的反射镜阵列，形成空间不同角度的参考光，对飞秒激光脉冲分别在CS2和水中传播时的非线性效应进行了多幅全息记录(Martin Centurion，Ye Pu，and Demetri Psaltis，Proc.of SPIE，2005，Vol.5580，P529)；采用多个分束器和反射镜结构实现方位角编码，并用该技术实现了对强激光诱导空气离化超快过程的瞬态测量(Xiaolei Wang，Hongchen Zhai，andGuoguang Mu，OPTICS LETTERS，2006，Vol.31，P1636)。
但是，无论是采用由独立可控的四面反射镜组成的反射镜阵列还是采用多个分束器和反射镜，这类使用由离散光学元件构成的分光装置来产生多束参考光的技术方案，由于光学元件多、结构复杂，各个光学元件之间的距离和角度的调整非常复杂、很难实现精确控制，使得参考光的角度和相对时间延迟不易控制，难以实现精确的时间延迟，因而成像频率难以进一步提高。
此外，由于分光装置由许多离散的光学元件构成，运行过程中易受到机械、电驱动的影响，使得系统不稳定、可靠性差。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的全息摄影装置的分光装置调整复杂，参考光的空间方位角和相对时间延迟难以精确控制的缺陷，提供一种用于极高速全息摄影的光束生成器，其可以精确、简便地按照预定的参考光空间方位角和相对时间延迟生成所需要的光束。
本发明要解决的另一技术问题在于，针对现有技术的全息摄影装置调整复杂，参考光的空间方位角和相对时间延迟难以精确控制的缺陷，提供一种可以精确地控制参考光空间方位角和相对时间延迟的数字全息摄影装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是构造一种用于全息摄影的光束生成器，包括 脉冲激光器，用于产生源激光脉冲； 多模光纤耦合器，其接收所述源激光脉冲，并将所述源激光脉冲分解成相互之间具有预定的相对时间延迟和预定的空间方位角度差的多个分束激光脉冲； 其中，所述多模光纤耦合器包括处于同一平面上的多个输出端，其中每一个输出端通过多模光纤连接至所述多模光纤耦合器的光输出部件，所述输出端的数目与所述分束激光脉冲的数目相同、各个输出端之间的光纤长度差基于所述预定的相对时间延迟而确定、各个输出端在所述平面上的位置基于所述预定的空间方位角度差而确定，且所述多模光纤耦合器的输出端的数目为奇数，所述输出端的布置使得任何两个所述输出端之间不构成中心对称。
在本发明所述的光束生成器中，所述脉冲激光器与所述多模光纤耦合器之间设置有第一透镜，所述脉冲激光器输出的源激光脉冲经所述第一透镜耦合进入所述多模光纤耦合器的输入端；其中，所述第一透镜为球面透镜、非球面透镜、柱面透镜或轴锥透镜。
在本发明所述的光束生成器中，所述多模光纤耦合器的输入端设置有多根多模光纤头部熔接的锥状光纤分光器件，所述脉冲激光器输出的源激光脉冲经所述第一透镜耦合进入所述锥状光纤分光器件。
在本发明所述的光束生成器中，所述多模光纤耦合器的多个输出端在所述平面上沿一圆周分布。
在本发明所述的光束生成器中，所述各个输出端的光纤端面的取向选择基于所述预定的空间方位角度差而确定。
在本发明所述的光束生成器中，所述多个输出端相互之间的间隔是可调整的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是构造一种多幅数字全息摄影装置，其特征在于，包括如上所述的光束生成器以及后续光学系统；其中，所述后续光学系统包括第二透镜和感光器件，所述多模光纤耦合器的多个输出端所处的平面与所述第二透镜的前焦面共面，所述感光器件的感光面位于所述第二透镜的后焦面的后方。
在本发明所述的多幅数字全息摄影装置中，所述后续光学系统还包括设置在所述第二透镜和所述感光器件之间的第三透镜，所述第三透镜的前焦面与所述第二透镜的后焦面共面，所述感光器件的感光面位于所述第三透镜的后焦面的前方或后方。
在本发明所述的多幅数字全息摄影装置中，所述脉冲激光器为脉宽为10-11至10-14秒的超短脉宽激光器，所述感光器件为电荷藕合器件图像传感器。
在本发明所述的多幅数字全息摄影装置中，所述多模光纤耦合器的多个输出端在所述平面上沿一圆周分布，且所述圆周的圆心位于所述后续光学系统的光轴上。
在本发明所述的多幅数字全息摄影装置中，所述多个输出端相互之间的间隔是可调整的。
在本发明所述的多幅数字全息摄影装置中，所述第二透镜的口径D与所述多模光纤耦合器的输出端到所述光轴的距离R、所述多模光纤的数值孔径角θ及第二光学透镜的焦距f1之间满足以下关系 D≥2(R+f1tgθ)。
实施本发明，具有以下有益效果由于采用光纤耦合器替代离散元件构成的分光装置，只利用一只简单紧凑的多模光纤耦合器就可得到具有不同空间方位角和相对时间延迟严格控制的光脉冲，使得结构简单、紧凑，便于调整。另外，由于光纤、透镜等都是透射光学元件，比起反射光学元件，对系统的不稳定影响要小得多，所用的光学元件均为被动式的，运行过程中没有机械、电驱动因素，因而结构稳定、系统可靠高。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中 图1是本发明的多幅数字全息摄影装置的原理图； 图2是根据本发明一实施例的多幅数字全息摄影装置的结构示意图； 图3是本发明的多幅数字全息装置中透镜口径估算图。
具体实施例方式 为了实现对某些超快过程的精确刻画，需要在事件发生的瞬间以精确时间间隔记录尽可能多的子全息图。本发明的一个目的就是为了方便地实现方位角编码以得到尽可能多的空间角度不同的子光束，同时实现对这些不同空间方位角的光束之间的光学迟延的精确控制。这样如果辅之以超短激光脉冲就可以得到具有高时间分辨、高精确取样时间间隔的“光尺”，满足对超快变化事物高精度成像的需要。
本发明的核心是利用多模光纤耦合器进行分束并通过控制各路光束的光程差来实现物光束之间确定的时间延迟，从而产生具有精确相对时间延迟且空间方位角不同的参考光，实现方位角编码的多幅数字全息技术。
图1是本发明的多幅数字全息装置的原理图，其包括光束生成器及后续光学系统。如图1所示，光束生成器包括脉冲激光器10、第一透镜L0和多模光纤耦合器20；后续光学系统包括第二透镜L1和感光器件40，其中f1为第二透镜L1的焦距。多模光纤耦合器包括处于同一平面上的多个输出端(如圆周25上的小圆点所示)，构成一个输出端面，其中每一个输出端通过多模光纤连接至所述多模光纤耦合器的光输出部件。本实施例中第一透镜L0为球面透镜。根据具体实施方案，作为替代，第一透镜L0还可以是非球面透镜，也可是柱面透镜、轴锥透镜。
在工作过程中，脉冲激光器10输出的源激光脉冲经第一透镜L0耦合进入多模光纤耦合器20，通过多模光纤耦合器20的输出端输出多个分束激光脉冲，且输出端的数目与分束激光脉冲的数目相同。多个分束激光脉冲相互之间具有预定的相对时间延迟和预定的空间方位角度差。可根据所采用的脉冲激光器及后续光学系统中各光学元件的参数来计算所需的相对时间延迟和空间方位角度差，具体细节见后面的描述。由于全息成像具有原始像和共轭像的频谱呈对称分布的特点，为了避免图像之间互相重叠，多模光纤耦合器20的输出端采用奇数个输出端非对称分布的布置(例如5个或7个输出端等)，使得相对于输出端面与后续光学系统的光轴的交点，任何两个输出端之间不构成中心对称。在满足两个输出端之间非中心对称的条件下，多模光纤耦合器20的输出端可以安排在垂直于后续光学系统光轴的平面上的不同位置。例如，作为一实施例，多个输出端可以布置在以输出端面与后续光学系统光轴的交点为圆心的圆周25上。也就是说，以圆周25的圆心为中心，多模光纤耦合器20的任何两个输出端之间不构成中心对称。多模光纤耦合器20每个输出端(如圆周25上的小圆点所示)的光纤长度差由输出脉冲相互间时间延迟决定。将多模光纤耦合器输出端面所在的平面设置在第二透镜L1的前焦面上。这样每个输出端的输出光线经第二透镜L1后以各自的角度平行射向待测物体S，这些光透过或绕过物体S后照射到感光器件40(例如可以是电荷藕合器件图像传感器(CCD列阵))的感光面，形成准同轴数字全息干涉图。所以在此装置中，不同的空间方位角光对应于不同方向干涉条纹的子全息图，包含对应于不同时刻的物体形态信息。
作为选择，光纤耦合器多个输出端相互之间的间隔可以是固定的，也可以设计成可调整的，在摄影过程中根据需要进行微调，灵活方便。另外，光纤耦合器多个输出端相互之间的间隔可以是相同的，也可以是不相同的。但是一定要使多模光纤耦合器20的任何两个输出端之间不构成中心对称。
为了扩大物光和参考光干涉的范围，可在图1所示的多幅数字全息装置的后续光学系统中引入第三透镜L2，形成本发明的实施方案之一，如图2所示。本实施例中，感光器件40采用电荷藕合器件图像传感器(CCD)列阵。多模光纤耦合器每个输出端(如圆周25上的小圆点所示)的输出光线经第二透镜L1后以各自的角度平行射向待测物体S。这些光透过或绕过物体S后经第三透镜L2照射到CCD列阵，形成准同轴数字全息干涉图。本实施例中，CCD列阵可置于第三透镜L2后焦面的前方或后方一段距离(图中只示出了CCD列阵在离第三透镜L2后焦面后方L距离的情况)。图中，f1是第二透镜L1的焦距，f2是第三透镜L2的焦距，L是CCD列阵到第三透镜L2后焦面的距离。
本发明可用于皮秒、飞秒时间分辨率超快过程的全息成像，其光源可用高功率皮秒或飞秒激光器。这类超短脉宽的激光器在商业上已经有比较成熟的产品出售，目前已可得到脉冲能量达毫焦耳量级、脉冲时间宽度为飞秒量级(10-11秒至10-14秒)的超短脉宽光脉冲输出。为了将该高功率的光脉冲耦合进入多模光纤耦合器，多模光纤的芯径需要足够大(＞200μm)。如果必要的话，还可在耦合器的输入端设置自聚焦光纤透镜以增加耦合器接收激光功率的能力。作为一实施例，多模光纤耦合器的输入端设置有多根多模光纤头部熔接的锥状光纤分光器件，脉冲激光器输出端直接和锥状光纤分光器件耦合。脉冲激光器输出端是指第一透镜的输出面。也就是说，锥状光纤分光器件设置在多模光纤耦合器的输入端，锥状光纤分光器件带有多根多模光纤，该光纤头部熔接，形成锥状。脉冲激光器输出的光束通过第一透镜的输出面耦合至锥状光纤分光器件。在本发明中，输出端个数采用的是5、7、9、11……等，产生的分光束的数目相应地为5、7、9、11……等，也就是说，输出端的数目与分束激光脉冲的数目相同。由于过多的干涉图像将发生重叠，考虑到全息图像的频谱不能混淆的要求，分光束的数目(即光纤耦合器的输出端的数目)不能太多，在准同轴全息摄影应用中一般不超过15。可以根据需要决定每个输出端脉冲所需的时间间隔(即分幅时间)。一般来说，分幅时间设计成等于(或者大于)光脉冲的时间宽度。然后决定耦合器每个输出臂的光纤长度差异。例如，对于脉宽为1皮秒的超短脉冲激光，相对应的光程差为(0.3/n)mm，其中n为光纤的折射率。每个光纤耦合器的输出端面被安排在一个与后续光学系统的光轴相垂直的平面上。它们在该平面上的相对位置根据需要而定，较为灵活。例如可安排在以该平面与光轴交点为圆心的圆周上，圆半径的大小取决于频谱分离的需要，换言之，也就是取决于多个分束激光脉冲相互之间空间方位角度差的需要。该平面与后续光学透镜的距离等于该透镜的焦距，换言之，该平面即为该透镜的前焦面。这样耦合器输出端到光轴的距离R和该光学透镜的焦距(如图1中的f1)共同决定参考光的方位角。另外，光纤耦合器的输出端中，光纤端面的不同取向可以控制光锥的出射方向，因而，通过对光纤端面取向的选择，还可以对参考光的方位角进行微调。此外，为减少系统损耗，透镜的口径D应足够大能够收集到绝大部分光束能量。这涉及到耦合器输出端到光轴的距离R、多模光纤的数值孔径角θ和光学透镜的焦距f1等，按图3可由下式估算 D≥2(R+f1tgθ) (2) 待测物体S置于第二透镜L1后方，这样耦合器的每个输出端输出的部分光脉冲以不同时刻以不同方位角入射待测物体，而且每个脉冲都有部分光从待测物体的边上直接入射CCD阵列面上，产生准同轴全息干涉图。整个装置结构非常简单紧凑。时间分辨率高、各个分幅全息图的时间间隔短，便于记录极(超)高速变化的现象，例如光学晶体和光学玻璃的非线性过程，驰豫时间多在亚皮秒和飞秒之间。
虽然本发明的实施例中是以超短脉宽激光及CCD器件为例，需要指出的是，本发明的光束生成装置可以应用于各种全息摄影装置中，用以替代由离散元件构成的分光装置。所述的各种全息摄影装置，可采用各种成像频率的脉冲激光源(需满足脉冲宽度＜分幅时间)，与光源的类型相对应，感光器件不仅可以采用CCD列阵，还可以采用CMOS或目前正在开发或有待将来开发的其它类型的感光器件。
与现有技术相比，本发明的光束生成器具有以下优势 1)结构简单、紧凑。只利用一只简单紧凑的多模光纤耦合器和光学透镜就可得到具有不同空间方位角和相对时间延迟严格控制的光脉冲。
2)调整方便。这主要是由于光纤的特点所决定的。
3)结构稳定、可靠。这里光纤、透镜等都是透射光学元件，比起反射光学元件，对系统的不稳定影响要小得多。另外，所用的光学元件均为被动式的，运行过程中没有机械、电驱动因素，这种系统显然具有较好的稳定性。
4)光脉冲之间的相对时间延迟由光纤长度差决定，精度高。
5)光纤端面的不同取向可以控制光锥的出射方向。
此外，本发明的多幅数字全息摄影装置可最大限度地利用CCD的空间带宽积；本发明的多幅数字全息摄影装置的时间分辨率由激光光源的脉冲宽度决定，可用于皮秒、飞秒级时间分辨的超快全息技术。
权利要求
1.一种用于极高速全息摄影的光束生成器，其特征在于，包括
脉冲激光器，用于产生源激光脉冲；
多模光纤耦合器，其接收所述源激光脉冲，并将所述源激光脉冲分解成相互之间具有预定的相对时间延迟和预定的空间方位角度差的多个分束激光脉冲；
其中，所述多模光纤耦合器包括处于同一平面上的多个输出端，其中每一个输出端通过多模光纤连接至所述多模光纤耦合器的光输出部件，所述输出端的数目与所述分束激光脉冲的数目相同、各个输出端之间的光纤长度差基于所述预定的相对时间延迟而确定、各个输出端在所述平面上的位置基于所述预定的空间方位角度差而确定；且所述多模光纤耦合器的输出端的数目为奇数，所述输出端的布置使得任何两个所述输出端之间不构成中心对称。
2.根据权利要求1所述的光束生成器，其特征在于，所述脉冲激光器与所述多模光纤耦合器之间设置有第一透镜，所述脉冲激光器输出的源激光脉冲经所述第一透镜耦合进入所述多模光纤耦合器的输入端；其中，所述第一透镜为球面透镜、非球面透镜、柱面透镜或轴锥透镜。
3.根据权利要求2所述的光束生成器，其特征在于，所述多模光纤耦合器的输入端设置有多根多模光纤头部熔接的锥状光纤分光器件，所述脉冲激光器输出的源激光脉冲经所述第一透镜耦合进入所述锥状光纤分光器件。
4.根据权利要求1所述的光束生成器，其特征在于，所述多模光纤耦合器的多个输出端在所述平面上沿一圆周分布。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光束生成器，其特征在于，所述各个输出端的光纤端面的取向选择基于所述预定的空间方位角度差而确定。
6.一种多幅数字全息摄影装置，其特征在于，包括如权利要求1至5中任一项所述的光束生成器以及后续光学系统；其中，所述后续光学系统包括第二透镜和感光器件，所述多模光纤耦合器的多个输出端所处的平面与所述第二透镜的前焦面共面，所述感光器件的感光面位于所述第二透镜的后焦面的后方。
7.根据权利要求6所述的多幅数字全息摄影装置，其特征在于，所述后续光学系统还包括设置在所述第二透镜和所述感光器件之间的第三透镜，所述第三透镜的前焦面与所述第二透镜的后焦面共面，所述感光器件的感光面位于所述第三透镜的后焦面的前方或后方。
8.根据权利要求6或7所述的多幅数字全息摄影装置，其特征在于，所述脉冲激光器为脉宽为10-11至10-14秒的超短脉宽激光器，所述感光器件为电荷藕合器件图像传感器。
9.根据权利要求6或7所述的多幅数字全息摄影装置，其特征在于，所述多模光纤耦合器的多个输出端在所述平面上沿一圆周分布，且所述圆周的圆心位于所述后续光学系统的光轴上。
10.根据权利要求6或7所述的多幅数字全息摄影装置，其特征在于，所述第二透镜的口径D与所述多模光纤耦合器的输出端到所述光轴的距离R、所述多模光纤的数值孔径角θ及第二光学透镜的焦距f1之间满足以下关系
D≥2(R+f1tgθ)。
全文摘要
本发明涉及用于极高速全息摄影的光束生成器及数字全息摄像装置。光束生成器包括脉冲激光器和多模光纤耦合器；多模光纤耦合器包括处于同一平面上的奇数个输出端，输出端的数目与分束激光脉冲的数目相同、各个输出端之间的光纤长度差基于预定的相对时间延迟而确定、各个输出端在所述平面上的位置基于预定的空间方位角度差而确定，输出端的布置使得任何两个输出端之间不构成中心对称。数字全息摄像装置包括上述光束生成器以及后续光学系统；其中，后续光学系统包括第二透镜和感光器件。实施本发明，可以方便地得到具有不同空间方位角编码和相对时间延迟严格控制的激光脉冲，以形成多幅极高速全息摄影，而且结构简单紧凑，系统稳定性、可靠性高。
文档编号G03H1/04GK101763019SQ20091018934
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月24日 优先权日2009年12月24日
发明者李景镇, 惠彬, 陆小微 申请人:深圳大学