角分复用参考光脉冲分束方法及分束系统的制作方法

专利名称：角分复用参考光脉冲分束方法及分束系统的制作方法
专利说明角分复用参考光脉冲分束方法及分束系统 技术领域：
本发明属于角分复用全息技术领域，主要解决全息记录过程中参考光多角度脉冲串的产生。
背景技术：
角分复用全息技术在超快记录瞬态过程有很重要的应用。目前角分复用技术参考光一侧多角度脉冲的实现主要通过反射镜来实现，不仅可重复性差，调节难度高，而且要实现大于3束的脉冲分束十分困难。本发明根据这一实际实验中所遇到的难题，根据参考光部分要求产生等脉冲间隔，多角度入射的特点，提供一种解决方案，该方案具有结构紧凑、易嵌入、能产生多个脉冲且可调节的优点。

发明内容本发明的目的是依据角分复用全息成像的要求，提供一种角分复用参考光脉冲分束方法及分束系统，使该系统可以将一个超短激光脉冲经过参考光分束系统后，产生具有等脉冲间隔且传播方向不同的多个脉冲。
本发明提供的将超短脉冲按要求进行多脉冲分束的角分复用参考光脉冲分束方法是，参考光脉冲光束入射到分束系统，依次经过光阑、双楔形棱镜、基板和偏转棱镜，光阑起到截取可利用波面的作用，双楔形棱镜起到调节光程差的作用，基板起到固定双楔形棱镜和偏转棱镜的作用，偏转棱镜起到将光束汇聚到CCD靶面上同时产生我们所需要的角度的作用，该分束方法的具体步骤是 第一、确定参考光角度的空间约束 根据全息成像的原理，在离轴全息中，参考光和物光的夹角θ必须满足下列条件 sinθ＜λ/Δp， 其中，λ是入射参考光的波长，Δp为记录介质的像素间隔。
如果物光沿z轴垂直入射到记录介质上面，参考光和z轴的夹角就应该在(0，θ)这个区间。这就给我们设计参考光分束后的角度偏转提供了限制条件，即所有的参考光的角度必须分布在这个范围之内。
第二、确定各参考光角度的具体分布 (一)参考光角度的具体分布是由全息像的频谱分布决定的，如图1和图2所示，对于在频谱面上的位置坐标是

的一个全息像(同时必有一个中心对称的像在

)，设所成像对应的参考光和记录介质面所在坐标系中的X轴和Y轴的夹角分别为

和ψ，则有

fψ＝cosψ/λ。
(二)采用分波面的方法，则双楔形棱镜和对应的偏折棱镜在基板上的分布和全息像在频谱面上的分布是相同的，只是相差一个常量因子，推导过程如下

fψ＝cosψ/λ＝y/L/λ 如图1所示，x-y平面是入射参考光的中心所在基准平面(基准平面为参考光在棱镜中发生偏折时所在的平面，如图3所示6即为基准平面)，其上点的坐标用(x，y)表示；X-Y是CCD靶面，其上点的坐标用(X，Y)表示。
(三)对于设计各再现像在频谱面上的分布具体由可以利用的频谱空间的大小和再现像的频谱带宽k决定。频谱空间的大小是由再现像的空间频率所决定的，频谱空间的可利用范围是以零级中心为圆点，半径为2k至半径为

的环形区域。(因为，以零级中心为圆心，半径为2k的圆内为零频率成份，不能使用)。再现像频谱的带宽k与所记录物体的细节有关，细节越多，带宽越宽。根据可利用空间的大小和再现像的带宽，就可以设计再现像在频谱面上的分布了。但是在我们实际设计的时候，总是尽量选择比这个值大的带宽，用以保留尽量多的频谱信息。
(四)这样我们就可以根据参考光所分脉冲的数目m和每一个再现像的频谱带宽k，在第一步确定的参考光角度的空间(即可利用频谱的最大空间)约束下，采用尽量占用频谱空间、每一个频谱尽量彼此分离的原则，来设计再现像在频谱面上的分布，进而推导出双楔形棱镜和对应的偏折棱镜在其基准平面亦即基板上的分布(光阑的通光孔径的分布与双楔形棱镜和对应的偏折棱镜在基准平面亦即基板上的分布相同)。
第三、偏转角度和可调光程的实现 系统结构的原理图如图3所示，针对一个脉冲的调节单元构成，如图4所示。
根据第二步推导得到的入射参考光的中心在基准平面上的坐标(x，y)分布，进而得到光阑的通光孔径的分布，光阑的作用为根据通光孔径的分布选取确定的投射光束，然后对每一个所分的脉冲，利用固定在基板上的一对双楔形棱镜调节其光程差，利用与双楔形棱镜对应的偏折棱镜产生光的偏折角度。具体实现过程为 (一)偏折棱镜的偏折角度确定 根据偏转棱镜所处的空间位置即入射参考光中心距基板中心的距离H和偏转棱镜到CCD靶面的距离在z轴方向(即参考光入射方向)上的投影L，利用折射定律确定偏转棱镜的倾斜角度β应满足

n为偏折棱镜玻璃的折射率，θ为参考光和物光的夹角且满足

具体如图5所示。根据适宜加工的条件(基板的大小，棱镜的通光孔径大小)，选择适当的基板到CCD靶面的距离L和入射参考光中心距基板中心的距离H，即可确定偏折棱镜的偏折角度。
(二)双楔形棱镜的确定 双楔形棱镜的结构如图4所示，光程差由两部分构成，双楔形棱镜在通光方向上本身具有厚度差，它可以补偿偏折棱镜空间位置不同所带来的光程差，同时其中一片棱镜上下移动的过程中，会同时改变在光线入射方向上的光程差，这就为系统提供了动态调节光程的方法。
根据光程差改变量的调节范围s，依据公式s＝(n-1)*Δt*cot(φ)确定双楔形棱镜，其中，n为双楔形棱镜玻璃的折射率，Δt为双楔形棱镜之一在纵向上的移动距离，Φ角为棱镜的楔形角。因此根据要求的调节范围，可以反推得到棱镜的楔形角Φ。
第四、将第三步确定的偏折棱镜和双楔形棱镜按照第二步确定的双楔形棱镜和对应的偏折棱镜在基准平面即基板上的分布，将偏折棱镜和双楔形棱镜固定在基板上，同时将第二步确定的光阑放置在基板前面，则在CCD靶面即可获得所分的m个连续脉冲。
本发明依据上述方法提供的角分复用参考光脉冲分束系统，依次包括 光阑该光阑上的通光孔径的分布根据参考光所分脉冲的数目m，由以上所述方法中的第二步确定，光阑的作用为根据通光孔径的分布选取确定的投射光束； 基板设置在光阑的后面，用于固定双楔形棱镜和对应的偏折棱镜，各双楔形棱镜和对应的偏折棱镜在基板上的分布由上述方法中的第二步确定； 双楔形棱镜即两个相同的楔形棱镜为一对，倾斜面交错相对使另一底面相互平行并固定在基板上相对光阑一侧，且两个楔形棱镜可沿倾斜面相对错动以便根据需要调节光程差，双楔形棱镜的尺寸及倾斜角由上述方法中的第三步确定； 偏折棱镜固定在基板上与对应的双楔形棱镜同一位置的另一侧，使相应的参考光经偏折棱镜的偏折后投射到CCD靶面，偏折棱镜的倾斜角由上述方法中的第三步确定； CCD靶面用于接收经分束后的连续参考光脉冲。
综上，本发明的设计思路是，根据所要分的脉冲数量m和每一个再现像的频谱的带宽，在参考光角度的空间(即可利用频谱的最大空间)约束下，采用尽量占用频谱空间、每一个频谱尽量彼此分离的原则，来设计再现像在频谱面上的分布。进而得到光阑的孔径分布，以及双楔形棱镜和对应的偏折棱镜在基板上的分布。再由光线的偏折关系确定偏折棱镜的倾角，由调节范围确定双楔形棱镜的倾角，光阑的通光孔径的大小及双楔形棱镜和对应的偏折棱镜的尺寸根据适宜的加工尺寸和参考光总的光束的大小综合考虑。最后按照系统设计的要求组装起来就能实现所需要的参考光脉冲的分束。
本发明的优点和积极效果 本发明是从充分利用频谱空间的角度出发，摆脱了过去通过反射镜调节的限制，可以根据实验的需要来设计要分的脉冲的数量和参考光的入射角度，最大限度的满足角分复用系统的需要，为角分复用的设计开辟了新的思路。
本发明具有系统结构紧凑、易嵌入、能量利用率高以及所分脉冲数量多的优点。
本发明对于角分复用系统中的参考光侧的脉冲分束都是适用的，就飞秒级的脉冲分束，本发明已经制作出了分脉冲装置。


图1是参考光入射空间示意图； 图2是全息像的频谱示意图； 图3是系统结构示意图； 图4是每个调节单元的系统图； 图5是偏转棱镜光路追击图； 图6是实施例1双楔形棱镜和对应的偏折棱镜在基板上的分布图(正视图)； 图7是实施例2双楔形棱镜和对应的偏折棱镜在基板上的分布图(正视图)。
图中，1-双楔形棱镜、2-基板、3-偏转棱镜、4-光阑、5-图像采集装置(如CCD)、6-基准平面。
具体实施方式

本发明依据的原理说明如下 超短脉冲单脉冲经扩束入射到光阑，经光阑选取特定位置的脉冲，每一束脉冲先后经过双楔形棱镜对的光程调节，偏转棱镜的角度调节，最后入射到记录介质上面。和物光侧设计的脉冲串一一干涉，达到角分复用的实验目的。
具体的设计过程为首先，依据sinθ＜λ/Δp，得到参考光和物光的最大夹角，然后根据选择的θ，由

计算可利用的最大频谱空间，由所记录物体的频谱带宽k和需要记录的再现像的数目(即所要分的脉冲的数目m)，设计参考光再现像在频谱面上的分布；然后，在角度约束的范围内，结合棱镜的可能的实际加工尺寸，设定棱镜到记录介质的距离、棱镜在基板上的分布以及棱镜的加工尺寸(包括透射面的大小和倾角，角度由

算得)；之后，根据偏转棱镜的空间位置不同所带来的固定的光程差，设计双楔形棱镜的厚度来补偿，根据调节精度和范围来设计双楔形棱镜的倾角，依据公式为s＝(n-1)*Δt*cot(φ)；最后组装系统，并根据实际的实验中可以通过双楔形棱镜的可调光程部分对系统误差和其他的误差进行校正。
实施例1 将一个超短脉冲分束，所用系统的参数和具体要求如下 脉冲波长λ800纳米； 脉冲间隔300飞秒； 相邻脉冲的光程差Δ＝90微米； 要分束的脉冲数量m10 要记录的物理过程为空气电离，物体的频谱带宽为0.0024μm-1 记录的介质为CCD，像素间隔Δp为10微米，靶面尺寸为5mm*7mm 依据sinθ＜λ/Δp，得到参考光和物光的最大夹角，然后根据选择的θ，由

得到可以利用的频谱空间的大小f＝0.05μm-1，然后结合物体的频谱带宽(0.0024μm-1)和所分脉冲的数目m，依据尽量离散而又不相互重叠的原则，我们将10个再现像的频谱的中心位置分布设计成如图6所示，近似为双楔形棱镜和对应的偏折棱镜在基板上的分布；在角度约束的范围之内，结合双楔形棱镜和对应的偏折棱镜的加工尺寸，设定双楔形棱镜和对应的偏折棱镜透光方向上的加工尺寸为10mm*10mm，双楔形棱镜和对应的偏折棱镜距离基板中心的距离H限制在50mm以内(因为双楔形棱镜和对应的偏折棱镜分布在三个同心圆上，因此有三组H，从内到外依次是(单位mm)11.5，25.8，38.5)，双楔形棱镜和对应的偏折棱镜距CCD靶面的距离在Z轴上的射影L为1400mm，再根据偏折角度计算出每一个偏折棱镜的倾斜角(倾斜角同样因为偏折棱镜分配在三个同心圆上，从内到外依次是89.08°，87.93°，86.91°)，根据不同双楔形棱镜和对应的偏折棱镜的空间位置计算出所需要补偿的光程差，据此来设计双楔形棱镜的厚度差(厚度依次是(单位mm)2.942，3.001，2.901，2.961，3.020，3.080，2.916，2.976，3.035，3.095)，双楔形棱镜的倾角通过所需要的调节精度和调节范围来设定。光阑透光孔径与定位和偏折棱镜的尺寸与定位相同。
实施例2 将一个超短脉冲分束，所用系统的参数和具体要求如下 脉冲波长800纳米； 脉冲间隔300飞秒； 相邻脉冲的光程差Δ＝90微米； 要分束的脉冲数量6 要记录的物理过程为空气电离，物体的频谱的带宽为0.0024μm-1) 记录的介质为CCD，像素间隔为10微米，靶面尺寸为5mm*7mm 依据sinθ＜λ/Δp，得到参考光和物光的最大夹角，然后根据选择的θ，由

得到可以利用的频谱空间的大小f＝0.05μm-1，然后结合物体的频谱带宽(0.0024μm-1))和所分脉冲的数目m，依据尽量离散而又不相互重叠的原则，我们将6个再现像的频谱的中心位置分布设计成如图7所示，近似为棱镜在基板上的分布。其他部分的计算同实施例1。
权利要求
1.一种角分复用参考光脉冲分束方法，其特征在于，参考光脉冲光束入射到分束系统，依次经过光阑、双楔形棱镜、基板和偏转棱镜，光阑起到截取可利用波面的作用，双楔形棱镜起到调节光程差的作用，基板起到固定双楔形棱镜和偏转棱镜的作用，偏转棱镜起到将光束汇聚到CCD靶面上同时产生我们所需要的角度的作用，该分束方法的具体步骤是
第一、确定参考光角度的空间约束
根据全息成像的原理，在离轴全息中，参考光和物光的夹角θ必须满足下列条件
sinθ＜λ/Δp，
其中，λ是入射光的波长，Δp为记录介质的像素间隔，
即所有参考光的角度必须分布在(0，θ)这个区间范围之内；
第二、确定各参考光角度的具体分布
(一)对于在频谱面上的位置坐标是(
fψ)的一个全息像，所成像对应的参考光和记录介质面所在坐标系中的X轴和Y轴的夹角分别为
和ψ，则有
(二)采用分波面的方法，则双楔形棱镜和对应的偏折棱镜在基板上的分布和全息像在频谱面上的分布是相同的，只是相差一个常量因子，推导过程如下
x-y平面是入射参考光的中心所在基准平面，其上点的坐标用(x，y)表示；X-Y是CCD靶面，其上点的坐标用(X，Y)表示；
(三)确定各再现像在频谱面上的分布具体由可以利用的频谱空间的大小和再现像的频谱带宽k决定；频谱空间的大小是由再现像的空间频率所决定的，频谱空间的可利用范围是以零级中心为圆点，半径为2k至半径为
的环形区域；
(四)根据参考光所分脉冲的数目m和每一个再现像的频谱带宽k，在第一步确定的参考光角度的空间约束下，采用尽量占用频谱空间、每一个频谱尽量彼此分离的原则，来设计再现像在频谱面上的分布，进而推导出双楔形棱镜和对应的偏折棱镜在基准平面上的分布，光阑的通光孔径的分布与双楔形棱镜和对应的偏折棱镜在基准平面亦即基板上的分布相同；
第三、偏转角度和可调光程的实现
根据第二步推导得到的入射参考光的中心在基准平面上的坐标(x，y)分布，进而得到光阑的通光孔径的分布，光阑的作用为根据通光孔径的分布选取确定的投射光束，然后对每一个所分的脉冲，利用固定在基板上的一对双楔形棱镜调节其光程差，利用与双楔形棱镜对应的偏折棱镜产生光的偏折角度；
(一)偏折棱镜的偏折角度确定
根据偏折棱镜所处的空间位置即入射参考光中心距基板中心的距离H和偏折棱镜到CCD靶面的距离在z轴方向上的投影L，利用折射定律确定偏折棱镜的倾斜角度β应满足
n为偏折棱镜玻璃的折射率，θ为参考光和物光的夹角且满足
(二)双楔形棱镜的确定
根据光程差改变量的调节范围s，依据公式s＝(n-1)*Δt*cot(Φ)确定双楔形棱镜，其中，n为双楔形棱镜玻璃的折射率，Δt为双楔形棱镜之一在纵向上的移动距离，Φ角为棱镜的楔形角；
第四、将第三步确定的偏折棱镜和双楔形棱镜按照第二步确定的双楔形棱镜和对应的偏折棱镜在基准平面即基板上的分布，将偏折棱镜和双楔形棱镜固定在基板上，同时将第二步确定的光阑放置在基板前面，则在CCD靶面即可获得所分的m个连续脉冲。
2.一种依据权利要求1所述方法确定的角分复用参考光脉冲分束系统，其特征在于该系统依次包括
光阑该光阑上的通光孔径的分布根据参考光所分脉冲的数目m，由权利要求1所述方法中的第二步确定，光阑的作用为根据通光孔径的分布选取确定的投射光束；
基板设置在光阑的后面，用于固定双楔形棱镜和对应的偏折棱镜，各双楔形棱镜和对应的偏折棱镜在基板上的分布由权利要求1所述方法中的第二步确定；
双楔形棱镜即两个相同的楔形棱镜为一对，倾斜面交错相对使另一底面相互平行并固定在基板上相对光阑一侧，且两个楔形棱镜可沿倾斜面相对错动以便根据需要调节光程差，双楔形棱镜的尺寸及倾斜角由权利要求1所述方法中的第三步确定；
偏折棱镜固定在基板上与对应的双楔形棱镜同一位置的另一侧，使相应的参考光经偏折棱镜的偏折后投射到CCD靶面，偏折棱镜的倾斜角由权利要求1所述方法中的第三步确定；
CCD靶面用于接收经分束后的连续参考光脉冲。
全文摘要
本发明涉及一种角分复用参考光脉冲分束方法及分束系统。主要针对角分复用全息成像技术中全息记录过程中的参考光脉冲的产生。本发明采用分波面的思路，利用棱镜阵列将一个超短脉冲分割成等间隔的不同方向上的多个脉冲，为多脉冲角分复用技术提供了参考光一侧的解决方案。该方法是将参考光脉冲入射到分束系统，依次经光阑、双楔形棱镜、基板和偏转棱镜，最后汇聚到CCD靶面上。具体包括确定参考光角度的空间约束、确定各参考光角度的具体分布进而推导出双楔形棱镜和偏折棱镜在基板上的分布、以及双楔形棱镜和偏折棱镜尺寸的确定，最后按照系统设计的要求组装起来就能实现所需参考光脉冲的分束。本发明有结构紧凑、易嵌入、可调节的优点。
文档编号G02B27/09GK101770077SQ201010031320
公开日2010年7月7日 申请日期2010年1月8日 优先权日2010年1月8日
发明者杨勇, 刘灿, 王小雷, 翟宏琛 申请人:南开大学