飞秒外差光克尔门及基于该光克尔门的成像装置和方法
【专利摘要】飞秒外差光克尔门及基于该光克尔门的成像装置和方法。该成像装置的探测光路上依次设有待测目标，由起偏器、光克尔介质和检偏器组成的飞秒外差光克尔门，及CCD；且检偏器偏振方向与探测脉冲偏振垂直方向呈3～5°的外差角；开关光路上依次设有光学延时线和半波片，且开关脉冲与探测脉冲在光克尔介质内部的重合。该成像方法为：飞秒脉冲分两路，探测脉冲入射至待测样品，经反、透射后进入飞秒外差光克尔门；开关脉冲开启飞秒外差光克尔门，瞬时选通探测脉冲中携带样品形貌信息的成分，被选通的探测脉冲入射至CCD，获得超高时间分辨的待测样品形貌图像。本发明具有光路简单、门选通时间极短、成像空间分辨率接近系统衍射极限等优点。
【专利说明】飞秒外差光克尔门及基于该光克尔门的成像装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明属于超快速成像与测量【技术领域】，涉及一种飞秒外差光克尔门及基于该光克尔门的成像装置和方法。
【背景技术】
[0002]发展超快速成像与测量技术，在高速碰撞、爆轰过程、高压放电、视觉机制等瞬态过程研究领域，有着重要的应用价值。通常，利用光电技术可以实现毫秒至亚皮秒的高时间分辨成像，然而在分子结构动力学，超快速表面振动过程、极端时间分辨荧光显微成像、强散射体内部物体识别等研究领域，必须使用基于光子技术的超快速成像技术，比如飞秒全息成像和非线性光学门选通成像技术。
[0003]光克尔门选通成像技术是一种典型的非线性光学门选通成像技术。这种成像技术利用光克尔效应构造的光学快门，通常被称为光克尔门，它无需相位匹配，选通光子效率高，具备可达飞秒量级的开关时间。因此，光克尔门选通成像技术在超快动态过程记录、高时间分辨荧光显微技术、强散射体内部物体识别等研究领域，得到了广泛的应用，具有重要的科学意义和应用价值。
[0004]在传统的光克尔门选通成像技术中，成像系统的杂散光或者散射环境中的散射光均会严重影响系统的成像分辨率和待测目标的清晰度。由于这些干扰光，从成像光束的空间频谱成分角度讲，均表现为高频空间频谱成分，因此传统的光克尔门选通成像技术中，通常将开关光束弱聚焦后入射到光克尔介质内部，在光克尔门开启时，利用开关光在光克尔介质处诱导的瞬态微光阑进行低通滤波，消除大量的干扰光子。然而，这种低通滤波作用，也同时导致了传统光克尔门选通成像技术通常会出现图像边缘模糊，影响了其成像质量，严重时甚至大大降低了其系统成像分辨率。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种飞秒外差光克尔门及基于该光克尔门的成像装置和方法，能够提高成像边缘锐利度和成像分辨率。
[0006]为达到上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0007]—种飞秒外差光克尔门，包括沿光路方向依次设置的起偏器、光克尔介质和检偏器，且起偏器的偏振方向与光路中光的偏振方向相同，检偏器的偏振方向与光路中光的偏振垂直方向呈3?5°的外差角(夹角)，起偏器和检偏器的通过孔径大于光路中透射光束的横向尺寸。
[0008]其开启时，透射光电场的表达式为:HMal2+Himaginary2+2Θ E0Hifflaginary,其中Hreal和Himaginary分别为普通光克尔门透射光电场的实部与虚部，均为非线性光学项，2 Θ E0Himaginary为飞秒外差光克尔门选通的探测光电场外差项，Θ为外差角，Etl为光克尔介质前入射光电场，E0含有探测光携带的被测目标的全部空间频谱成分。
[0009]所述的起偏器和检偏器为棱镜偏振器或消光比大于IO4:1的薄膜偏振器；其中棱镜偏振器包括尼科尔棱镜偏振器、格兰泰勒棱镜偏振器或渥拉斯顿棱镜偏振器。
[0010]所述的光克尔介质为三阶非线性光学材料。
[0011]所述的光克尔介质包括二硫化碳、硝基苯、钛酸锶钡、石英玻璃、重火石玻璃、铋酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、酞菁衍生物或C6tl衍生物。
[0012]一种基于飞秒外差光克尔门的成像装置，包括飞秒激光器，在飞秒激光器的发射光路上设有分束片，分束片将光路分成探测光路和开关光路，其中探测光路上依次设有待测目标、第一凸透镜、起偏器、光克尔介质、检偏器、凸透镜组和CXD (电荷耦合器件)，并使待测目标清晰的成像在CCD上；起偏器的偏振方向与探测光路中的飞秒探测脉冲光的偏振方向相同，检偏器的偏振方向与飞秒探测脉冲光的偏振垂直方向呈3?5°的外差角,起偏器和检偏器的通过孔径大于飞秒探测脉冲光的横向尺寸；开关光路上依次设有用于调节开关光路中的飞秒开关脉冲光的光程的光学延时线和调整飞秒开关脉冲光的偏振方向的半波片，且飞秒开关脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质内部的空间位置重合。
[0013]所述的待测目标设置在第一凸透镜的前焦面上，光克尔介质设置在第一凸透镜的后焦面上并同时设置在凸透镜组的前焦面上，CCD设置在凸透镜组的后焦面上。
[0014]所述的光学延时线由电脑控制的精密步进移动平台和放置在精密步进移动平台上的两个相互垂直的反射镜构成，两个相互垂直的反射镜对飞秒开关脉冲光进行后向反射；精密步进移动平台对飞秒开关脉冲光的光程的进行调整，调整精度为1.5?15微米，光学延时线的最小光程改变量为10?IOOfs。
[0015]所述的飞秒激光器经过放大器输出的重复频率为IkHz ；
[0016]所述的分束片的分束比为1: (I?4)，其中光强较大的一束作为探测光路；
[0017]所述的第一凸透镜和凸透镜组的透光孔径均为5?IOcm ；
[0018]所述的半波片为零级半波片，其材质为石英材质或BK玻璃。
[0019]一种基于飞秒外差光克尔门的成像方法，包括以下步骤:
[0020]I)将飞秒激光器出射的偏振的飞秒脉冲激光经分束片后分为两束，其中一束作为探测光路的飞秒探测脉冲光，另一束作为开关光路的飞秒开关脉冲光；
[0021]2)飞秒探测脉冲光入射到待测目标上，携带待测目标形貌信息后，经第一凸透镜聚焦后，顺次经过起偏器、光克尔介质和检偏器，其中起偏器、光克尔介质和检偏器构成飞秒外差光克尔门，且检偏器的偏振方向与飞秒探测脉冲光的偏振垂直方向呈3?5°的外差角；
[0022]3)飞秒开关脉冲光经光学延时线调整其光程后，再经过半波片调整其偏振方向，入射到光克尔介质上；
[0023]4)调节光学延时线，当飞秒开关脉冲光和飞秒探测脉冲光到达光克尔介质的时刻完全不重合时，此时仅有部分飞秒探测脉冲光能够通过检偏器，然后由飞秒外差光克尔门后的凸透镜组收集，并成像于CXD上，获得成像系统的参考图像；
[0024]5)调节光学延时线，当飞秒开关脉冲光和飞秒探测脉冲光到达光克尔介质的时刻重合时，飞秒开光脉冲光瞬时开启飞秒外差光克尔门，被飞秒外差光克尔门选通的飞秒探测脉冲光，经飞秒外差光克尔门后的凸透镜组收集，成像于C⑶上，获得成像系统的目标图像；[0025]6)将步骤5)中获得的目标图像减去步骤4)中获得的参考图像，得到待测目标的飞秒外差光克尔门选通图像。
[0026]进一步的，所述的飞秒外差光克尔门的外差角优选为3°，即检偏器的偏振方向与光路中光的偏振垂直方向呈3°的外差角。
[0027]进一步的，所述的凸透镜组至少包括两块凸透镜，即凸透镜组至少由第三凸透镜和第四凸透镜组成。
[0028]进一步的，调节半波片的光轴方向，使透过它的飞秒开关脉冲光偏振方向与飞秒探测脉冲光偏振方向呈45°夹角。
[0029]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0030]本发明提供的飞秒外差光克尔门，是将传统光克尔门的检偏器旋转3?5° (外差角度)后得到的。该飞秒外差光克尔门选通的探测光电场外差项中含有探测光携带的被测目标的全部空间频谱成分，因此外差项的引入补偿了普通飞秒光克尔门选通成像中缺失的被测目标的高频空间频谱成分，成像结果的边缘更加锐利，系统分辨率也更高。由于此时成像系统的时间分辨率仍由光克尔门的开关时间决定，这保证了成像系统仍然具有飞秒时间量级的极高时间分辨能力。克服了普通光克尔门选通成像时，由于利用单纯的非线性光学项成像，缺失部分探测光携带的被测目标的高频空间频谱成分，成像结果模糊与系统分辨率下降，边缘模糊以及系统分辨率下降的问题。
[0031]本发明提供的基于飞秒外差光克尔门的成像装置，将光路分为探测光路和开关光路。在探测光路中依次设置待测目标、第一凸透镜、飞秒外差光克尔门、凸透镜组和(XD，能够使待测目标清晰的成像在CCD上。其中飞秒外差光克尔门，由于引入了含有成像目标全部空间频谱成像的外差光学项，保证了其选通的探测光成像时可以得到成像边缘锐利，系统分辨率高的成像结果。开关光路中依次设置用于调节开关光路中的飞秒开关脉冲光的光程的光学延时线和调整飞秒开关脉冲光的偏振方向的半波片，且使得飞秒开关脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质内部的空间位置重合。由于光克尔门依赖于开关光和探测光与光克尔介质的产生的互作用光克尔效应完成其开合过程，因此装置中光学延时线和空间位置的调节，保证了成像系统中飞秒外差光克尔门能够有效地进行飞秒量级时间的开合。本发明提供的基于飞秒外差光克尔门的成像装置光路简单，基于光学外差技术，克服了传统的光克尔门选通成像装置在成像过程中，造成的成像边缘模糊，系统分辨率下降的缺点，在保持光克尔门选通成像装置的极高时间分辨率的前提下，具有成像边缘锐利，空间分辨率接近系统衍射极限的优点，特别适用于极高时间分辨的系统成像。
[0032]本发明提供的基于飞秒外差光克尔门的成像方法，涉及一种飞秒时间分辨的超快动态过程的观测方法，利用光学延时线调节飞秒开关脉冲光的光程，当飞秒开关脉冲光和飞秒探测脉冲光到达光克尔介质的时刻完全不重合时，CCD拍摄的图像作为成像系统的参考图像。由于此时检偏器旋开了一个很小的外差角度(3?5° )，少量飞秒探测脉冲光和开关脉冲光散射光可以通过检偏器，参考因此参考图像中包含了成像系统的全部散射光背底和可以忽略不计的目标图像信息。当飞秒开关脉冲光和飞秒探测脉冲光到达光克尔介质的时刻重合时，飞秒开光脉冲光瞬时开启飞秒外差光克尔门，被飞秒外差光克尔门选通的飞秒探测脉冲光成像于CCD上，获得成像系统的目标图像。由于飞秒外差光克尔门的瞬时开启的特点，保留了光克尔门选通成像系统的高时间分辨率，同时由于飞秒外差光克尔门具备补偿待测目标高频空间频谱的能力，保证了其成像结果边缘锐利，系统分辨率接近其衍射极限的效果。最后，利用目标图像减去参考图像，可以将目标图像中开关光散射等成像系统的背底噪声图像去除，即可得到超高时间分辨的待测目标的飞秒外差光克尔门选通图像。本发明提供的基于飞秒外差光克尔门的成像方法实现了高时间分辨与高品质的飞秒时间门选通成像，该方法实现简单、门选通时间极短，利用该方法进行超快成像，既可保证成像系统飞秒量级的时间分辨能力，又能得到边缘更锐利，成像空间分辨率接近成像系统衍射极限的成像结果，可应用于强散射介质内部隐藏物体成像、获取物质超快荧光图像等领域。
[0033]进一步的，本发明中用半波片调节开关光和探测光偏振方向呈45°夹角，保证了系统输入光强不变情况下，光克尔门可以获得最大的透过率。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1是本发明提供的基于飞秒外差光克尔门的成像装置的示意图；
[0035]图2是美军标1951USAF分辨率板的图像；
[0036]图3是例I的成像结果图，其中(a)为本发明的方法测得的选通图像，(b)为传统光克尔门选通图像，(C)为无光克尔门选通时的图像；
[0037]图4是例2的成像结果图，其中(a)为本发明的方法测得的选通图像，(b)为无光克尔门选通时的图像，(c)为去除散射介质后待测目标的真实图像；
[0038]其中:1为飞秒激光器、2为分束片、3为第一反射镜、4为第二反射镜、5为待测目标、6为第一凸透镜、7为 起偏器、8为光克尔介质、9为检偏器、10为第三反射镜、11为光学延时线、12为半波片、13为第四反射镜、14为第二凸透镜、15为遮挡板、16为第三凸透镜、17为第四凸透镜、18为(XD。
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0040]本发明提供的飞秒外差光克尔门，是将传统光克尔门的检偏器旋转3~5° (外差角度)后得到的，当其开启时，透射光电场的表达式为:
[0〇41] Hreal2+Himaginary2+2 Θ E0Himaginary
[0042]其中Hreal和Himaginmy分别为普通光克尔门透射光电场的实部与虚部，E0为光克尔介质前入射光电场，Θ为外差角。如果使用普通光克尔门，其选通的探测光电场为单纯的非线性光学项(Hrail和Himaginal7),该非线性光学项依赖于开关光和探测光与光克尔介质的产生的互作用光克尔效应。为了有效地滤除系统散射光或具备对较大目标成像的能力，在普通光克尔门中，光克尔介质需要被放置于成像目标在第一凸透镜后的频谱面上。此时，互作用光克尔效应发生区域(即探测光与开关光子光克尔介质中的重合区域)即相当于成像目标空间频谱的一个低通滤波器，导致了普通光克尔门选通成像时，利用单纯的非线性光学项成像时，会因为缺失部分探测光携带的被测目标的高频空间频谱成分，成像结果模糊与系统分辨率下降。边缘模糊以及系统分辨率下降的问题。飞秒外差光克尔门选通的探测光电场外差项2 Θ EtlHimaginmy中，Etl含有探测光携带的被测目标的全部空间频谱成分，因此外差项的引入补偿了普通飞秒光克尔门选通成像中缺失的被测目标的高频空间频谱成分，成像结果的边缘更加锐利，系统分辨率也更高。由于此时成像系统的时间分辨率仍由光克尔门的开关时间决定，这保证了成像系统仍然具有飞秒时间量级的极高时间分辨能力。
[0043]如图1所示，本发明提供的飞秒外差光克尔门，包括沿光路方向依次设置的起偏器7、光克尔介质8和检偏器9,且起偏器7的偏振方向与光路中光的偏振方向相同,检偏器9的偏振方向与光路中光的偏振垂直方向呈3?5°的外差角,起偏器7和检偏器9的通过孔径大于光路中透射光束的横向尺寸。起偏器7和检偏器9为棱镜偏振器或消光比大于IO4:1的薄膜偏振器。
[0044]所述的棱镜偏振器包括尼科尔棱镜偏振器、格兰泰勒棱镜偏振器或渥拉斯顿棱镜偏振器。
[0045]所述的光克尔介质8可以是如下三阶非线性光学材料中的一种:
[0046]I)有机液体:如二硫化碳、硝基苯等；
[0047]2)晶体材料:如钛酸锶钡等；
[0048]3)玻璃:如石英玻璃、重火石玻璃、铋酸盐玻璃、碲酸盐玻璃等；
[0049]4)有机无机复合材料:如凝胶法制备的酞菁衍生物、C60衍生物等。
[0050]参见图1，本发明提供的基于飞秒外差光克尔门的成像装置，包括飞秒激光器1，飞秒激光器发射的飞秒脉冲激光的单脉冲能量为3mJ，脉宽为50fs，经过放大器输出的重复频率1kHz。在飞秒激光器I的发射光路上设有分束比为1: (I?4)的分束片2，分束片2将光路分成两束，其中光强较大的一束作为探测光路，另一束作为开关光路。探测光路上依次设有第一反射镜3、第二反射镜4、待测目标5、透光孔径为5?IOcm的第一凸透镜6、起偏器7、光克尔介质8、检偏器9、由透光孔径为5?IOcm的第三凸透镜16和透光孔径为5?IOcm的第四凸透镜17组成的凸透镜组，以及(XD18，且待测目标5设置在第一凸透镜6的前焦面上，光克尔介质8设置在第一凸透镜6的后焦面上并同时设置在凸透镜组的前焦面上，(XD18设置在凸透镜组的后焦面上，由此使得待测目标5清晰的成像在(XD18上。起偏器7的偏振方向与探测光路中的飞秒探测脉冲光的偏振方向相同，检偏器9的偏振方向与飞秒探测脉冲光的偏振垂直方向呈3?5°的外差角，起偏器7和检偏器9的通过孔径大于飞秒探测脉冲光的横向尺寸。开关光路上依次设有第三反射镜10、用于调节开关光路中的飞秒开关脉冲光的光程的光学延时线11、调整飞秒开关脉冲光的偏振方向的石英材质或BK玻璃的零级半波片12、第四反射镜13、用于聚焦的第二凸透镜14和用于阻挡透射过光克尔介质的飞秒开关脉冲光的遮挡板15,且飞秒开关脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质内部的空间位置重合。光学延时线由电脑控制的精密步进移动平台和放置在精密步进移动平台上的两个相互垂直的反射镜构成，两个相互垂直的反射镜对飞秒开关脉冲光进行后向反射；精密步进移动平台对飞秒开关脉冲光的光程的进行调整，调整精度为1.5?15微米，光学延时线的最小光程改变量为10?lOOfs。
[0051]本发明的基于飞秒外差光克尔门的成像装置的优选参数如下:
[0052]飞秒激光器发射的飞秒脉冲激光的单脉冲能量为3mJ，脉宽为50fs，经过放大器输出的重复频率IkHz ;分束片的分束比为2:8 ;第一、第二、第三、第四凸透镜的透光孔径均为5cm,且第一、第二、第三、第四凸透镜(6、14、16、17)的焦距分别为10cm、18cm、IOcm和16cm ;起偏器7和检偏器9均为尼科尔棱镜偏振器,透光孔径为1.2cm ;光学延时线的最小光程改变量为10.4fs ;飞秒外差光克尔门的外差角为3°。
[0053]本发明提供的基于飞秒外差光克尔门的成像方法，首先将飞秒激光器出射的飞秒脉冲激光分成两路，通过其中一路飞秒探测脉冲光入射到待测目标上，携带其形貌信息后，再由另一路飞秒开关脉冲光控制飞秒外差光克尔门，对携带待测目标形貌信息的飞秒探测脉冲光进行超快时间门选通。通过含有待测目标全部空间频谱信息的本地振荡光(光外差分量)的引入，提高了成像边缘锐利度和系统的成像分辨率，进而实现对待测目标形貌极高时间分辨的获取。
[0054]参见图1，该成像方法具体包括以下步骤:
[0055]I)从飞秒激光器I出射的偏振的飞秒脉冲激光被分束片分为两束，其中光强较强的一束为探测光路的飞秒探测脉冲光，另一束为开关光路的飞秒开关脉冲光。
[0056]2)飞秒探测脉冲光经第一、第二反射镜调整传播方向后，入射到待测目标5上。飞秒探测脉冲光携带待测目标形貌信息后，经第一凸透镜6聚焦后入射到飞秒外差光克尔门中。其中待测目标5和光克尔介质8分别位于第一凸透镜6的前后焦平面上。飞秒外差光克尔门由起偏器7、光克尔介质8和检偏器9构成。起偏器的偏振方向与飞秒探测脉冲光的偏振方向一致，检偏器的偏振方向与飞秒探测脉冲光的偏振垂直方向呈3?5°的外差角。
[0057]3)飞秒开关脉冲光经第三反射镜10调整方向后，入射到光学延时线11上。经光学延时线调整其光程后，再由一个石英材质的零级半波片12调整其偏振方向。为保证优异的飞秒外差光克尔门开关效率，经零级半波片调整后的飞秒开关脉冲光的偏振方向与飞秒探测脉冲光的偏振方向呈45°夹角。然后飞秒开关脉冲光经第四反射镜反射后，经第二凸透镜13弱聚焦，入射到光克尔介质8上，透射的飞秒开关脉冲光被遮挡板15阻挡。调节第三、第四反射镜和第二凸透镜，保证飞秒探测脉冲光和飞秒开关脉冲光在光克尔介质内的空间位置重合。
[0058]4)调节光学延时线。当飞秒探测脉冲光和飞秒开关脉冲光到达光克尔介质的时刻完全不重合时，由于检偏器的偏振方向与飞秒探测脉冲光的偏振垂直方向呈3?5°的外差角，少量的飞秒探测脉冲光将通过检偏器，经凸透镜组(由第三、第四凸透镜组成)收集后，成像于电荷耦合器件CCD18上，得到成像系统的参考图像。
[0059]5)调节光学延时线。当飞秒探测脉冲光和飞秒开关脉冲光到达光克尔介质的时刻重合时，飞秒开关脉冲光在光克尔介质内诱导瞬态双折射效应，进而瞬时开启飞秒外差光克尔门。被飞秒外差光克尔门选通的飞秒探测脉冲光经凸透镜组收集后，成像于C⑶上，获得成像系统的目标图像。
[0060]6)将步骤5)中获得的目标图像减去步骤4)中获得的参考图像，即可得到待测目标的飞秒外差光克尔门的选通图像。
[0061]为了证实本发明的效果，下面结合附图和两个具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0062]实施例1
[0063]本实施例以暴露于空气中的鉴别率板(美军标1951USAF分辨率板，符合美国MIL-STD-150A标准)作为待测样品。该鉴别率板上的图案包括几组由三条短线构成组合，短线的尺寸从大到小，这种测试图广泛地应用于测试光学成像系统(如显微镜和相机)的分辨能力。图2为直接使用数码相机拍摄该分辨率板的图像。具体实施步骤如下:[0064](I)从飞秒激光器出射的单脉冲能量为3mJ，脉宽为50fs，重复频率1kHz，水平方向偏振的飞秒脉冲激光，经过一个约为4_的光阑限制后，被分束比为2:8的分束片分为两束，其中光强较强的一束为飞秒探测脉冲光，另一束为飞秒开关脉冲光。
[0065](2)飞秒探测脉冲光经第一、第二反射镜调整传播方向后，入射到待测样品的0-4号图案上。透射的飞秒探测脉冲光，经第一凸透镜聚焦后入射到飞秒外差光克尔门中。其中待测目标和光克尔介质分别位于第一凸透镜的前后焦平面上。飞秒外差光克尔门由起偏器、光克尔介质和检偏器构成。其中光克尔介质米用放置于比色皿中的二硫化碳，起偏器和检偏器采用通光孔径约为1.2cm的尼科尔棱镜，起偏器的偏振方向与飞秒探测脉冲光的偏振方向一致，检偏器的偏振方向与飞秒探测脉冲光的偏振垂直方向呈3°的外差角。
[0066](3)飞秒开关脉冲光经第三反射镜调整方向后，入射到光学延时线上。经光学延时线调整其光程后，再由一个石英材质的零级半波片调整其偏振方向。为保证优异的飞秒外差光克尔门开关效率，经半波片调整后的飞秒开关脉冲光的偏振方向与飞秒探测脉冲光的偏振方向呈45°夹角。然后飞秒开关脉冲光经第二凸透镜弱聚焦后，入射到光克尔介质上，透射的飞秒开关脉冲光被遮挡板阻挡。
[0067](4)调节第三、第四反射镜和第二凸透镜，保证飞秒探测脉冲光和飞秒开关脉冲光在光克尔介质内空间位置重合，然后调节光学延时线。当飞秒探测脉冲光和飞秒开关脉冲光到达光克尔介质的时刻完全不重合时，由于检偏器的偏振方向与飞秒探测脉冲光的偏振垂直方向呈3°的外差角，少量的飞秒探测脉冲光将通过检偏器。经凸透镜组收集后，成像于电荷耦合器件(CCD)上，获得成像系统的参考图像。当飞秒探测脉冲光和飞秒开关脉冲光到达光克尔介质的时刻重合时，飞秒开关脉冲光在光克尔介质内诱导瞬态双折射效应，进而瞬时开启飞秒外差光克尔门。被飞秒外差光克尔门选通的飞秒探测脉冲光，经凸透镜组收集后，成像于C⑶上，可以获得成像系统的目标图像。
[0068](5)将步骤(4)中获得的目标图像减去参考图像，即可得到待测目标的外差光克尔门选通图像，如图3 (a)所示。
[0069]进一步，为了对本方法得到的成像结果与传统方法进行比较，在上述步骤(4)中，将检偏器的偏振方向调整为飞秒探测脉冲光的偏振垂直方向(此处即为竖直方向)，得到了传统的光克尔门选通图像，如图3 (b)所示。然后，将检偏器的偏振方向调整为飞秒探测脉冲光的偏振方向(即为水平方向)，得到了飞秒脉冲透射待测目标后，无光克尔门选通时的图像，如图3 (c)所示。从图3中可以看出，使用传统方法得到的图像，由于光克尔门的滤波作用，其边缘比较模糊，而使用本方法提出的飞秒外差光克尔门得到的选通图像同待测目标的直接透射图像一样，边缘非常清晰锐利。
[0070]实施例2
[0071]本实施例以隐藏于聚苯乙烯微球悬浊液中的鉴别率板作为待测样品，模拟本发明对于大量散射环境中隐藏物体成像的能力。鉴别率板同实例I中所述。具体实施步骤如下:
[0072](I)将少量粒径为15微米的聚苯乙烯微球掺入去离子水中，制得聚苯乙烯微球悬浊液。该悬浊液是一种常用的标准散射介质。通过调节聚苯乙烯微球的浓度，获得光学密度为10的强散射体。将鉴别率板放置于该散射介质前，构成本实例的待测样品。
[0073](2)从飞秒激光器出射的单脉冲能量为3mJ，脉宽为50fs，重复频率1kHz，水平方向偏振的飞秒脉冲激光，光斑的横向尺寸约为8mm,被分束比为2:8的分束片分为两束，其中光强较强的一束为飞秒探测脉冲光，另一束为飞秒开关脉冲光。
[0074](3)飞秒探测脉冲光经第一、第二反射镜调整传播方向后，入射到待测样品的I号系列图案(待测目标)上，入射到聚苯乙烯微球液。携带待测目标形貌信息的飞秒外差光克尔门选通图像的获取，参考例I的步骤(2)?(5)，结果如图4 Ca)所示。
[0075](4)进一步，为了体现本方法针对散射环境中隐藏物体的成像能力，还将检偏器的透振方向调整为水平方向，得到了飞秒脉冲透射待测目标后，无光克尔门选通时的图像，如图4 (b)所示。从图4(b)可以看出，直接对处于强散射体内待测目标成像时，由于散射光子的干扰，无法得到待测目标图像。同样为了对比作用，我们在图4 (b)的实验条件下，进一步去除本实例中的散射介质，得到待测目标的真实图像，如图4 (c)所示。由图4 (a)和图4 (c)可以看出，本方法得到的散射介质中待测目标的选通图像与其真实图像几乎一致，证实了本方法还具有针对强散射介质内隐藏物体成像的能力。
【权利要求】
1.一种飞秒外差光克尔门，其特征在于:包括沿光路方向依次设置的起偏器(7)、光克尔介质(8 )和检偏器(9 ),且起偏器(7 )的偏振方向与光路中光的偏振方向相同，检偏器(9 )的偏振方向与光路中光的偏振垂直方向呈3~5°的外差角,起偏器(7)和检偏器(9)的通过孔径大于光路中透射光束的横向尺寸。
2.根据权利要求1所述的飞秒外差光克尔门，其特征在于:其开启时，透射光电场的表达式为:Hreal2+Himaginary2+2 Θ EtlHimaginary，其中Hreal和Himaginary分别为普通光克尔门透射光电场的实部与虚部，均为非线性光学项，2 Θ E0Hifflaginary为飞秒外差光克尔门选通的探测光电场外差项，Θ为外差角，Etl为光克尔介质前入射光电场，Etl含有探测光携带的被测目标的全部空间频谱成分。
3.根据权利要求1所述的飞秒外差光克尔门，其特征在于:所述的起偏器(7)和检偏器(9)为棱镜偏振器或消光比大于IO4:1的薄膜偏振器；其中棱镜偏振器包括尼科尔棱镜偏振器、格兰泰勒棱镜偏振器或渥拉斯顿棱镜偏振器。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的飞秒外差光克尔门，其特征在于:所述的光克尔介质(8)为三阶非线性光学材料。
5.根据权利要求4所述的飞秒外差光克尔门，其特征在于:所述的光克尔介质(8)包括二硫化碳、硝基苯、钛酸锶钡、石英玻璃、重火石玻璃、铋酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、酞菁衍生物或C6tl衍生物。
6.一种基于飞秒外差光克尔门的成像装置，其特征在于:包括飞秒激光器(I )，在飞秒激光器(I)的发射光路上设有分束片(2)，分束片(2)将光路分成探测光路和开关光路，其中探测光路上依次设有待测目标(5)、第一凸透镜(6)、起偏器(7)、光克尔介质(8)、检偏器(9)、凸透镜组和CXD (18)，并使待测目标(5)清晰的成像在CXD (18)上；起偏器(7)的偏振方向与探测光路中的飞秒`探测脉冲光的偏振方向相同，检偏器(9)的偏振方向与飞秒探测脉冲光的偏振垂直方向呈3~5°的外差角，起偏器(7)和检偏器(9)的通过孔径大于飞秒探测脉冲光的横向尺寸；开关光路上依次设有用于调节开关光路中的飞秒开关脉冲光的光程的光学延时线(11)和调整飞秒开关脉冲光的偏振方向的半波片(12)，且飞秒开关脉冲光入射到光克尔介质(8)内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质(8)内部的空间位置重合。
7.根据权利要求6所述的基于飞秒外差光克尔门的成像装置，其特征在于:所述的待测目标(5)设置在第一凸透镜(6)的前焦面上，光克尔介质(8)设置在第一凸透镜(6)的后焦面上并同时设置在凸透镜组的前焦面上，CXD (18)设置在凸透镜组的后焦面上。
8.根据权利要求6或7所述的基于飞秒外差光克尔门的成像装置，其特征在于:所述的光学延时线(11)由电脑控制的精密步进移动平台和放置在精密步进移动平台上的两个相互垂直的反射镜构成，两个相互垂直的反射镜对飞秒开关脉冲光进行后向反射；精密步进移动平台对飞秒开关脉冲光的光程的进行调整，调整精度为1.5~15微米，光学延时线(11)的最小光程改变量为10~IOOfs。
9.根据权利要求6或7所述的基于飞秒外差光克尔门的成像装置，其特征在于:所述的飞秒激光器(I)经过放大器输出的重复频率为IkHz ； 所述的分束片(2)的分束比为1: (I~4)，其中光强较大的一束作为探测光路； 所述的第一凸透镜(6)和凸透镜组的透光孔径均为5~IOcm ；所述的半波片(12)为零级半波片，其材质为石英材质或BK玻璃。
10.一种基于飞秒外差光克尔门的成像方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)将飞秒激光器(I)出射的偏振的飞秒脉冲激光经分束片(2)后分为两束，其中一束作为探测光路的飞秒探测脉冲光，另一束作为开关光路的飞秒开关脉冲光； 2)飞秒探测脉冲光入射到待测目标(5)上，携带待测目标形貌信息后，经第一凸透镜(6)聚焦后，顺次经过起偏器(7)、光克尔介质(8)和检偏器(9)，其中起偏器(7)、光克尔介质(8)和检偏器(9)构成飞秒外差光克尔门，且检偏器(9)的偏振方向与飞秒探测脉冲光的偏振垂直方向呈3~5°的外差角； 3)飞秒开关脉冲光经光学延时线(11)调整其光程后，再经过半波片(12)调整其偏振方向，入射到光克尔介质(8)上； 4)调节光学延时线(11)，当飞秒开关脉冲光和飞秒探测脉冲光到达光克尔介质(8)的时刻完全不重合时，此时仅有部分飞秒探测脉冲光能够通过检偏器(9)，然后由飞秒外差光克尔门后的凸透镜组收集，并成像于CXD (18)上，获得成像系统的参考图像； 5)调节光学延时线(11)，当飞秒开关脉冲光和飞秒探测脉冲光到达光克尔介质(8)的时刻重合时，飞秒开光脉冲光瞬时开启飞秒外差光克尔门，被飞秒外差光克尔门选通的飞秒探测脉冲光，经飞秒外差光克尔门后的凸透镜组收集，成像于CXD (18)上，获得成像系统的目标图像； 6)将步骤5)中获得的 目标图像减去步骤4)中获得的参考图像，得到待测目标(5)的飞秒外差光克尔门选通图像。
【文档编号】G02F1/35GK103728811SQ201310471560
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年10月10日 优先权日:2013年10月10日
【发明者】谭文疆, 司金海, 占平平, 许士超, 陈烽, 侯洵 申请人:西安交通大学