用于4f相位相干成像系统的相位光阑的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于4f相位相干成像系统的相位光阑，光阑本体由环状相位物体和环状相位物体内外两侧透光带构成，所述环状相位物体由两个半环形相位物体拼合而成，其中一个半环形相位物体与两侧透光带的相位差为，另一个半环形相位物体与两侧透光带的相位差为，式中，m，n为整数。本发明通过对相位光阑的结构改进，有效提高了4f相位相干成像法的检测灵敏度，同时降低了相位物体的加工难度。
【专利说明】用于4f相位相干成像系统的相位光阑
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光学元件，尤其是一种能提高4f相位相干成像系统测量精度的相位光阑。
【背景技术】
[0002]随着光通信和光信息处理等领域技术的飞速发展，非线性光子学材料研究日益重要。光逻辑、光存储、光三极管、光开关等功能的实现主要依赖于非线性光子学材料的研究进展。介质光学非线性参数的测量技术是研究非线性光学材料的关键技术。4f相位相干成像系统 G.Boudebs and S.Cherukulappurath, “Nonlinear optical measurementsusing a 4f coherent imaging system with phase object”， Phys.Rev.A， 69， 053813(1996)就是近年来提出的一种测量材料非线性折射和吸收的新方法。
[0003]4f相位相干成像法是一种光束畸变的测量方法，这种方法是在4f系统物平面上放置一个相位光阑，将待测的非线性物体放置在傅里叶平面上，而在出射面上用CCD相机接收出射激光脉冲图像的方法。这种方法可以利用单脉冲同时测量非线性折射系数的大小和符号。相位光阑是在一个圆形光阑的中心制作一个面积更小圆形的相位物体，通过相位物体的光比其它地方的光有一个π 2的相位延迟。当被测材料的非线性折射率为正的时候，CCD接收到的非线性图像由于正相衬的原因，在相位物体的位置强度比周围增强。相反的，当被测材料的非线性这折射率为负的时候，非线性图像的相位物体的位置的强度比周围要弱。4f相位相干成像法虽然巧妙的利用相位光阑来实现非线 性折射率的大小和符号的测量，但是仍然存在检测灵敏度的问题。
[0004]中国专利CN100507612C公开了一种用于4f相位相干成像系统的相位光阑，光阑本体由外围的环状透光带和中央的相位物体构成，其特征在于:所述相位物体分成两部分，其中一部分与环状透光带的相位差为2w.T-1 2 ,另一部分与环状透光带的相位差为
,式中，m, η为整数。上述专利对相位光阑的结构进行了改进，但灵敏度提高的不是很多，而且其中央的相位物体加工难度较大，因此如何在同样的入射光强度下，增加检测的灵敏度，同时降低中央的相位物体加工难度是本领域急需解决的技术问题。
【发明内容】
[0005]本发明的发明目的是提供一种改进的相位光阑，用于4f相位相干成像系统，通过对相位光阑结构的改进，使得在同样的入射光强度下，检测的灵敏度增加。
[0006]为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是:一种用于4f相位相干成像系统的相位光阑，光阑本体由环状相位物体和环状相位物体内外两侧透光带构成，所述环状相位物体由两个半环形相位物体拼合而成，其中一个半环形相位物体与两侧透光带的相位差为2ηντ—π 2,另一个半环形相位物体与两侧透光带的相位差为2η;τ-3!.++2,式中，m, η为整数。[0007]产生上述技术方案的主要思路是:假如将相位光阑中的相位物体的位相延迟变为3π/2,那么对于具有正的非线性折射的材料，实验中将产生一个负的相衬，即非线性图像中相位物体位置的强度将增加。如果对于同一个非线性材料能够同时实现正负两种相衬，那么灵敏度就会增加。由此，为了充分发挥相位物体的相衬作用，考虑设计出一种相位光阑，该相位光阑能够对待测非线性样品同时产生正相衬和负相衬，使得测量精度得以提高。
[0008]进一步的技术方案，所述光阑本体为圆形薄片，其中心镀有环形的透明介质薄膜，构成所述相位物体，其中，环形透明介质薄膜由两个厚度不等的半环拼合而成，其厚度设定满足半环与所述相位物体两侧透光带的相位差要求。
[0009]一般地，所述两部分相位物体的相位差分别为2和31 2。由于光波的位相是以2;τ为周期的，因此，增加或减少2;τ的整数倍并不会影响实验结果。
[0010]上述技术方案中，将原来的圆形的统一相位延迟；T 2的相位物体改进成有两个半环形相位物体，使得其中一个半环形相位物体产生;I 2相位延迟，而另外一个半环形相位物体产生3?r/2的相位延迟。对于非线性折射率为正的样品，在非线性图像中相位延迟为π 2的区域由于正相衬强度增强，而相位延迟为3;r.+ 2的区域由于负相衬强度减小。同样的，对于非线性折射率为负的样品，在非线性图像中相位延迟为3;r.+2的区域由于负相衬强度增强，而相位延迟为.τ ' 2区域正相衬强度减小。用改进后的两个半环形相位光阑产生的非线性图像中的强度的增加与减小的差值比改进前的圆形的相位光阑在相同强度入射光的情况下产生的非线性图像中相位光阑区域单一的增强(或减小)大很多。这样的话就使得系统的测量精度得以提高。
[0011]利用4f相位相干成像系统进行非线性率的测量分两步进行，即非线性测量和能量校准。非线性测量的具体步骤为:
(1)取走待测样品，用CCD相机采集一个脉冲图像，称为无样品图像；
(2)将待测样品放置在傅里叶平面，将中性衰减片放置在非线性样品之前，使得照射到样品上的光强降低到线性区域，用CCD相机采集一个脉冲图像，称为线性图像；
(3)将待测样品放置在傅里叶平面，将先前采集线性图像是使用的中性衰减片移到样品之后，用CCD相机采集一个脉冲图像，称为非线性图像。
[0012]能量校准是将非线性样品取走，将能量计放置在4f系统的两个凸透镜之间的某一位置使得激光光斑能够全部打到能量计探头上。发射一个激光脉冲，用能量计测量脉冲的能量，同时用CCD相机采集参考光路的参考光斑。由于此时光路中所有器件都是线性器件，所以根据参考光斑的强弱就可以知道入射脉冲能量的大小。这样在非线性测量过程中的入射到待测样品上的脉冲的能量就可以通过同一个激光脉冲产生的参考光斑来计算得到。
[0013]测量完毕后，以线性光栅作为输入通过数值拟合非线性光斑来得到非线性折射率的值。实验的灵敏度是由非线性光阑的强度差值来决定的。对于通常的带有圆形相位物体的相位光阑，定义归一化以后的非线性图像中相位物体区域的平均强度与相位物体以外区域的平均强度的差值为ΔT1。对于改进后的带有两个相位延迟不同的半环形相位物体的相位光阑，可以定义归一化以后的非线性图像中相位延迟?τ 2的半环形区域的平均强度与3-π.2相位延迟的半环形物体区域的平均强度差值为AT。[0014]数据模拟显示，在相同入射光强的情况下，ΔT比iT明显增大，即改进后的相位光阑使得测量系统的灵敏度增加。
[0015]由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点:
1.本发明通过对相位光阑的结构改进，使得在同样的入射光强度下，有效提高了检测的灵敏度。
[0016]2.与其他相位物体相比，在面积相同的情况下，环状相位物体外半径较大，有利于实际机械加工，降低了相位物体的加工难度。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]附图1是本发明4f相位相干成像系统的实验装置图；
附图2是实施例一中相位光阑意图；
附图3是对比例一中的相位光阑示意图；
附图4是对比例二中的相位光阑示意图；
附图5是实施例一中的相位光阑数值模拟的非线性图像；
附图6是附图5取正非线性折射时沿y=0的剖面图；
附图7是附图5取负非线性折射时沿y=0的剖面图；
附图8是对比例一中的相位光阑数值模拟的非线性图像；
附图9是附图7沿y=0的剖面图；
附图10是对比例二中的相位光阑数值模拟的非线性图像；
附图11是附图9沿y=0的剖面图；
附图12是实施例一中的相位光阑的ΔT与非线性相移的关系图；
附图13是对比例一中的环状相位物体的ΔT与其外径R1的关系曲线图。
[0018]其中:1、激光器；2、相位光阑；3、凸透镜；4、待测样品；5、凸透镜；6、中性率减片；
7、C⑶相机；8、分束镜；9、反射镜；10、凸透镜；11、反射镜；12、分束镜；13、环状相位物体；14、圆形相位物体；15、半圆形相位物体。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:
实施例一:
如附图2所示,是带环状相位物体13的相位光阑2的示意图,光阑本体由环状相位物体13和环状相位物体内外两侧白色透光带构成。相位物体外径和内径差为Lp，所述相位物体分成两部分，其中一部分与透光带的相位差为2pwt-r.2,另一部分与透光带的相位差为2ηπ + 3π.: 2 ,式中，m, η为整数。
[0020]如附图1所示，是4f相位相干成像系统的实验装置图。实验装置可以分为测量系统和能量参考系统两部分。测量系统由激光器1、相位光阑2、凸透镜3、待测样品4、凸透镜
5、中性滤波片6和CXD相机7组成。其中凸透镜3和凸透镜5构成4f系统，相位光阑2放置在4f系统的物面上，本实施例中使用的相位光阑2为带两个半环形相位物体的相位光阑，待测样品4在傅里叶平面上，而CXD相机7在4f系统的像平面上接收脉冲图像。从激光器发出的激光首先经过扩束，扩束后的激光脉冲经过相位光阑形成近top-hat光，光束经凸透镜3的傅里叶变换会聚到放置在傅里叶面上的待测样品4上，由于待测样品4的非线性折射性质使得入射的脉冲的相位发生变化。从样品后表面出射的脉冲经过凸透镜5的傅里叶逆变换由CXD相机7进行接收，称为主光斑。
[0021]能量参考系统由分束镜8、反射镜9、凸透镜10、反射镜11和分束镜12组成。从相位光阑2出来的激光被分束镜8分为两束，其中一束经反射镜9、凸透镜10、反射镜11和分束镜12最后由CCD相机7接收，称为参考光斑。
[0022]利用4f相位相干成像系统进行非线性折射率的测量分两部分进行，即非线性测量和能量校准。非线性测量的具体步骤为:
(1)取走待测样品4，用CCD相机7采集一个脉冲图像，称为无样品图像；
(2)将待测样品4放置在傅里叶平面，将中性率减片6放置在待测样品4之前，使得照射到待测样品4上的光强降低到线性区域，用CCD相机7采集一个脉冲图像，称为线性图像；
(3)将待测样品4放置在傅里叶平面，将先前采集线性图像是使用的中性率减片6移到待测样品4之后，用CCD相机7采集一个脉冲图像，称为非线性图像。
[0023]能量校准是将待测样品4取走，将能量计放置在凸透镜3和凸透镜5之间的某一位置使得激光光斑能够全部打到能量计探头上。发射一个激光脉冲，用能量计测量脉冲的能量，同时用CCD相机7采集参考光路的参考光斑。由于此时光路中所有器件都是线性器件，所以根据参考光斑的强弱就可以知道入射脉冲能量的大小。这样在非线性测量过程中的入射到待测样品4 上的脉冲的能量就可以通过同一个激光脉冲产生的参考光斑来计算得到。
[0024]测量完毕后，以线性光斑作为输入通过数值拟合非线性光斑来得到非线性折射率的值。实验的灵敏度是由非线性光阑的强度差值来决定的。对于改进后的带有两个相位延迟不同的半环形相位物体的相位光阑，可以定义归一化以后的非线性图像中相位延迟I '2的半环形区域的平均强度与3:7/2相位延迟的半环形物体区域的平均强度差值为ΔT。
[0025]附图5是带环状相位物体13的相位光阑2数值模拟的非线性图像(取正非线性折射)，而附图6则是附图5沿y=0的剖面图，附图7同时给出了取负非线性折射时沿y=0的剖面图。可以看到对正非线性折射，左边凸起，右边凹下去；相反对负非线性折射，左边凹下去，右边凸起，以此可从图像上判断非线性折射的正负。
[0026]附图12所示数值模拟显示改进后系统的灵敏度ΔT与非线性相移Φλι的关系，图
中可以看出—π < ΦΛ1 </Τ变化时^^随.^变化且在0.7$左右时有最大值。
[0027]对比例一:
本对比例中所使用的相位光阑如附图3所示，为带圆形相位物体的相位光阑。
[0028]附图8是对比例一中的相位光阑数值模拟的非线性图像，而附图9则是附图8沿y=0的剖面图。考虑实际制造工艺限制，数值模拟所用的相位物体半径通常选择为Lp=0.5mm，光阑半径为Ra=L 5mm，待测样品非线性相移ΦΛΖ =0.51。对于带环状相位物体13的相位光阑产生的非线性图像，定义环形相位区域产生的非线性图像中相位延迟?τ.2相位光阑位置的平均光强与相位延迟3^ 2相位光阑位置的平均强度之差定义为ΔT ,而定义带圆形相位物体14的相位光阑产生的非线性图像中相位物体区域的平均强度与相位物体以外区域的平均强度的差值为ΔT%上面模拟得AT’ = 0.3596。
[0029]环状相位物体外径用R1表示，保持环状相位物体面积与圆形相位物体面积相等，考虑虹随R1变化的关系，如附图13所示，光阑半径Ra仍为1.5_，从图中可以看出札取
0.5mm到1.5mm, ΔT —直大于(R1取1.5mm时，ΔT最小为0.4042，大于ΔT,说明带环状相位物体的相位光阑对系统的测量灵敏度有较大提高。其中当R1=0.69mm时，环状相位物体内径为0.48mm, AT有最大值=0.5742，ΔΤ纖:ΔT =1.60，比圆形相位物体信号大60%,保持灵敏度高于圆形相位物体,环状相位物体尺寸可以从0.5mm到1.5mm范围选择,更大的尺寸选择范围，有利于实际加工，降低对机械精度的要求。
[0030]对比例二: 本对比例中所使用的相位光阑如附图4所示，为带两个半圆形相位物体的相位光阑。
[0031]附图10是带两个半圆形相位物体的相位光阑数值模拟的非线性图像，而附图11则是附图9沿y=0的剖面图，数值模拟所使用的主要参数:Lp=0.5mm (即两个半圆形相位物体面积与对比例一中圆形相位物体面积相等)，Ra=1- 5mm,相位物体左半边相移>τ 2 ,右半边相移,非线性相移Φλι =0.50。定义归一化以后的非线性图像中相位延迟1.+2的半圆形区域的平均强度与3ι.2相位延迟的半圆形物体区域平均强度之差为ΔT”，模拟得到ΔΤ" = 0.5490。对于带环状相位物体的相位光阑,保持相位物体面积与带两个半圆形相位物体面积相等，光阑半径Ra仍为1.5mm,从附图13中可以看到，当0.5mm< R1 < 0.86mm时，ΔT> 0.5490，灵敏度没有下降，从对比例一中知，R1=0.69mm时，ΔT有最大值，ΔT.ΔT"
=1.046，即与半圆形相位物体相比，灵敏度提高了 4.6%，在保持灵敏度的同时，也给环状相位物体的制造留下了选择余地。
[0032]为了更清楚地看到本发明相位光阑灵敏度的提高，将部分数值列于下表。
[0033]
【权利要求】
1.一种用于4f相位相干成像系统的相位光阑，其特征在于:光阑本体由环状相位物体和环状相位物体内外两侧透光带构成，所述环状相位物体由两个半环形相位物体拼合而成，其中一个半环形相位物体与两侧透光带的相位差为2Μπ-^π/2 ,另一个半环形相位物体与两侧透光带的相位差为2,式中，m, η为整数。
2.根据权利要求1所述的用于4f相位相干成像系统的相位光阑，其特征在于:所述光阑本体为圆形薄片，其中心镀有环形的透明介质薄膜，构成所述相位物体，其中，环形透明介质薄膜由两个厚度不等的半环拼合而成，其厚度设定满足半环与所述两侧透光带的相位差的要求。`
【文档编号】G02B5/00GK103760629SQ201410006402
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月7日 优先权日:2014年1月7日
【发明者】宋瑛林, 倪开灶, 王伟, 聂仲泉, 杨俊义, 杨勇, 刘南春, 刘小波 申请人:苏州大学