专利名称：：用于4f相位相干成像系统的相位光阑的制作方法
技术领域：
：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：
：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。光学逻辑、光学记忆、光三极管、光开关和相位复共轭等功能的实现主要依赖于非线性光子学材料的研究进展。光学非线性测量技术是研究非线性光子学材料的关键技术之一。其中4f相位相干成像系统(G.BoudebsandS.Cherukulappurath，"Nonlinearopticalmeasurementsusinga4fcoherentimagingsystemwithphaseobject",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的新方法。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。现有技术中，采用的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兀/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地利用相位光阑来实现了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。如何在同样的入射光强度下，增加检测的灵敏度，是本领域急需解决的技术问题。
发明内容本发明的目的是，提供一种改进的相位光阑，用于4f相位相干成像系统，通过结构的改进，使得测量精度得以提高。为达到上述目的，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，光阑本体由外围的环状透光带和中央的相位物体构成，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2m;r+7r/2，另一部分与环状透光带的相位差为2n;r-7r/2,式中，m，n为整数。产生上述技术方案的思路主要是假如将相位光阑中的相位物体的位相延迟变为-w/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的位置的强度将减小；而对于负非线性折射率的材料，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。优选的技术方案是，所述相位物体的两部分为相邻的两个半圆形相位物体。进一步的技术方案，所述光阑本体为圆形光阑，其中心镀有圆形的透明介质薄膜，构成所述相位物体，其中，圆形透明介质薄膜由两个厚度不等的半圆构成，其厚度设定满足半圆与所述外围的环状透光带的相位差的要求。一般地，所述两部分相位物体的相位差分别为7T/2和-tt/2。由于光波的位相是以2;r为周期的，因此，增加或减少2;r的整数倍并不会影响实验结果。上述技术方案中，通过将原来的圆形的统一相位延迟;r/2的相位物体改进成有两个半圆形相位物体，使得其中一个半圆形相位物体产生;r/2相位延迟，而另外一个半圆形相位物体产生-;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；r/2的区域由于正相衬强度增强，而相位延迟为-"/2的区域由于负相衬强度减小。用改进后的两个半圆形相位光闹产生的非线性图像中的强度的增加和减小与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的强度的增强或减小几乎相等。这样的话就使得系统的测量精度得以提高。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，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。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。测量完毕以后，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。对于通常的带有圆形物体的相位光阑，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Ar。对于我们改进后的带有两个相位延迟不同的半圆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；r/2的半圆区域的平均强度与相位延迟-;r/2的半圆区域的平均强度差值为Ar'。数值模拟显示，在相同入射光强的情况下，改进后的带两个半圆相位物体的相位光阑的非线性图像中，相位延迟;r/2的半圆区域的平均强度与带圆形相位物体的相位光阑的非线性图像中相位物体区域的平均强度几乎相等。但是在改进后的相位光阑的非线性图像中，相位延迟-;r/2的半圆区域的平均强度将减弱，因此Ar、Ar，即改进后的相位光阑使得测量系统的灵敏度增加。改进后的相位光阑中并不要求相位延迟分别为"/2和-;r/2的区域一定要是严格的半圆。数值模拟证明两部分的相对大小的变化对系统的灵敏度影响很小(对于通常的相位物体半径与相位光阑半径之比为0.3的情况下，灵敏度变化小于3.5%)。考虑到相位物体越小变换衍射带来的影响越大，选取两部分相位物体为半圆是比较合适的。改进后的相位光阑的灵敏度的提高是随着样品非线性相移的变化而不同的。将灵敏度的变化定义为A77Ar，则当样品内产生的非线性相移|(1^|<"的情况下，灵敏度都可以得到提高。小相移(0肌*0)情况下，Ar'/Ar=1.72，对于非线性相移为负的情况，灵敏度的增大非常明显，当0^=-冗时，灵敏度的增力口可以达至<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>由于上述技术方案的采用，本发明与现有技术相比，具有下列优点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。图1是本发明实施例一中的4f相位相干成像系统原理图2是现有技术中带圆形相位物体的相位光阑示意图3是实施例一中带两个半圆形相位物体的相位光阑示意图4是实施例一中用于对比的带圆形相位物体的相位光阑数值模拟的非线性图像及其剖面图5是本发明实施例一中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及其剖面图6是本发明实施例一中两个半圆相位物体的大小与实验精度的关系图7是本发明实施例一中带圆形相位物体相位光阑的Ar和带两个半圆形相位物体的相位光阑的Ar'与非线性相移的关系图8是本发明实施例一中非线性相移与实验精度增加的关系图；图9是本发明实施例一中附图7的局部放大图。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、中性衰减片；7、CCD相机；8、分束镜；9、反射镜；10、凸透镜；11、反射镜；12、分束镜；13、圆形相位物体；14、半圆形相位物体；15、半圆形相位物体。具体实施方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述实施例一附图1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l、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CCD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，待测样品4在傅里叶平面上，而CCD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这部分在图1中省略了，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上，由于待测样品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CCD相机7进行接收，称为主光斑。能量参考系统由分束镜8、反射镜9、凸透镜IO、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IO、反射镜ll和分束镜12最后由CCD相机7接收，称为参考光斑。附图2所示是现有技术的相位光阑，相位物体13为圆形，通过相位物体13的光束比其它部分的光束位相延迟;r/2。附图3所示的是本实施例的相位光阑，由半圆形相位物体14和半圆形相位物体15共同组成一个圆形的相位物体。其中半圆形相位物体14产生相位延迟;r/2，半圆形相位物体15产生相位延迟-;r/2。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第一步取走待测样品4，用CCD相机7采集一个脉冲图像，称为无样品图像。第二步将待测样品4放置在傅里叶平面，将中性衰减片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。第三步将待测样品4放置在傅里叶平面，将先前采集线性图像是使用的中性衰减片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。能量校准是将非线性样品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。附图4(a)是由通常的带圆形相位物体的相位光阑得到的非线性图像，而附图4(b)则是附图4(a)沿y=0的剖面图。数值模拟所用的主要参数为相位物体半径与光阑半径之比/7=Zp/ia=0.5mm/1.7mm0.3，待测样品非线性相移dV=1。附图5(a)是用改进后的带两个半圆形相位物体的相位光阑得到非线性图像，而附图5(b)则是附图5(a)沿y=0的剖面图。模拟中所用的相位物体半径与光阑半径之比以及样品非线性相移都与图4中相同。定义带圆形相位物体的相位光阑产生的非线性图像中相位光阑位置的平均强度与相位物体之外的平均强度之差为Ar。而对于带两个半圆形相位物体的相位光阑产生的非线性图像，将位相延迟为；r/2的半圆形相位物体的位置的平均强度与位相延迟为-;r/2的半圆形相位物体位置的平均强度之差定义为Ar'。从附图4(b)和附图5(b)中可以看到附图4(b)中的Ar与附图5(b)中位相延迟为；r/2的半圆形相位物体的位置的平均强度与相位物体之外的平均强度之差几乎相等，从而Ar、Ar,即改进后的相位光阑是系统的测量灵敏度得到了提高。对于改进的相位光阑中的位相延迟不同的两部分相位物体并不一定要求是严格的半圆。我们定义/Z为两部分相位物体平行于y轴方向的分界线到x=0的距离与相位物体半径^的比值，//=W^。如附图6所示，数值模拟显示系统的灵敏度与/Z的关系不大，变化小于3.5%。考虑到相位物体越小，实验中受到的边缘衍射会越严重，因此选择两部分相位物体都是半圆是很合适的。附图7是带圆形相位物体的相位光阑的Ar与带两个半圆形相位物体的相位光阑的a:r与非线性相移的关系曲线。从中看出在|0)」<"的范围内，at在正的非线性相移范围内灵敏度明显大于相应的负非线性相移。而Ar'关于0)肌=0为中心对称图形，并且在IO见l〈;r的范围内Ar'的灵敏度都高于Ar，对于负的非线性相移灵敏度的增加尤为明显。将Ar'/a:r的比值与非线性相移的关系曲线作图显示在附图8中。在附图8中，当dV二1.26;r时由于A7^0而出现一个畸点，这个畸点数值太大使得在非线性相移比较小的情况下灵敏度的增加情况看不清楚，因此我们将附图8中|(1)肌|<"的范围放大显示在附图9中，对于更大的非线性相移使用4f相位相干成像系统测量信号Ar会出现振荡，而且现实中达到这么大相移的情况不常见，所以我们不予考虑。从附图9中我们可以看到在整个|0^|<^的范围内改进后的相位光阑都可以使系统灵敏度提高。灵敏度的提高在负的非线性相移范围内是非常明显的，随着非线性相移的增加灵敏度提高的倍数在不断减小，当非线性相移增大到;r时，改进后的相位光阑与改进前的灵敏度几乎相同。参见下表1所示，可以清楚地看到改进后相位光阑灵敏度有明显提高。表l不同非线性相移所对应的系统灵敏度的提高<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>权利要求1.一种用于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2mπ+π/2，另一部分与环状透光带的相位差为2nπ-π/2，式中，m，n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，其特征在于所述相位物体的两部分为相邻的两个半圆形相位物体。3.根据权利要求2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光阑，其中心镀有圆形的透明介质薄膜，构成所述相位物体，其中，圆形透明介质薄膜由两个厚度不等的半圆构成，其厚度设定满足半圆与所述外围的环状透光带的相位差的要求。4.根据权利要求l或3所述的用于4f相位相干成像系统的相位光阑，其特征在于所述两部分相位物体的相位差分别为7T/2和-7T/2。全文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2mπ+π/2，另一部分与环状透光带的相位差为2nπ-π/2，式中，m，n为整数。改进后的相位光阑在非线性相移|Φ<sub>NL</sub>|＜π的范围内都可以使系统的测量精度得以提高。对于正的非线性相移灵敏度提高最大可达1.72倍，而对于负的非线性相移灵敏度的提高尤为明显，当Φ<sub>NL</sub>＝-π时灵敏度提高可达7.26倍。文档编号G02B5/00GK101169490SQ200710135430公开日2008年4月30日申请日期2007年11月9日优先权日2007年11月9日发明者吴茂成,宋瑛林,李云波,杨俊义,王玉晓,顾济华申请人:苏州大学