一种双开关脉冲的飞秒光克尔门及其实现方法与流程

本发明属于超快速成像与测量技术领域，涉及一种双开关脉冲的飞秒光克尔门及其实现方法。

背景技术：

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。

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。

在传统的光克尔门选通成像技术中，为了保证较高的信号透过率，往往要求光克尔介质具有较高强度的非线性效应，这类材料的非线性光学效应起源往往包含比重大的非电子响应机制。例如目前最常使用的的光克尔介质二硫化碳，其三阶非线性光学效应主要来源与分子再取向效应，当开关脉冲激励消失后，它会存在较长的分子弛豫时间，导致以二硫化碳为介质的光克尔门关闭时间增加，选通成像的时间分辨率受到限制。另一方面，光克尔门如果使用非线性响应完全起源于电子响应的光克尔介质，例如石英玻璃，其开关时间将非常快，主要受限于开关脉冲的宽度，但是这类材料的光学非线性强度往往较弱，形成的光克尔门在同等条件下，信号透过率较低。因此，发展各种技术，同时提升光克尔门的开关时间和透过率，对于其应用具有非常重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种双开关脉冲实现高透过率、快开关时间的飞秒光克尔门的方法及其装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种双开关脉冲的飞秒光克尔门装置包括飞秒激光器，在飞秒激光器的发射光路上设有第一分束片，第一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第二衰减片、第二凸透镜、起偏器、光克尔介质、检偏器、第三凸透镜、长通滤波器和探测器，使探测光被双开关光的光克尔门选通；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方向垂直。开关光路上依次设有用于调节开关脉冲的光程的第一光学延时线和用于将开关光分成两束的第二分束片；第一束开关光经过第三衰减片、第二半波片，将第一开关脉冲光的偏振方向调整为与探测光偏振方向成30°～60°，再经过第四凸透镜，到达光克尔介质；第二束开关光经过用于调整光强度的第一衰减片、用于调节第二束开关脉冲光程的第二光学延时线，经过第一半波片，将其偏振方向调整为和第一个开关脉冲偏振方向垂直，再经过第一凸透镜，到达光克尔介质。且两束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。

分开的两束开关光之间存在一定的时间延迟，等效为两个先后出现的光克尔门。第二个光克尔门在时间轴上大约位于第一个光克尔门的关闭阶段，这段时间内的两个光克尔效应产生相互抵消的效果，从而加快光克尔门的关闭速度；两个门的相对位置可通过第二光学延时线进行调节，两个门的开关脉冲强度比值可以由第一衰减片进行调节。

所述的飞秒激光器为含有放大器的飞秒激光系统；

所述的第一分束片和第二分束片的分束比为1:(1～4)。

所述的第一、第二和第三衰减片为中性衰减片，包括固定光学密度的中性衰减片或者可变中性密度衰减片。

所述的第一光学延时线和第二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，第一光学延时线和第二光学延时线的最小光程改变量为10～100fs。

所述的第一半波片和第二半波片为零级半波片，其材质为石英材质或BK玻璃。

所述的起偏器和检偏器为棱镜偏振器或消光比大于10⁴:1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。

所使用的光克尔介质为三阶非线性光学材料。

所述的光克尔介质包括二硫化碳、硝基苯、四氯化碳、苯、NMP等。

一种双开关脉冲的飞秒光克尔门的实现方法，包括以下步骤：

1)将飞秒激光器出射的偏振的飞秒脉冲激光经第一分束片分为两束，其中一束作为探测脉冲光，另一束作为开关脉冲光；

2)飞秒探测脉冲光经第二衰减片衰减，第二凸透镜聚焦后，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光克尔门。分别调整起偏器和检偏器至探测光偏振方向的平行方向和垂直方向。

3)飞秒开关脉冲光经第一光学延时线调整其光程后，再经过第二分束片分为两束开关脉冲光。

4)第一束开关光经过第三衰减片、第二半波片和第四凸透镜入射到光克尔介质上；调整第二半波片使第一束开关光偏振方向与探测光偏振方向为30°～60°，调整第一光学延时线使第一束开关光光程与探测光相同。

5)第二束开关光经过第一衰减片，第二光学延时线，经过第一半波片和第一凸透镜入射到光克尔介质上；调整第一半波片使第二束开关光偏振方向与第一束开关光偏振方向垂直。调整第二光学延时线使第二束开关光光程与探测光相同。调整第一衰减片至合适位置，使第二束开关光强度不高于第一束开关光，并保持适当的比值。

6)根据探测器接收到光克尔信号，利用电脑控制的精密步进移动平台控制第一光学延时线移动并实时采集光克尔信号数据，获得两束开关光同时作用下的光克尔信号曲线。

7)调整第二光学延时线，使第二个光克尔门略滞后于第一个光克尔门，大约位于其关闭阶段。重复步骤6)，测得光克尔信号曲线。

8)以步骤7)中测得的光克尔信号强度曲线为参考，重新进行第二延时线和第一衰减片的调节。经过反复调节，当两束开关光相对延时在0～1000fs以及强度比在0～1的某一值时，可得到高透过率和超快开关时间的光克尔门。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的双开关光的飞秒光克尔门技术，将光路分为探测光路和开关光路。在开关光路中依次设置短通滤波器，光学延时线，分束片；从而开关光被分成两束，第一束开关光与传统光克尔门相同，由半波片调节其偏振方向与探测光偏振方向成30°～60°；第二束开关光依次经过衰减片，光学延时线，半波片，凸透镜后进入光克尔介质。第二束开关光在光程上略滞后于第一开关光，在偏振方向上与第一束开关光偏振方向垂直，是对介质分子进行反向作用的第二个光克尔门。第二个光克尔门在时间轴上大约位于第一个光克尔门的关闭阶段，这段时间内的两个光克尔效应产生相互抵消的效果，从而光克尔门的关闭阶段的关闭速度将会被加快，从而在高透过率的条件下，明显缩减了光克尔门开关时间。探测光路与传统光克尔门相同，经过衰减片、凸透镜、起偏器、光克尔介质、检偏器、凸透镜、长通滤波器和探测器，由双开关脉冲控制光克尔门的开启和关闭，实现对信号光高透过率、高时间分辨率的选通，在诸如飞秒时间分辨率超快荧光动力学研究等领域中具有重要的应用价值。

本发明提供的利用双开关脉冲实现飞秒光克尔门高透过率和超快开关时间的方法，是指通过对两个光克尔门的强度以及相对位置进行调整，以达到以下几个条件：第二路开关光强度不高于第一路开关光，并保持一定比值；两路开关光偏振方向相互垂直，并与探测光偏振方向成30°～60°；第二个光克尔门在时间轴上略滞后于第一个光克尔门，大约位于其关闭阶段。在这个过程中需要反复地利用精密步进移动平台测量克尔信号曲线，以此为参考才能进行进一步的调整。传统的单开关脉冲的飞秒光克尔门，由于高透过率光克尔介质材料的往往存在较长的弛豫时间，导致其光克尔门的关闭时间长；而本发明通过引入第二束开关脉冲，并通过不断地调节其相对强度与第一开光脉冲的相对延迟时间，使得光克尔门在第一开关脉冲激励的关闭阶段会受到第二束开关脉冲的有效控制，从而确保光克尔门的透过率主要受第一开关脉冲影响，而光克尔门的关闭时间在第二开关脉冲的调控下，大大缩短，进而同时实现飞秒光克尔门的高透过率和超快开关时间。

附图说明

图1是本发明提供的双开关脉冲飞秒光克尔门技术的装置示意图；

图2是利用本发明所测得的光克尔信号强度曲线(光克尔介质为CS₂)与利用传统光克尔门测得的CS₂，CCl₄、NMP、C₆H₆和石英玻璃这几个常见光克尔介质的时间分辨光克尔信号强度曲线的对比图。

图3是利用本发明所测得的光克尔信号强度曲线(光克尔介质为CS₂)与利用传统光克尔门测得的CS₂，CCl₄、NMP、C₆H₆和石英玻璃这几个常见光克尔介质的归一化时间分辨光克尔信号强度曲线的对比图。

其中：1为飞秒激光器、2为第一反射镜、3为第一分束片、4为第一光学延时线、5为第二反射镜、6为第三反射镜、7为第二分束片、8为第一衰减片、9为第第二光学延时线、10为第四反射镜、11为第一半波片、12为第一凸透镜、13为第五反射镜、14为第二衰减片、15为第二凸透镜、16为起偏器、17为光克尔介质、18为检偏器、19为第三凸透镜、20为探测器、21为第六反射镜、22为第三衰减片、23为第二半波片、24为第四凸透镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供的双开关光飞秒光克尔门，是将传统光克尔门的开关光分为两束，第一束开关光的光路与传统开关光相同，经过第二半波片将第一束开关光偏振方向调整为与探测光偏振方向夹角为+30°～+60°，第二束开关光经过衰减片调节其强度，经过第二光学延时线调节其相对于第一开关光的光程，通过第一半波片，将偏振方向调整为与与第一束开关光偏振方向垂直，然后经过第一凸透镜进入光克尔介质。两束开关光在几何上对称。通过引入第二束开关光，并通过对第二衰减片和第二光学延时线的适当地调节，使得第一个光克尔门的关闭阶段会受到第二开关光的有效控制。

如图1所示，本发明提供的双开关脉冲光飞秒光克尔门，包括飞秒激光器1，在飞秒激光器1的发射光路上设有第一分束片3，第一分束片3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第二衰减片14、第二凸透镜15、起偏器16、光克尔介质17、检偏器18、第三凸透镜19和探测器20，使探测光被双开关光的光克尔门选通；起偏器16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18的偏振方向与飞秒探测脉冲光的偏振方向垂直。开关光路上依次设有用于调节开关脉冲的光程的第一光学延时线4和用于将开关光分成两束的第二分束片7；第一束开关光经过第三衰减片22、第二半波片23，将第一开关脉冲光的偏振方向调整为与探测光偏振方向夹角为45°，再经过第四凸透镜24，到达光克尔介质17；第二束开关光经过用于调整这一路开关光强度的第一衰减片8、用于调节第二束开关脉冲的光程的第二光学延时线9，经过第一半波片11，将第二开关脉冲光的偏振方向调整为与第一束开关光偏振方向垂直，再经过第一凸透镜12，到达光克尔介质17。且两个飞秒开关脉冲光入射到光克尔介质17内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质17内部的空间位置重合。

所述的飞秒激光器含有放大器的飞秒激光系统；

所述的第一分束片和第二分束片的分束比为1:(1～4)。

所述的第一、第二和第三衰减片8、14、22为中性衰减片，包括固定光学密度的中性衰减片或者可变中性密度衰减片。

所述的第一光学延时线和第二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，第一光学延时线和第二光学延时线的最小光程改变量为10～100fs。

所述的第一半波片和第二半波片为零级半波片，其材质为石英材质或BK玻璃。

所述的起偏器和检偏器为棱镜偏振器或消光比大于10⁴:1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。

所使用的光克尔介质为三阶非线性光学材料。

所述的光克尔介质包括二硫化碳、硝基苯、四氯化碳、苯、NMP等非完全电子响应的光克尔介质。

本发明的双开关光的飞秒光克尔门技术的装置优选参数如下：

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；第一、第二分束片的分束比为1:1，各束光强度由三个衰减片灵活调节；第一、第二、第三、第四凸透镜的焦距分别为15cm、20cm、15cm和15cm；起偏器和检偏器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；以二硫化碳作为光克尔介质。

本发明提供的利用双开关脉冲实现飞秒光克尔门高透过率和超快开关时间的方法，是指通过对两个光克尔门的强度以及相对位置进行调整，以达到以下几个条件：第二路开关光强度不高于第一路开关光；两路开关光偏振方向相互垂直，并与探测光偏振方向成30°～60°；第二个光克尔门在时间轴上略滞后于第一个光克尔门，大约位于其关闭阶段。在这个过程中需要反复地利用精密步进移动平台测量克尔信号曲线，以此为参考才能进行进一步的调整。传统的单开关脉冲的飞秒光克尔门，由于高透过率光克尔介质材料的往往存在较长的弛豫时间，导致其光克尔门的关闭时间长；而本发明通过引入第二束开关脉冲，并通过不断地调节其相对强度与第一开光脉冲的相对延迟时间，使得光克尔门在第一开关脉冲激励的关闭阶段会受到第二束开关脉冲的有效控制，从而确保光克尔门的透过率主要受第一开关脉冲影响，而光克尔门的关闭时间在第二开关脉冲的调控下，大大缩短，进而同时实现飞秒光克尔门的高透过率和超快开关时间。

参见图1，该方法具体包括以下步骤：

1)将飞秒激光器1出射的偏振的飞秒脉冲激光经第一分束片3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)飞秒探测脉冲光经第二衰减片14衰减，第二凸透镜15聚焦后，顺次经过起偏器16、光克尔介质17和检偏器18，其中起偏器16、光克尔介质17和检偏器18构成飞秒光克尔门。分别调整起偏器16和检偏器18至探测光偏振方向的平行方向和垂直方向。

3)飞秒开关脉冲光经第一光学延时线4调整其光程后，再经过第二分束片7分为两束，分别作为两束开关脉冲光。

4)第一束开关光经过第三衰减片22、第二半波片23和第四凸透镜24入射到光克尔介质17上；调整第二半波片23使第一束开关光偏振方向为与探测光偏振方向夹角为45°，调整第一光学延时线4使第一束开关光光程与探测光相同。

5)第二束开关光经过第一衰减片8，第二光学延时线9，经过第一半波片11和第一凸透镜12入射到光克尔介质17上；调整第一半波片11使第二开关脉冲光的偏振方向与第一束开关光偏振方向垂直。调整第二光学延时线9使第二束开关光光程与探测光相同。调整第一衰减片8至合适位置，使第二束开关光强度不高于第一束开关光，并保持适当的比值。

6)根据探测器接收到光克尔信号，利用电脑控制的精密步进移动平台控制第一光学延时线4移动并实时采集光克尔信号数据，获得两束开关光同时作用下的光克尔信号曲线。

7)调整第二光学延时线9，使第二个光克尔门略滞后于第一个光克尔门，大约位于其关闭阶段。重复步骤6)，测得克尔信号曲线。

8)以步骤7)中测得的克尔信号强度曲线为参考，重新进行第二延时线9和第一衰减片8的调节。经过反复调节，当两束开关光相对延时以及强度比值适当时，可得到高透过率和超快开关时间的光克尔门。

实施例1

本实施例以二硫化碳作为光克尔介质。以二硫化碳、四氯化碳、苯、NMP、石英玻璃为参考样品。并以具体实施步骤如下：

(1)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，被分束比为1:1的第一分束片分为两束，一束为探测光，另一束为开关光。

(2)探测光经第五反射镜调整传播方向，经第二衰减片调整其强度，经第二凸透镜聚焦，进入起偏器、光克尔介质二硫化碳、检偏器，再经第三凸透镜聚焦后进入探测器。与传统光克尔门相同。

(3)开关光经第一光学延时线调整光程，第二、第三反射镜调整方向后，入射到第二分束片上，分为第一束开关光和第二束开关光。第一束开关光经第六反射镜调整其方向后，经第三衰减片、第二半波片、第四凸透镜进入光克尔介质；第二束开关光经第一衰减片后经光学延时线调整其光程，再由第四反射镜调整其传播方向，后经过第一半波片和第一凸透镜进入光克尔介质。经第二和第一半波片调整后的两束开关光的偏振方向与探测光的偏振方向呈+45°和-45°夹角。且两开关光的光路在经第四和第六反射镜调整后保持几何对称。

(4)调节第二光学延时线使第二束开关光略滞后于第一束开关光，调节第一衰减片使第二束开关光强度不高于第一束开关光。并实时扫描光克尔信号强度曲线，据此进行反复调节优化，最终得到高透过率且高时间分辨率的光克尔信号。其原始信号强度曲线如图2中红色曲线所示，对数据进行归一化处理后，结果如图3中红色曲线所示。

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)的测量结束后，对第二束开关脉冲进行遮光处理，将光克尔介质替换为其他几种参考样品，测量传统光克尔门的光克尔信号强度曲线。如图2和图3所示，为几种样品的光克尔信号强度曲线及其归一化曲线与本发明提供的装置测量结果的对比图。

如图2所示，是本发明所提供的双开关脉冲飞秒光克尔门测得的信号强度曲线，由于本次测量中的两个克尔门之间的时间间隔较短，因而峰值信号强度受到一定的影响，但本次测量中双开关光飞秒光克尔门的透过率相对于其他苯、NMP，四氯化碳和石英玻璃更高，且如果经过进一步调试，有望得到更高的透过率。

如图3所示，从测得的归一化信号强度曲线中可以看出传统二硫化碳光克尔门的半高宽约为900fs，本发明所提供的双开关光飞秒光克尔门半高宽约为300fs，时间分辨率有了明显的提升。石英玻璃这类固体介质的半高宽也在300fs左右，然而根据图2可得其透过率太低。相对于苯，四氯化碳和NMP，双开关光飞秒光克尔门的时间分辨率也更高。