[發明專利]飛秒外差光克爾門及基于該光克爾門的成像裝置和方法

有效

• 申請號: 201310471560.0
• 申請日: 2013-10-10
• 公開（公告）號: CN103728811A
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發明（設計）人: 譚文疆;司金海;占平平;許士超;陳烽;侯洵
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G02F1/35
• 分類號: G02F1/35;G03B39/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 汪人和

1.一種飛秒外差光克爾門，其特征在于：包括沿光路方向依次設置的起偏器（7）、光克爾介質（8）和檢偏器（9），且起偏器（7）的偏振方向與光路中光的偏振方向相同，檢偏器（9）的偏振方向與光路中光的偏振垂直方向呈3～5°的外差角，起偏器（7）和檢偏器（9）的通過孔徑大于光路中透射光束的橫向尺寸。

2.根據權利要求1所述的飛秒外差光克爾門，其特征在于：其開啟時，透射光電場的表達式為：H_real²+H_imaginary²+2θE₀H_imaginary，其中H_real和H_imaginary分別為普通光克爾門透射光電場的實部與虛部，均為非線性光學項，2θE₀H_imaginary為飛秒外差光克爾門選通的探測光電場外差項，θ為外差角，E₀為光克爾介質前入射光電場，E₀含有探測光攜帶的被測目標的全部空間頻譜成分。

3.根據權利要求1所述的飛秒外差光克爾門，其特征在于：所述的起偏器（7）和檢偏器（9）為棱鏡偏振器或消光比大于10⁴:1的薄膜偏振器；其中棱鏡偏振器包括尼科爾棱鏡偏振器、格蘭泰勒棱鏡偏振器或渥拉斯頓棱鏡偏振器。

4.根據權利要求1-3中任意一項所述的飛秒外差光克爾門，其特征在于：所述的光克爾介質（8）為三階非線性光學材料。

5.根據權利要求4所述的飛秒外差光克爾門，其特征在于：所述的光克爾介質（8）包括二硫化碳、硝基苯、鈦酸鍶鋇、石英玻璃、重火石玻璃、鉍酸鹽玻璃、碲酸鹽玻璃、酞菁衍生物或C₆₀衍生物。

6.一種基于飛秒外差光克爾門的成像裝置，其特征在于：包括飛秒激光器（1），在飛秒激光器（1）的發射光路上設有分束片（2），分束片（2）將光路分成探測光路和開關光路，其中探測光路上依次設有待測目標（5）、第一凸透鏡（6）、起偏器（7）、光克爾介質（8）、檢偏器（9）、凸透鏡組和CCD（18），并使待測目標（5）清晰的成像在CCD（18）上；起偏器（7）的偏振方向與探測光路中的飛秒探測脈沖光的偏振方向相同，檢偏器（9）的偏振方向與飛秒探測脈沖光的偏振垂直方向呈3～5°的外差角，起偏器（7）和檢偏器（9）的通過孔徑大于飛秒探測脈沖光的橫向尺寸；開關光路上依次設有用于調節開關光路中的飛秒開關脈沖光的光程的光學延時線（11）和調整飛秒開關脈沖光的偏振方向的半波片（12），且飛秒開關脈沖光入射到光克爾介質（8）內部的空間位置與飛秒探測脈沖光在光克爾介質（8）內部的空間位置重合。

7.根據權利要求6所述的基于飛秒外差光克爾門的成像裝置，其特征在于：所述的待測目標（5）設置在第一凸透鏡（6）的前焦面上，光克爾介質（8）設置在第一凸透鏡（6）的后焦面上并同時設置在凸透鏡組的前焦面上，CCD（18）設置在凸透鏡組的后焦面上。

8.根據權利要求6或7所述的基于飛秒外差光克爾門的成像裝置，其特征在于：所述的光學延時線（11）由電腦控制的精密步進移動平臺和放置在精密步進移動平臺上的兩個相互垂直的反射鏡構成，兩個相互垂直的反射鏡對飛秒開關脈沖光進行后向反射；精密步進移動平臺對飛秒開關脈沖光的光程的進行調整，調整精度為1.5～15微米，光學延時線（11）的最小光程改變量為10～100fs。

9.根據權利要求6或7所述的基于飛秒外差光克爾門的成像裝置，其特征在于：所述的飛秒激光器（1）經過放大器輸出的重復頻率為1kHz；

所述的分束片（2）的分束比為1:(1～4)，其中光強較大的一束作為探測光路；

所述的第一凸透鏡（6）和凸透鏡組的透光孔徑均為5～10cm；

所述的半波片（12）為零級半波片，其材質為石英材質或BK玻璃。

10.一種基于飛秒外差光克爾門的成像方法，其特征在于，包括以下步驟：

1）將飛秒激光器（1）出射的偏振的飛秒脈沖激光經分束片（2）后分為兩束，其中一束作為探測光路的飛秒探測脈沖光，另一束作為開關光路的飛秒開關脈沖光；

2）飛秒探測脈沖光入射到待測目標（5）上，攜帶待測目標形貌信息后，經第一凸透鏡（6）聚焦后，順次經過起偏器（7）、光克爾介質（8）和檢偏器（9），其中起偏器（7）、光克爾介質（8）和檢偏器（9）構成飛秒外差光克爾門，且檢偏器（9）的偏振方向與飛秒探測脈沖光的偏振垂直方向呈3～5°的外差角；

3）飛秒開關脈沖光經光學延時線（11）調整其光程后，再經過半波片（12）調整其偏振方向，入射到光克爾介質（8）上；

4）調節光學延時線（11），當飛秒開關脈沖光和飛秒探測脈沖光到達光克爾介質（8）的時刻完全不重合時，此時僅有部分飛秒探測脈沖光能夠通過檢偏器（9），然后由飛秒外差光克爾門后的凸透鏡組收集，并成像于CCD（18）上，獲得成像系統的參考圖像；

5）調節光學延時線（11），當飛秒開關脈沖光和飛秒探測脈沖光到達光克爾介質（8）的時刻重合時，飛秒開光脈沖光瞬時開啟飛秒外差光克爾門，被飛秒外差光克爾門選通的飛秒探測脈沖光，經飛秒外差光克爾門后的凸透鏡組收集，成像于CCD（18）上，獲得成像系統的目標圖像；

6）將步驟5）中獲得的目標圖像減去步驟4）中獲得的參考圖像，得到待測目標（5）的飛秒外差光克爾門選通圖像。