專利名稱：一種應(yīng)用于4f相位相干成像系統(tǒng)的相位光闌的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能提高4f相位相干成像系統(tǒng)測量精度的新型相位光闌。
背景技術(shù)：
隨著光通信和光信息處理等領(lǐng)域技術(shù)的飛速發(fā)展，非線性光子學(xué)材料研究日益重要。光學(xué)邏輯、光學(xué)記憶、光三極管、光開關(guān)和相位復(fù)共軛等功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴于非線性光子學(xué)材料的研究進(jìn)展。光學(xué)非線性測量技術(shù)是研究非線性光子學(xué)材料的關(guān)鍵技術(shù)之一。 這里將要用到的4f相位相干成像系統(tǒng)(G. Boudebs and S. Cherukulappurath,“NonI inear optical measurements using a 4f coherent imaging system with phase object”， Phys. Rev. A，69，053813 (1996))就是近年來提出的一種測量材料非線性折射的新方法。4f相位相干成像法是一種光束畸變的測量方法，這種方法是在4f系統(tǒng)物平面上放置一個相位光闌，將待測的非線性物體放置在傅里葉平面上，而在出射面上用CCD相機(jī)接收出射激光脈沖圖像的方法。這種方法可以利用單脈沖同時測量非線性折射系數(shù)的大小和符號。相位光闌是在一個圓形光闌的中心制作一個面積更小圓形的相位物體，通過相位物體的光比相位物體外的光有正的相位延遲。當(dāng)被測材料的非線性折射率為正的時候，CCD 接收到的非線性圖像由于正相襯的原因，在相位物體的位置強(qiáng)度比周圍增強(qiáng)。相反的，當(dāng)被測材料的非線性折射率為負(fù)的時候，非線性圖像的相位物體的位置的強(qiáng)度比周圍要弱。4f相位相干成像法雖然巧妙地利用相位光闌來實(shí)現(xiàn)了非線性折射率的大小和符號的測量，但是并沒有將相位光闌的作用充分地發(fā)揮出來。假如將相位光闌中的相位物體的相移變成負(fù)的，那么對于具有正的非線性折射的材料，實(shí)驗(yàn)中將產(chǎn)生一個負(fù)的相襯信號， 即非線性圖像中相位物體的位置的強(qiáng)度將減小。而對于負(fù)非線性折射率的材料，非線性圖像中相位物體位置的強(qiáng)度將增加。如果對于同一個非線性材料能夠同時實(shí)現(xiàn)正負(fù)兩種相襯，那么靈敏度就會增加。

發(fā)明內(nèi)容
為了充分發(fā)揮相位物體的相襯作用，本發(fā)明提供一種改進(jìn)的相位光闌，該相位光闌能夠?qū)Υ郎y非線性樣品同時產(chǎn)生正相襯和負(fù)相襯，使得4f相位相干成像系統(tǒng)的測量靈敏度得以提聞。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是—種應(yīng)用于4f相位相干成像系統(tǒng)的相位光闌，該相位光闌中處于光闌中心的相位物體由環(huán)形相位物體和位于環(huán)形相位物體中的圓形相位物體組成。相位光闌是通過在一個圓形光闌中心通過鍍透明介質(zhì)薄膜形成的相位物體構(gòu)成的。所述圓形相位物體與環(huán)形相位物體所產(chǎn)生的位相延遲分別為2m π + Ji /4和2η π - Ji /4， 其中m、n為整數(shù)。通過在原來的圓形的統(tǒng)一相位延遲的相位物體外加上環(huán)形相位物體，使得圓形相位物體產(chǎn)生η /4的相位延遲，而環(huán)形相位物體產(chǎn)生-/4的相位延遲。對于非線性折射率為正的樣品，在非線性圖像中相位延遲為n/4的區(qū)域由于正相襯強(qiáng)度增強(qiáng)，而相位延遲為-W4的區(qū)域由于負(fù)相襯強(qiáng)度減小。用本發(fā)明改進(jìn)后的正負(fù)環(huán)形相位光闌產(chǎn)生的非線性圖像中的強(qiáng)度的增加和減小與改進(jìn)前的圓形的相位光闌相位物體在相同強(qiáng)度入射光的情況下產(chǎn)生的非線性圖像中相位光闌區(qū)域的強(qiáng)度的增強(qiáng)或減小幾乎相等。如果定義相襯信號為正相移區(qū)域的平均光強(qiáng)與負(fù)相移區(qū)域的平均光強(qiáng)之差，這樣的話就使得系統(tǒng)的測量精度得以提聞。利用本發(fā)明的光闌在4f相位相干成像系統(tǒng)進(jìn)行非線性折射率的測量分兩部分進(jìn)行，即非線性測量和能量校準(zhǔn)。非線性測量的具體步驟為(I)取走待測樣品，用C⑶相機(jī)采集一個脈沖圖像，稱為無樣品圖像。(2)將待測樣品放置在傅里葉平面，將中性率減片放置在非線性樣品之前，使得照射到樣品上的光強(qiáng)降低到線性區(qū)域，用CCD相機(jī)采集一個脈沖圖像，稱為線性圖像。(3)將待測樣品放置在傅里葉平面，將先前采集線性圖像是使用的中性衰減片移到樣品之后，用CCD相機(jī)采集一個脈沖圖像，稱為非線性圖像。能量校準(zhǔn)是將非線性樣品取走，將能量計放置在4f系統(tǒng)的兩個凸透鏡之間的某一位置使得激光光斑能夠全部打到能量計探頭上。發(fā)射一個激光脈沖，用能量計測量脈沖的能量，同時用CCD相機(jī)采集參考光路的參考光斑。由于此時光路中所有器件都是線性器件，所以根據(jù)參考光斑的強(qiáng)弱就可以知道入射脈沖能量的大小。這樣在非線性測量過程中的入射到待測樣品上的脈沖的能量就可以通過同一個激光脈沖產(chǎn)生的參考光斑來計算得到。測量完畢以后，以線性光斑作為輸入通過數(shù)值擬合非線性光斑來得到非線性折射率的值。實(shí)驗(yàn)的靈敏度是由非線性光闌的強(qiáng)度差值來決定的。對于通常的帶有圓形物體的相位光闌，定義歸一化以后的非線性圖像中相位物體區(qū)域的平均強(qiáng)度與相位物體以外區(qū)域的平均強(qiáng)度的差值為ΛΤ。對于本發(fā)明改進(jìn)后的帶有兩個相位延遲不同的正負(fù)環(huán)形相位光闌，可以定義歸一化的非線性圖像中相位延遲為η/4的圓形區(qū)域的平均強(qiáng)度與相位延遲為-Ji/4的環(huán)形區(qū)域的平均強(qiáng)度差值為AT'。數(shù)值模擬顯示，在相同入射光強(qiáng)的情況下，本發(fā)明改進(jìn)后的帶圓形相位物體與環(huán)形相位的正負(fù)環(huán)形相位光闌的非線性圖像中，相位延遲η/4的圓形區(qū)域的平均強(qiáng)度與以前相位光闌的非線性圖像中相位物體區(qū)域的平均強(qiáng)度幾乎相等。但是在本發(fā)明改進(jìn)后的相位光闌的非線性圖像中，相位延遲-η/4的環(huán)形區(qū)域的平均強(qiáng)度將減弱，因此AT' > AT， 即本發(fā)明的相位光闌使得測量系統(tǒng)的靈敏度增加。本發(fā)明提出的正負(fù)環(huán)形相位光闌，與以前提出的相位光闌相比較，它具有以下優(yōu)點(diǎn)。I、可以提高系統(tǒng)測量的靈敏度，既可以靈敏的測量正的非線性，也可以靈敏的測量負(fù)的非線性，且在測量負(fù)的非線性時靈敏度提高更為明顯。2、與正負(fù)圓形相位光闌不同，正負(fù)環(huán)形相位光闌是中心結(jié)構(gòu)對稱的，用極坐標(biāo)編程計算的時候在加時間維的時候比較簡潔方便。3、由于正負(fù)圓形相位光闌是在比較小的相位物體內(nèi)左半圓為正相移區(qū)域，右半圓為負(fù)相移區(qū)域，制作起來很不方便；而正負(fù)環(huán)形相位光闌內(nèi)圓為正相移區(qū)域，中間環(huán)為負(fù)相移區(qū)域，相對區(qū)域比較大，所以便于加工制作。
本發(fā)明改進(jìn)后的相位光闌的靈敏度的提高是隨著樣品非線性相移的變化而不同的。將靈敏度的變化定義為△!" /ΛΤ，為了使相襯信號不會產(chǎn)生振蕩，假設(shè)樣品內(nèi)產(chǎn)生的非線性相移為m < Onl < n，在這個范圍內(nèi)系統(tǒng)測量的靈敏度幾乎都可以得到提高。 小相移(O1C O)情況下，AT' /AT= I. 65，對于非線性相移為負(fù)的情況，靈敏度的增大非常明顯，當(dāng)=-O. 6 π時，靈敏度的增加可以達(dá)到AT' /AT = 3. 21，特別當(dāng)Oic接近時，靈敏度的增加大約27倍左右。


圖I是本發(fā)明4f相位相干成像系統(tǒng)原理圖。其中1、激光器；2、相位光闌；3、凸透鏡；4、待測樣品；5、凸透鏡；6、中性衰減片；7、C⑶相機(jī)；8、分束鏡；9、反射鏡；10、凸透鏡；
11、反射鏡；12、分束鏡；13、圓形相位物體；14、圓形相位物體；15、環(huán)形相位物體。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例中帶圓形相位物體的相位光闌示意圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例中帶圓形相位物體與環(huán)形相位物體的相位光闌示意圖。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例中帶圓形相位物體的相位光闌數(shù)值模擬的非線性圖像及其
剖面圖。圖5是本發(fā)明實(shí)施例中帶圓形相位物體與環(huán)形相位物體的相位光闌數(shù)值模擬的非線性圖像及其剖面圖。圖6是本發(fā)明實(shí)施例中帶圓形相位物體相位光闌的Δ T和帶正負(fù)環(huán)形相位物體的相位光闌的△!"與非線性相移的關(guān)系圖。圖7是本發(fā)明實(shí)施例中靈敏度的變化與非線性相移的關(guān)系圖。圖8是本發(fā)明實(shí)施例中帶圓形相位物體與環(huán)形相位物體的相位光闌實(shí)驗(yàn)測得的 (a)線性，(b)非線性與(C)無樣品的光斑圖。圖9為本發(fā)明實(shí)施例中帶圓形相位物體與環(huán)形相位物體的相位光闌的非線性圖的剖面圖擬合。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述圖I是4f相位相干成像系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置圖。實(shí)驗(yàn)裝置可以分為測量系統(tǒng)和能量參考系統(tǒng)兩部分。測量系統(tǒng)由激光器I、相位光闌2、凸透鏡3、待測樣品4、凸透鏡5、中性衰減片6和CXD相機(jī)7組成。其中凸透鏡3和凸透鏡5構(gòu)成4f系統(tǒng)，相位光闌2放置在4f 系統(tǒng)的物面上，待測樣品4在傅里葉平面上，而CXD相機(jī)7在4f系統(tǒng)的像平面上接收脈沖圖像。從激光器I發(fā)出的激光首先經(jīng)過擴(kuò)束(這部分在圖I中省略了)，擴(kuò)束后的激光脈沖經(jīng)過相位光闌2形成近top-hat光，光束經(jīng)凸透鏡3的傅里葉變換會聚到放置在傅里葉面上的待測樣品4上，由于待測樣品4的非線性折射性質(zhì)使得入射的脈沖的相位發(fā)生變化。 從樣品后表面出射的脈沖經(jīng)過凸透鏡5的傅里葉逆變換由CXD相機(jī)7進(jìn)行接收，稱為主光斑。能量參考系統(tǒng)由分束鏡8、反射鏡9、凸透鏡10、反射鏡11和分束鏡12組成。從相位光闌2出來的激光被分束鏡8分為兩束，其中一束經(jīng)反射鏡9、凸透鏡10、反射鏡11和分束鏡12，最后由C⑶相機(jī)7接收，稱為參考光斑。
圖2所示的就是相位光闌2的通常形式，相位物體13為圓形，通過相位物體13的光束比其它部分的光束位相延遲η/2。圖3所示的是本發(fā)明改進(jìn)后的相位光闌，由圓形相位物體14和環(huán)形相位物體15共同組成一個圓形的相位物體。其中圓形相位物體14產(chǎn)生相位延遲η /2，環(huán)形相位物體15產(chǎn)生相位延遲-π /2。利用4f相位相干成像系統(tǒng)進(jìn)行非線性折射率的測量分兩部分進(jìn)行，即非線性測量和能量校準(zhǔn)。非線性測量的具體步驟為弟一步取走待測樣品4,用(XD相機(jī)7米集個脈沖圖像，稱為無樣品圖像。第二步將待測樣品4放置在傅里葉平面，將中性率減片6放置在待測樣品4之前，使得照射到待測樣品4上的光強(qiáng)降低到線性區(qū)域，用CCD相機(jī)7采集一個脈沖圖像，稱為線性圖像。第三步將待測樣品4放置在傅里葉平面，將先前采集線性圖像時使用的中性衰減片6移到待測樣品4之后，用CCD相機(jī)7采集一個脈沖圖像，稱為非線性圖像。能量校準(zhǔn)是將非線性樣品4取走，將能量計放置在凸透鏡3和凸透鏡5之間的某一位置使得激光光斑能夠全部打到能量計探頭上。發(fā)射一個激光脈沖，用能量計測量脈沖的能量，同時用CCD相機(jī)7采集參考光路的參考光斑。由于此時光路中所有器件都是線性器件，所以根據(jù)參考光斑的強(qiáng)弱就可以知道入射脈沖能量的大小。這樣在非線性測量過程中的入射到待測樣品4上的脈沖的能量就可以通過同一個激光脈沖產(chǎn)生的參考光斑來計算得到。圖4(a)是由通常的帶圓形相位物體的相位光闌得到的非線性圖像，而附圖4(b) 則是附圖4(a)沿y = O的剖面圖。數(shù)值模擬所用的主要參數(shù)為相位物體半徑與光闌半徑之比P = Lp/Ra = O. 5mm/1. 5mm ^ O. 33,待測樣品非線性相移ΦΝ = O. 35。附圖5(a)是用改進(jìn)后的帶正的圓形相位物體與負(fù)的環(huán)形相位物體的相位光闌得到非線性圖像，而附圖 5(b)則是附圖5(a)沿y = O的剖面圖。模擬中所用的圓形相位物體半徑與光闌半徑之比以及樣品非線性相移都與圖4中相同，而環(huán)形相位物體的半徑為Rb = I. 0mm。定義帶圓形相位物體的相位光闌產(chǎn)生的非線性圖像中相位光闌位置的平均強(qiáng)度與相位物體之外的平均強(qiáng)度之差為AT。而對于帶正負(fù)環(huán)形相位物體的相位光闌產(chǎn)生的非線性圖像，將位相延遲為η /4的圓形相位物體的位置的平均強(qiáng)度與位相延遲為-π /4的環(huán)形相位物體位置的平均強(qiáng)度之差定義為AT'。從附圖4(b)和附圖5(b)中可以看到附圖4(b)中的AT與附圖 5(b)中位相延遲為η/4的半圓形相位物體的位置的平均強(qiáng)度與相位物體之外的平均強(qiáng)度之差幾乎相等，從而△!" > ΛΤ，即本發(fā)明改進(jìn)后的相位光闌是系統(tǒng)的測量靈敏度得到了提聞。圖6是帶圓形相位物體的相位光闌的AT與帶正的圓形相位物體與負(fù)的環(huán)形相位物體的相位光闌的AT,與非線性相移的關(guān)系曲線。從中看出在|ΦΝ」< 的范圍內(nèi)， AT在正的非線性相移范圍內(nèi)靈敏度明顯大于相應(yīng)的負(fù)非線性相移。為了研究非線性折射率的有效性，假設(shè)非線性相移η < Onl < η內(nèi)為我們研究的范圍，這樣做的目的是為了避免非線性相移過大而對測量產(chǎn)生的影響。從圖6中我們也可以看出在這個范圍內(nèi)相稱信號 ΔΤ(ΔΤ/ )與非線性相移成準(zhǔn)線性關(guān)系。而AT'幾乎是關(guān)于Φ‘ = O為中心對稱圖形， 并且在-JI < ΦΝΙ< π的范圍內(nèi)的靈敏度都高于AT，對于負(fù)的非線性相移靈敏度的增加尤為明顯。將AT' /AT的比值與非線性相移的關(guān)系曲線作圖顯示在附圖7中。在附圖7中，當(dāng)ΦΝ = _0.6π時，靈敏度的增加可以達(dá)到AIw /AT = 3. 21，當(dāng)ΦΝ =-O. 5 π 時，靈敏度的增加可以達(dá)到AT' /ΛΤ = 2. 77;當(dāng)ΦΝ = 0時，AT' /AT=1.65;iOm = 0.5 Ji時，AT' /AT = 1.16。特別當(dāng)非線性相移接近-π，其靈敏度增加到27倍。所以它在測量負(fù)的非線性的時候更加的靈敏。靈敏度的提高在負(fù)的非線性相移范圍內(nèi)是非常明顯的，隨著非線性相移的增加靈敏度提高的倍數(shù)在不斷減小，當(dāng)非線性相移增大到O. 7 π 時，改進(jìn)后的相位光闌與改進(jìn)前的靈敏度幾乎相同。為了更清楚地看到本發(fā)明相位光闌靈敏度的提高，將部分?jǐn)?shù)值列于下表。表I不同非線性相移所對應(yīng)的系統(tǒng)靈敏度的提高
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于4f相位相干成像系統(tǒng)的相位光闌,其特征在于,所述相位光闌中處于光闌中心的相位物體由環(huán)形相位物體和位于環(huán)形相位物體中的圓形相位物體組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種應(yīng)用于4f相位相干成像系統(tǒng)的相位光闌，其特征是所述相位物體由透明介質(zhì)薄膜構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種應(yīng)用于4f相位相干成像系統(tǒng)的相位光闌，其特征是所述圓形相位物體與環(huán)形相位物體所產(chǎn)生的位相延遲分別為2m + Ji /4和2n - Ji /4, 其中m、η為整數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于4f相位相干成像系統(tǒng)中的相位光闌，通過將相位光闌中的圓形的統(tǒng)一位相延遲π/2的相位物體改成由兩個位相延遲分別為π/4和-π/4正負(fù)環(huán)形相位物體，使得測量系統(tǒng)的靈敏度得以提高?？紤]到相位物體越小受到的邊緣衍射效應(yīng)越大，實(shí)際中選取正相位物體與負(fù)相位物體把相位光闌分成三等分最合適。本發(fā)明改進(jìn)后的相位光闌在非線性相移-π＜ΦNL＜π的范圍內(nèi)都可以使系統(tǒng)的測量精度得以提高。對于正的小的非線性相移(ΦNL＝0)靈敏度提高可達(dá)1.65倍，而對于負(fù)的非線性相移靈敏度的提高尤為明顯，當(dāng)ΦNL＝-0.6π時靈敏度提高可達(dá)3.21倍，特別當(dāng)非線性相移趨于-π時，靈敏度提高約為27倍。
文檔編號G01N21/45GK102608682SQ20121008920
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月30日
發(fā)明者劉南春, 宋瑛林, 李中國, 聶仲泉 申請人:常熟微納激光光子技術(shù)有限公司