一种基于双4f相位相干成像技术的非线性折射光谱的测量装置和测量方法

摘要

一种基于双4f相位相干成像技术的非线性折射光谱的测量装置和测量方法，它涉及非线性光子学材料和非线性光学信息处理领域，本发明采用相位型空间光调制器取代传统的4f相位相干成像系统中的相位物体，搭建双4f相位相干成像系统，配合波长可调谐的激光系统，实现光学材料非线性折射光谱的测量。本发明使用相位型空间光精确调控不同激发波长下，入射光中心位置光斑与周围光斑的相位差，弥补了相位物体在不同波长下中心位置光斑与周围光斑相位差发生变化的缺点。通过波长可调谐的飞秒激光器结合可调谐相位差的“相位物体”实现多级波段的非线性折射光谱的测量。

说明书

技术领域

本发明属于非线性光子学材料和非线性光学信息处理领域，具体涉及一种基于双4f相位相干成像技术的非线性折射光谱的测量装置和测量方法。

背景技术

全光开关是非线性光学领域的重要应用之一。全光开关材料的开发，关键在于光学材料的非线性折射性质的研究与优化。因此实现光学材料的非线性折射光谱的测量具有极为重要的意义。早期的非线性折射率的测量方法主要包括非线性干涉法、简并四波混频、近简并三波混频、椭圆偏振法和光束畸变法。前四种方法是利用非线性干涉原理，测量灵敏度高，但不能测量非线性折射率的符号，并且测量装置也比较复杂。光束畸变法可以有效测得材料的非线性吸收和折射的大小和符号，最具有代表性的方法是1989年M.Sheik-Bahae等人于提出的Z-scan技术。但可惜的是，Z-scan技术无法实现在单脉冲激光下材料非线性折射率的测量。因此，在这里我们将主要介绍另一种光束畸变法，2004年由G.Boudebs等人提出的4f相位相干成像技术。4f相位相干成像技术装置简单、灵敏度高、可以同时测量非线性吸收和非线性折射的大小和符号，还具有单脉冲测量、对光束空间质量和能量浮动要求不高等优点。2006年，Yunbo Li等人通过对相位物体进行优化，进一步完善了4f相位相干成像技术(Yunbo Li,Xueru Zhang,Yuxiao Wang,Kun Yang,Yinglin Song.Optimization ofphase objects in 4f coherent imaging system for nonlinear refractionmeasurements.Opt.Commun..2006,266:686-690)。2010年，Changwei Li等人提出了含相位物体的双4f相位成像系统，使得原本只能监视能量浮动的参考光路就同时具有了监视入射脉冲空间分布的功能(Changwei Li,Yuxiao Wang,Min Shui,Junyi Yang,Xiao Jin,XueruZhang,Kun Yang,Yinglin Song,Characterization of signs change of nonlinearrefraction in ZnSe based on a modified double 4f imaging system with a phaseobject,Optics Communications,2010，283：1124-1128)。由于参考光斑和非线性光斑是由同一个激光脉冲分离出来的，它们的空间分布是完全一样的。这样一来，无论光斑的空间分布是怎样的，非线性光斑都能得到很好的拟合，从而进一步提高了测量结果的准确性。

发明内容

本发明提出了一种非线性折射光谱的测量方法，攻克了传统4f相位相干成像系统中相位物体只适用于单个波长的限制，采用相位型空间光调制器取代传统的4f相位相干成像系统中的相位物体，搭建双4f相位相干成像系统，配合波长可调谐的激光系统，实现光学材料非线性折射光谱的测量。为此，本发明提出在双4f相位相干成像系统中使用相位型空间光调制器取代传统的相位物体，配合波长可调谐的激光系统即可实现光学材料非线性折射光谱的测量。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案：使用相位型空间光调制器精确调控不同激发波长下，入射光中心位置光斑与周围光斑的相位差，弥补了相位物体在不同波长下中心位置光斑与周围光斑相位差发生变化的缺点。通过波长可调谐的飞秒激光器结合可调谐相位差的“相位物体”，实现多级波段的非线性折射光谱的测量。

本发明的一种基于双4f相位相干成像技术的非线性折射光谱的测量装置，所述的测量装置包括控制系统、飞秒激光器、中性密度衰减片、相位型空间光调制器、半反半透镜、第一凸透镜、光学材料、第二凸透镜、反射镜、第三凸透镜、第四凸透镜和CCD相机；

所述的飞秒激光器发射的激发光，经过中性密度衰减片后，通过控制系统控制相位型空间光调制器调节激发光，并通过半反半透镜分为两束光，一束为参考光，一束为探测光；探测光经由第一凸透镜以及位于第一凸透镜焦点处的光学材料，由第二凸透镜汇聚至CCD相机上；参考光由反射镜反射，经第三凸透镜和第四凸透镜汇聚至CCD相机上；

所述的控制系统分别与飞秒激光器、相位型空间光调制器和CCD相机电连接；其中，经相位型空间光调制器调节后的光斑分为：入射光斑R以及入射光斑的中心部分的相位变化光斑Lp，所述的入射光斑R与相位变化光斑Lp的半径比为0

进一步地，所述的相位型空间光调制器将光斑中心的相位滞后π/2。

进一步地，经相位型空间光调制器调节后的光斑分为：入射光斑R以及入射光斑的中心部分的相位变化光斑Lp，所述的入射光斑R与相位变化光斑Lp的半径比为0

进一步地，所述的飞秒激光器的波长为350-1050nm，重复频率调至20Hz。

进一步地，所述的光学材料为有机材料、无机材料或半导体材料。

采用所述的测量装置基于双4f相位相干成像技术测量非线性折射光谱的方法，按照如下内容进行：

步骤一、背景光斑采集：所述的探测光经由第一凸透镜，由第二凸透镜汇聚至CCD相机上，通过CCD相机接收探测光斑，作为背景光斑；

步骤二、线性光斑采集：调整飞秒激光器的激光能量，使得发射的激发光经由第一凸透镜以及位于第一凸透镜焦点处的光学材料时，光学材料未产生非线性效应，激发光由第二凸透镜汇聚至CCD相机上，通过CCD相机接收经过光学材料的光斑，作为线性光斑；

步骤三、非线性光斑采集：调整飞秒激光器的激光能量，使得发射的激发光经由第一凸透镜以及位于第一凸透镜焦点处的光学材料由第二凸透镜汇聚至CCD相机上，通过CCD相机接收经过光学材料的光斑，作为非线性光斑；

步骤四、对步骤二得到的线性光斑，以及步骤三得到的非线性光斑中的线性图像和非线性图像进行处理，去除步骤一中的背景光斑；再将去除背景的非线性图像与线性图像相除；用图像处理软件提取出相除图像沿y＝0或x＝0的剖面图，用图像处理软件计算出待测样品的非线性折射率，即完成所述的基于双4f相位相干成像技术测量非线性折射光谱的方法。

进一步地，所述的相位型空间光调制器调节后的光斑分为：入射光斑R以及入射光斑的中心部分的相位变化光斑Lp，所述的入射光斑R与相位变化光斑Lp的半径比为0

进一步地，所述的飞秒激光器发射的激发光为多种波长的激发光。

进一步地，所述的飞秒激光器的波长为350-1050nm，重复频率调至20Hz。

进一步地，步骤四中所述的去除步骤一中的背景光斑，是指：将对步骤二得到的线性光斑，以及步骤三得到的非线性光斑中的线性图像和非线性图像转化为两个数组矩阵，然后做除法。

本发明技术方案的原理：

当光通过相位物体时，相位物体对光几乎不吸收，其主要效应是产生一个随空间位置变化的位相延迟。这是由于它们各点厚度或折射率不同引起的。这种透明度很高、几乎没有光吸收的物体称为相位物体。传统的相位物体通常是在半径为R的透明玻璃上镀一层半径为Lp的透明介质形成相位物体，Lp/R为0-1。但相位物体只能适用于单一波长下，由于在不同波长下光折射率的变化会导致相位差发生变化。这一缺点严重阻碍了非线性折射率光谱技术的开发。

而本发明使用相位型空间光调制器取代传统的相位物体，以实现在不同波长下，所产生的相位差恒定，从而实现了非线性折射率光谱测量。本申请采用相位型空间光调制器取代传统的相位物体实现非线性折射率光谱测量，是本发明的关键技术手段。目前，并没有相关的报道。

空间光调制器是一种可以对光的相位、振幅、偏振、相干性等空间分布进行调控的可编程器件。本发明使用的是纯相位型透过式液晶空间光调制器。空间光调制器主要分为芯片和驱动单元。芯片上是一个个小的像素点。当光入射到芯片之时，光会被分为一个个小等份，通过液晶的双折射效应、扭曲效应和电致双折射效应实现对光的调制。本发明按照相位物体的原理，利用液晶的电致双折射效应，通过驱动单元对光斑中心区域进行调控，使其与周围光斑形成固定的相位差。当入射波长发生变化时，本发明再次通过调控中心区域液晶排布改变折射率的变化，使得相位差固定在一个特定值上。这样一来，本发明便可以克服相位物体只适用于单一波长这一缺点。

利用双4f相位相干成像系统，配合波长可调谐激光光源，测量在不同激发波长下，光学材料的非线性折射曲线，从而汇总得到材料的非线性折射光谱。

本发明最大的优势在于对传统4f相位相干成像系统的简单优化，便能实现非线性折射测量技术的巨大突破。光学材料非线性折射的测量不再局限于单一的特定的波长，实现宽波段非线性折射光谱的测量。

本发明用一种全新的思路实现了光学材料非线性折射光谱的测量方法，目前尚未发现其他关于非线性折射光谱的报道，该方法具有以下优点：

1)可以实现单脉冲下光学材料非线性折射率的测量。

2)实验操作简单，测试速度极快，极大的减少了实验误差，保证了测试结果的准确性。

3)突破了相位物体仅适用于单一波长的局限性。

4)通过更换激光系统，可以测量不同时域下光折射光谱。

附图说明

图1为本发明基于双4f相位相干成像技术的非线性折射光谱的测试装置原理图；

图2是本发明经过相位型空间光调制器后的光斑示意图；

图中，控制系统1、飞秒激光器2、中性密度衰减片3、相位型空间光调制器4、半反半透镜5、第一凸透镜6、光学材料7、第二凸透镜8、反射镜9、第三凸透镜10、第四凸透镜11、CCD相机12、入射激光13和经过空间光调制器后的光斑剖面图14。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将详细叙述本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。

本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，一种基于双4f相位相干成像技术的非线性折射光谱技术，通过控制系统1操控飞秒激光系统2、相位型空间光调制器4和CCD(12)。激发光经过中性密度衰减片3调控能量大小，然后经过相位型空间光调制器，将光斑中心的相位滞后π/2。入射光经过半反半透镜5后分为两束，一束为参考光，一束为探测光。参考光和探测光的光路中各包含一个4f成像系统。探测光路中，相位型空间光调制器4位于4f成像系统的会聚透镜6的前焦面上。光学材料7(本案例中所使用的标准样品为ZnSe晶体)位于会聚透镜6的焦点位置，CCD位于成像透镜8的后焦面。参考光路中，相位型空间光调制器4位于4f成像系统的会聚透镜10的前焦面上，CCD位于成像透镜11的后焦面。

探测光光源为Light Conversion公司的掺镱光纤(Yb:KGW)飞秒激光器(1030nm)，通过光学参量产生器(OPA，ORPHEUS，Light Conversion)产生，波长可调谐350-1050nm，重复频率调至20Hz，光学材料以为ZnSe晶体为例。

本实施例将相位变化光斑半径与入射光斑半径之比设定为1:10，切换激发波长时，利用相位空间光调制器将相位差固定在π/2，具体实验步骤如下：

(1)背景光斑采集，不放标准样品，用CCD接收探测光斑。

(2)线性光斑采集，放上标准样品，将激发光能量调小，能量小至光学材料不会产生非线性效应时，用CCD接收经过样品后的光斑。

(3)非线性光斑采集，放上标准样品，适当增大能量，用CCD接收经过样品后的光斑。

(4)对上述获得的三个光斑进行处理，提取出标准样品的非线性折射曲线。

(5)切换激发波长，重复上述步骤。

上述的技术方案中，测量光路为双4f成像系统。透镜成像系统中，将相位型空间光调制器放置在会聚透镜的物平面上，样品放置在透镜的焦点位置，CCD放置在成像透镜的像平面上。

上述的技术方案中，所述步骤(4)中的处理包括，对步骤(2)得到的线性光斑，以及步骤(3)得到的非线性光斑中的线性图像和非线性图像进行处理，去除步骤一中的背景光斑；再将去除背景的非线性图像与线性图像相除；用图像处理软件提取出相除图像沿y＝0或x＝0的剖面图，用图像处理软件计算出待测样品的非线性折射率，即完成所述的基于双4f相位相干成像技术测量非线性折射光谱的方法。

最终将提取出单波长下光学材料的非线性折射曲线和非线性折射系数。通过改变激光光源的出射波长，不断重复上述步骤。将所有激发波长下的非线性折射曲线汇总即得到非线性折射光谱。

本发明公开了一种基于双4f相位相干成像技术的非线性折射光谱技术，通过采用相位型空间光调制器取代传统的相位物体，实现对光学材料非线性折射光谱的测量。