專(zhuān)利名稱(chēng)：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(cè)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(xiàn)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(kāi)關(guān)和相位復(fù)共軛等功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴(lài)于非線(xiàn)性光子學(xué)材料的研究進(jìn)展。光學(xué)非線(xiàn)性測(cè)量技術(shù)是研究非線(xiàn)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(lái)提出的一種測(cè)量材料非線(xiàn)性折射的新方法。4f相位相干成像法是一種光束畸變的測(cè)量方法，這種方法是在4f系統(tǒng)物平面上放置一個(gè)相位光闌，將待測(cè)的非線(xiàn)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(shí)測(cè)量非線(xiàn)性折射系數(shù)的大小和符號(hào)。相位光闌是在一個(gè)圓形光闌的中心制作一個(gè)面積更小圓形的相位物體，通過(guò)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(cè)材料的非線(xiàn)性折射率為正的時(shí)候，CCD 接收到的非線(xiàn)性圖像由于正相襯的原因，在相位物體的位置強(qiáng)度比周?chē)鰪?qiáng)。相反的，當(dāng)被測(cè)材料的非線(xiàn)性折射率為負(fù)的時(shí)候，非線(xiàn)性圖像的相位物體的位置的強(qiáng)度比周?chē)酢?f相位相干成像法雖然巧妙地利用相位光闌來(lái)實(shí)現(xiàn)了非線(xiàn)性折射率的大小和符號(hào)的測(cè)量，但是并沒(méi)有將相位光闌的作用充分地發(fā)揮出來(lái)。假如將相位光闌中的相位物體的相移變成負(fù)的，那么對(duì)于具有正的非線(xiàn)性折射的材料，實(shí)驗(yàn)中將產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的相襯信號(hào)， 即非線(xiàn)性圖像中相位物體的位置的強(qiáng)度將減小。而對(duì)于負(fù)非線(xiàn)性折射率的材料，非線(xiàn)性圖像中相位物體位置的強(qiáng)度將增加。如果對(duì)于同一個(gè)非線(xiàn)性材料能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)正負(fù)兩種相襯，那么靈敏度就會(huì)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(cè)非線(xiàn)性樣品同時(shí)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(cè)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(guò)在一個(gè)圓形光闌中心通過(guò)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(guò)在原來(lái)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(duì)于非線(xiàn)性折射率為正的樣品，在非線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(hào)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(huà)就使得系統(tǒng)的測(cè)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(xiàn)性折射率的測(cè)量分兩部分進(jìn)行，即非線(xiàn)性測(cè)量和能量校準(zhǔn)。非線(xiàn)性測(cè)量的具體步驟為(I)取走待測(cè)樣品，用C⑶相機(jī)采集一個(gè)脈沖圖像，稱(chēng)為無(wú)樣品圖像。(2)將待測(cè)樣品放置在傅里葉平面，將中性率減片放置在非線(xiàn)性樣品之前，使得照射到樣品上的光強(qiáng)降低到線(xiàn)性區(qū)域，用CCD相機(jī)采集一個(gè)脈沖圖像，稱(chēng)為線(xiàn)性圖像。(3)將待測(cè)樣品放置在傅里葉平面，將先前采集線(xiàn)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(gè)脈沖圖像，稱(chēng)為非線(xiàn)性圖像。能量校準(zhǔn)是將非線(xiàn)性樣品取走，將能量計(jì)放置在4f系統(tǒng)的兩個(gè)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(jì)探頭上。發(fā)射一個(gè)激光脈沖，用能量計(jì)測(cè)量脈沖的能量，同時(shí)用CCD相機(jī)采集參考光路的參考光斑。由于此時(shí)光路中所有器件都是線(xiàn)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(xiàn)性測(cè)量過(guò)程中的入射到待測(cè)樣品上的脈沖的能量就可以通過(guò)同一個(gè)激光脈沖產(chǎn)生的參考光斑來(lái)計(jì)算得到。測(cè)量完畢以后，以線(xiàn)性光斑作為輸入通過(guò)數(shù)值擬合非線(xiàn)性光斑來(lái)得到非線(xiàn)性折射率的值。實(shí)驗(yàn)的靈敏度是由非線(xiàn)性光闌的強(qiáng)度差值來(lái)決定的。對(duì)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(xiàn)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(duì)于本發(fā)明改進(jìn)后的帶有兩個(gè)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(cè)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(cè)量的靈敏度，既可以靈敏的測(cè)量正的非線(xiàn)性，也可以靈敏的測(cè)量負(fù)的非線(xiàn)性，且在測(cè)量負(fù)的非線(xiàn)性時(shí)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(duì)稱(chēng)的，用極坐標(biāo)編程計(jì)算的時(shí)候在加時(shí)間維的時(shí)候比較簡(jiǎn)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(lái)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(duì)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(xiàn)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(hào)不會(huì)產(chǎn)生振蕩，假設(shè)樣品內(nèi)產(chǎn)生的非線(xiàn)性相移為m < Onl < n，在這個(gè)范圍內(nèi)系統(tǒng)測(cè)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(duì)于非線(xiàn)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(shí)，靈敏度的增加可以達(dá)到AT' /AT = 3. 21，特別當(dāng)Oic接近時(shí)，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(cè)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(cè)得的 (a)線(xiàn)性，(b)非線(xiàn)性與(C)無(wú)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(xiàn)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(duì)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(cè)量系統(tǒng)和能量參考系統(tǒng)兩部分。測(cè)量系統(tǒng)由激光器I、相位光闌2、凸透鏡3、待測(cè)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(cè)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(guò)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(guò)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(huì)聚到放置在傅里葉面上的待測(cè)樣品4上，由于待測(cè)樣品4的非線(xiàn)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(guò)凸透鏡5的傅里葉逆變換由CXD相機(jī)7進(jìn)行接收，稱(chēng)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(lái)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(chēng)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(guò)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(gè)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(xiàn)性折射率的測(cè)量分兩部分進(jìn)行，即非線(xiàn)性測(cè)量和能量校準(zhǔn)。非線(xiàn)性測(cè)量的具體步驟為弟一步取走待測(cè)樣品4,用(XD相機(jī)7米集個(gè)脈沖圖像，稱(chēng)為無(wú)樣品圖像。第二步將待測(cè)樣品4放置在傅里葉平面，將中性率減片6放置在待測(cè)樣品4之前，使得照射到待測(cè)樣品4上的光強(qiáng)降低到線(xiàn)性區(qū)域，用CCD相機(jī)7采集一個(gè)脈沖圖像，稱(chēng)為線(xiàn)性圖像。第三步將待測(cè)樣品4放置在傅里葉平面，將先前采集線(xiàn)性圖像時(shí)使用的中性衰減片6移到待測(cè)樣品4之后，用CCD相機(jī)7采集一個(gè)脈沖圖像，稱(chēng)為非線(xiàn)性圖像。能量校準(zhǔn)是將非線(xiàn)性樣品4取走，將能量計(jì)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(jì)探頭上。發(fā)射一個(gè)激光脈沖，用能量計(jì)測(cè)量脈沖的能量，同時(shí)用CCD相機(jī)7采集參考光路的參考光斑。由于此時(shí)光路中所有器件都是線(xiàn)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(xiàn)性測(cè)量過(guò)程中的入射到待測(cè)樣品4上的脈沖的能量就可以通過(guò)同一個(gè)激光脈沖產(chǎn)生的參考光斑來(lái)計(jì)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(xiàn)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(cè)樣品非線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(duì)于帶正負(fù)環(huán)形相位物體的相位光闌產(chǎn)生的非線(xiàn)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(cè)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(xiàn)性相移的關(guān)系曲線(xiàn)。從中看出在|ΦΝ」< 的范圍內(nèi)， AT在正的非線(xiàn)性相移范圍內(nèi)靈敏度明顯大于相應(yīng)的負(fù)非線(xiàn)性相移。為了研究非線(xiàn)性折射率的有效性，假設(shè)非線(xiàn)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(xiàn)性相移過(guò)大而對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的影響。從圖6中我們也可以看出在這個(gè)范圍內(nèi)相稱(chēng)信號(hào) ΔΤ(ΔΤ/ )與非線(xiàn)性相移成準(zhǔn)線(xiàn)性關(guān)系。而AT'幾乎是關(guān)于Φ‘ = O為中心對(duì)稱(chēng)圖形， 并且在-JI < ΦΝΙ< π的范圍內(nèi)的靈敏度都高于AT，對(duì)于負(fù)的非線(xiàn)性相移靈敏度的增加尤為明顯。將AT' /AT的比值與非線(xiàn)性相移的關(guān)系曲線(xiàn)作圖顯示在附圖7中。在附圖7中，當(dāng)ΦΝ = _0.6π時(shí)，靈敏度的增加可以達(dá)到AIw /AT = 3. 21，當(dāng)ΦΝ =-O. 5 π 時(shí)，靈敏度的增加可以達(dá)到AT' /ΛΤ = 2. 77;當(dāng)ΦΝ = 0時(shí)，AT' /AT=1.65;iOm = 0.5 Ji時(shí)，AT' /AT = 1.16。特別當(dāng)非線(xiàn)性相移接近-π，其靈敏度增加到27倍。所以它在測(cè)量負(fù)的非線(xiàn)性的時(shí)候更加的靈敏。靈敏度的提高在負(fù)的非線(xiàn)性相移范圍內(nèi)是非常明顯的，隨著非線(xiàn)性相移的增加靈敏度提高的倍數(shù)在不斷減小，當(dāng)非線(xiàn)性相移增大到O. 7 π 時(shí)，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(xiàn)性相移所對(duì)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(kāi)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(guò)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(gè)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(cè)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(xiàn)性相移-π＜ΦNL＜π的范圍內(nèi)都可以使系統(tǒng)的測(cè)量精度得以提高。對(duì)于正的小的非線(xiàn)性相移(ΦNL＝0)靈敏度提高可達(dá)1.65倍，而對(duì)于負(fù)的非線(xiàn)性相移靈敏度的提高尤為明顯，當(dāng)ΦNL＝-0.6π時(shí)靈敏度提高可達(dá)3.21倍，特別當(dāng)非線(xiàn)性相移趨于-π時(shí)，靈敏度提高約為27倍。
文檔編號(hào)G01N21/45GK102608682SQ20121008920
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)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(guó), 聶仲泉 申請(qǐng)人:常熟微納激光光子技術(shù)有限公司