專利名稱：飛秒脈沖全息裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及全息術(shù)，特別是一種飛秒脈沖全息裝置。飛秒全息術(shù)由于脈沖持續(xù)時(shí)間極短，給實(shí)驗(yàn)室?guī)碇T多不便。本實(shí)用新型在飛秒全息術(shù)中引入脈沖展寬技術(shù)，從而達(dá)到飛秒測試、納秒記錄。
背景技術(shù)：
自從激光出現(xiàn)以后，為全息術(shù)提供了一個(gè)理想的相干光源，全息術(shù)獲得迅猛的發(fā)展。如今全息術(shù)已經(jīng)進(jìn)入到人們的日常生活，超級(jí)市場上，各種各樣的商品到處粘貼著五光十色的用全息方法制造的防偽標(biāo)志，一切的一切都是為了幫助人們提高生活質(zhì)量。
全息術(shù)本身的發(fā)展沿著兩個(gè)不同的方向在進(jìn)行一、為了提高全息術(shù)的成像分辨率，采用短波長、紫外、軟X射線、硬X射線、電子束、原子束以及中子，分辨率已達(dá)到或者小于原子量級(jí)。二、為了研究瞬態(tài)現(xiàn)象，向超快方向發(fā)展，從微秒、納秒、皮秒直達(dá)飛秒，特別是飛秒全息。飛秒全息成像技術(shù)作為研究超快現(xiàn)象的基本手段之一，具有重要的科學(xué)研究和應(yīng)用價(jià)值。目前已受到人們廣泛的注視。
美國E.Leith研究小組最先將飛秒全息技術(shù)成功地應(yīng)用于透過高散射介質(zhì)成像，其原理主要是利用了全息選通技術(shù)，使參考光最先到達(dá)光干涉，形成全息圖。
由于光透過高散射介質(zhì)時(shí)存在嚴(yán)重的散射，所以必須采用脈沖光源成像。超短激光脈沖經(jīng)過高散射介質(zhì)很容易展寬上百倍。展寬后的出射脈沖可分為兩部分最先到達(dá)光(first-arriving light)和后續(xù)到達(dá)光(later-arriving light)。
最先到達(dá)光經(jīng)過的路程最短，散射最小，利用它可以形成良好的散射介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的陰影圖像。后續(xù)到達(dá)光經(jīng)過嚴(yán)重的散射，對(duì)成像沒有益處。
現(xiàn)在的問題是如何將最先到達(dá)光分離出來，最先到達(dá)光與后續(xù)到達(dá)光到達(dá)探測器的時(shí)間不同，所以需采用時(shí)間選通方法。常用的時(shí)間選通方法有Kerr快門和條紋相機(jī)，這兩種方法都有缺點(diǎn)。Kerr快門需要笨重的大功率激光系統(tǒng)，同步掃描條紋相機(jī)的時(shí)間分辨率只有5-10ps。
飛秒全息選通技術(shù)具有功率低、二維成像(條紋相機(jī)需要掃描過程以建立二維圖像)、時(shí)間分辨率與脈寬相同、整個(gè)系統(tǒng)易于調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，成為分離最先到達(dá)光的有效、實(shí)用方法。該方法以參考光作為選通快門，調(diào)整參考光的光程(延遲)，使其與最先到達(dá)光同時(shí)到達(dá)接受面，兩者形成全息圖。后續(xù)到達(dá)光沒有與參考光在空間上相遇，不能形成干涉條紋，只能作為背景噪聲存在。這樣，包含有圖像信息的最先到達(dá)光被成功地分離出來。
瑞典的N.Abramson研究小組主要利用皮秒、飛秒脈沖全息技術(shù)研究飛行中的光波紀(jì)錄(light-in-flight recording)及這種飛行光記錄方法在物體面形測量、三維物體識(shí)別等其它方面的應(yīng)用。在使用飛秒全息進(jìn)行拍攝時(shí)，人們碰到的第一個(gè)問題是需要設(shè)計(jì)和安排一個(gè)準(zhǔn)等光程的光路，我們知道，1飛秒超短脈沖光所占據(jù)的空間僅為0.3微米，因此光脈沖分束以后，再讓它們在空間重疊是非常艱難的一件工作。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題在于克服上述在先飛秒全息技術(shù)的不足，提供一種飛秒脈沖全息裝置，采用飛秒脈寬進(jìn)行測量，然后將含有信息的飛秒脈沖展寬到納秒量級(jí)進(jìn)行記錄。
下面討論飛秒脈沖光的單色性(頻譜寬度)問題，光脈沖的時(shí)域波形和頻域波形均為傅里葉共軛關(guān)系，即依據(jù)測不準(zhǔn)原理的關(guān)系。若脈沖寬度為Δt，頻譜寬度為Δν，則Δt·Δν≥k (1)式中，k為取決于光脈沖的分布函數(shù)。把上式中使等號(hào)成立的光脈沖稱作傅里葉變換極限脈沖。
對(duì)波長800nm、脈沖寬度100fs的光脈沖，傅里葉變換極限頻譜寬度約為7nm；假定波長600nm、脈沖寬度10fs，則頻譜寬度約為50nm。
介質(zhì)的折射率因波長不同而異，這稱為色散，因?yàn)槌堂}沖的頻譜寬度，在光脈沖通過介質(zhì)時(shí)，即使在低強(qiáng)度脈沖不同波長的成分也以不同的傳輸速度即群速色散通過。無論將脈沖強(qiáng)度降低多少，脈沖也會(huì)展寬。
脈沖的展寬是通過頻率啁啾來實(shí)現(xiàn)的，因此可以利用任何材料的群速度色散得到，例如，可以利用棱鏡和光柵的色散效應(yīng)而得到。在早期的研究工作中，一般都是通過光纖來實(shí)現(xiàn)，用適當(dāng)長度的光纖，利用光纖中的自相位調(diào)制(self-phase modulating)和群速度色散(group-velocity dispersion)對(duì)光纖的聯(lián)合作用，使從光纖中輸出的脈沖成為在時(shí)域和頻域都得到展寬的啁啾脈沖。從光纖中出來的啁啾脈沖的寬度一般在100皮秒左右，要想獲得更長的脈沖，必須采用光柵或棱鏡對(duì)展寬器。
根據(jù)上述脈沖展寬的原理，本實(shí)用新型采用棱鏡的正色散將脈沖展寬。因此本實(shí)用新型的具體技術(shù)方案如下一種飛秒脈沖全息裝置，包括一臺(tái)飛秒激光光源，其特點(diǎn)是沿激光光源發(fā)出的光束前進(jìn)方向依次是擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡、第一分束器，在該第一分束器的透射方向依次由第一全反射鏡、第一、第二色散三角形棱鏡、第二分束器、探測器構(gòu)成物光路，在該第一分束器的反射方向依次由第三、第四色散三角形棱鏡、第二全反射鏡、第二分束器、探測器構(gòu)成參考光路，該探測器與一用來重構(gòu)飛秒全息圖像的計(jì)算機(jī)相連。
所述的激光光源是一臺(tái)輸出800nm、脈沖寬度為120fs的鈦寶石激光器。
所述的擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡是一臺(tái)將波長為800nm光束擴(kuò)大10倍的光學(xué)系統(tǒng)。
所述的第一、第二分束鏡是透過50％、反射50％的光楔鍍膜鏡。
所述的第一第二全反射鏡是全反射介質(zhì)膜鏡。
所述的色散三角形棱鏡是由高折射率熔石英制成的頂角為68°的等腰三角形棱鏡。
所說的探測器是一臺(tái)帶有接收卡的電荷耦合器CCD。
本實(shí)用新型飛秒脈沖全息裝置的工作情況大致如下將一塊待測的能產(chǎn)生快過程、透過800nm的位相物體，即樣品放在物光路中，例如第一全反射鏡和第一色散三角形棱鏡之間的物光路中，當(dāng)激光光源鈦寶石飛秒激光器輸出一個(gè)120飛秒激光脈沖，經(jīng)擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束以后，經(jīng)第一分束鏡變成兩個(gè)等強(qiáng)度的透射光束和反射光束，透射光束被全反射鏡反射進(jìn)入到樣品，含有樣品信息的物光束被色散三角形棱鏡展寬成1納秒的脈沖，被第二分束器反射到探測器上。
而反射光束經(jīng)亦被第三、第四色散三角形棱鏡展寬成1納秒，被第二全反射鏡反射，通過第二分束器形成參考光束在探測器上和物光束相遇，形成全息圖，這個(gè)全息圖由CCD上的圖像數(shù)字化，經(jīng)計(jì)算機(jī)圖像處理即重構(gòu)，實(shí)時(shí)地重構(gòu)出樣品的位相信息，揭示樣品的瞬態(tài)變化。
本實(shí)用新型的技術(shù)效果本實(shí)用新型飛秒脈沖全息裝置與在先技術(shù)相比，最大的優(yōu)點(diǎn)在于它將120飛秒的超短脈沖展寬成1納秒脈沖，大大降低了對(duì)物束光程和參考束光程等光程的要求，使飛秒全息系統(tǒng)的操作和調(diào)整很方便。


圖1為本實(shí)用新型的飛秒脈沖全息成像裝置原理圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)請(qǐng)參閱圖1，圖1為本實(shí)用新型的飛秒脈沖全息裝置結(jié)構(gòu)原理圖，由圖可見，本實(shí)用新型飛秒脈沖全息裝置由13部分組成包括一臺(tái)飛秒激光光源1，其特征在于激光光源1發(fā)出的光束前進(jìn)方向依次是擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡2、第一分束器3，在該第一分束器3的透射方向依次由第一全反射鏡4、第一、第二色散三角形棱鏡9、10、第二分束器6、探測器12構(gòu)成物光路，在該第一分束器3的反射方向依次由第三、第四色散三角形棱鏡7、8、第二全反射鏡5、第二分束器6、探測器12構(gòu)成參考光路，該探測器12與一計(jì)算機(jī)13相連。
所說的激光光源1，是一臺(tái)輸出800nm脈沖寬度為120飛秒、脈沖能量1納焦耳的鈦寶石激光器。
所說的擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡2，是一臺(tái)將波長為800nm光束擴(kuò)大10倍的光學(xué)系統(tǒng)。
所說的第一、第二分束鏡3，6，是透過50％、反射50％的光楔鍍膜鏡。
所說的第一、第二全反射鏡4，5，是全反射介質(zhì)膜鏡。
所說的棱鏡7，8，9，10，是高折射率熔石英構(gòu)成的頂角為68°的等腰三角形棱鏡。
所說的樣品11，是一塊待測的能產(chǎn)生快過程、透過800nm的位相物體。
所說的探測器12，是一臺(tái)帶有接收卡的電荷耦合器CCD。
所說的計(jì)算機(jī)13，是用來重構(gòu)飛秒全息成像的顯示系統(tǒng)。
本實(shí)用新型飛秒脈沖全息裝置的工作情況大致如下將一塊待測的能產(chǎn)生快過程、透過800nm的位相物體，即樣品11放在物光路中，例如第一全反射鏡4和第一色散三角形棱鏡9之間的物光路中，當(dāng)激光光源1鈦寶石飛秒激光器輸出一個(gè)120飛秒激光脈沖，經(jīng)擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡2擴(kuò)束以后，經(jīng)第一分束鏡3變成兩個(gè)等強(qiáng)度光束A和B，A光束被全反射鏡4反射進(jìn)入到樣品11，含有樣品信息的A束被棱鏡9，10展寬成1納秒的脈沖，被分束器6反射到探測器12上，形成物光束。
而B束經(jīng)第三、第四棱鏡7，8亦被展寬成1納秒，被第二全反射鏡5反射，通過分束器6形成參考光束，在探測器12上和物光束相遇，形成全息圖，這個(gè)全息圖由CCD上的圖像數(shù)字化，經(jīng)計(jì)算機(jī)13圖像處理即重構(gòu)，實(shí)時(shí)地重構(gòu)出樣品11的位相信息，揭示樣品的瞬態(tài)變化。
權(quán)利要求1.一種飛秒脈沖全息裝置，包括一臺(tái)飛秒激光光源(1)，其特征在于激光光源(1)發(fā)出的光束前進(jìn)方向依次是擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡(2)、第一分束器(3)，在該第一分束器(3)的透射方向依次由第一全反射鏡(4)、第一、第二色散三角形棱鏡(9、10)、第二分束器(6)、探測器(12)構(gòu)成物光路，在該第一分束器(3)的反射方向依次由第三、第四色散三角形棱鏡(7、8)、第二全反射鏡(5)、第二分束器(6)、探測器(12)構(gòu)成參考光路，該探測器(12)與一用來重構(gòu)飛秒全息圖像的計(jì)算機(jī)(13)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒脈沖全息裝置，其特征在于所述的激光光源(1)是一臺(tái)輸出800nm、脈沖寬度為120fs的鈦寶石激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒脈沖全息裝置，其特征在于所述的擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡(2)，是一臺(tái)將波長為800nm光束擴(kuò)大10倍的光學(xué)系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒脈沖全息裝置，其特征在于所述的第一、第二分束鏡(3，6)是透過50％、反射50％的光楔鍍膜鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒脈沖全息裝置，其特征在于所述的第一第二全反射鏡(4，5)是全反射介質(zhì)膜鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒脈沖全息裝置，其特征在于所述的色散三角形棱鏡(7，8，9，10)是由高折射率熔石英制成的頂角為68°的等腰三角形棱鏡。
專利摘要一種飛秒脈沖全息裝置，包括一臺(tái)飛秒激光光源，其特點(diǎn)是沿激光光源發(fā)出的光束前進(jìn)方向依次是擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡、第一分束器，在該第一分束器的透射方向依次由第一全反射鏡、第一、第二色散三角形棱鏡、第二分束器、探測器構(gòu)成物光路，在該第一分束器的反射方向依次由第三、第四色散三角形棱鏡、第二全反射鏡、第二分束器、探測器構(gòu)成參考光路，該探測器與一用來重構(gòu)飛秒全息圖像的計(jì)算機(jī)相連。本實(shí)用新型裝置將120飛秒的超短脈沖展寬成1納秒脈沖，大大降低了對(duì)物光程和參考光程等光程的要求，使飛秒全息系統(tǒng)的操作和調(diào)整很方便。
文檔編號(hào)G06F3/14GK2655299SQ20032010782
公開日2004年11月10日 申請(qǐng)日期2003年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月7日
發(fā)明者陳建文, 高鴻奕, 朱化鳳, 李儒新, 徐至展 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所