一种应用于4f相位相干成像系统的相位光阑的制作方法

专利名称：一种应用于4f相位相干成像系统的相位光阑的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能提高4f相位相干成像系统测量精度的新型相位光阑。
背景技术：
随着光通信和光信息处理等领域技术的飞速发展，非线性光子学材料研究日益重要。光学逻辑、光学记忆、光三极管、光开关和相位复共轭等功能的实现主要依赖于非线性光子学材料的研究进展。光学非线性测量技术是研究非线性光子学材料的关键技术之一。 这里将要用到的4f相位相干成像系统(G. Boudebs and S. Cherukulappurath,“NonI inear optical measurements using a 4f coherent imaging system with phase object”， Phys. Rev. A，69，053813 (1996))就是近年来提出的一种测量材料非线性折射的新方法。4f相位相干成像法是一种光束畸变的测量方法，这种方法是在4f系统物平面上放置一个相位光阑，将待测的非线性物体放置在傅里叶平面上，而在出射面上用CCD相机接收出射激光脉冲图像的方法。这种方法可以利用单脉冲同时测量非线性折射系数的大小和符号。相位光阑是在一个圆形光阑的中心制作一个面积更小圆形的相位物体，通过相位物体的光比相位物体外的光有正的相位延迟。当被测材料的非线性折射率为正的时候，CCD 接收到的非线性图像由于正相衬的原因，在相位物体的位置强度比周围增强。相反的，当被测材料的非线性折射率为负的时候，非线性图像的相位物体的位置的强度比周围要弱。4f相位相干成像法虽然巧妙地利用相位光阑来实现了非线性折射率的大小和符号的测量，但是并没有将相位光阑的作用充分地发挥出来。假如将相位光阑中的相位物体的相移变成负的，那么对于具有正的非线性折射的材料，实验中将产生一个负的相衬信号， 即非线性图像中相位物体的位置的强度将减小。而对于负非线性折射率的材料，非线性图像中相位物体位置的强度将增加。如果对于同一个非线性材料能够同时实现正负两种相衬，那么灵敏度就会增加。

发明内容
为了充分发挥相位物体的相衬作用，本发明提供一种改进的相位光阑，该相位光阑能够对待测非线性样品同时产生正相衬和负相衬，使得4f相位相干成像系统的测量灵敏度得以提闻。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是—种应用于4f相位相干成像系统的相位光阑，该相位光阑中处于光阑中心的相位物体由环形相位物体和位于环形相位物体中的圆形相位物体组成。相位光阑是通过在一个圆形光阑中心通过镀透明介质薄膜形成的相位物体构成的。所述圆形相位物体与环形相位物体所产生的位相延迟分别为2m π + Ji /4和2η π - Ji /4， 其中m、n为整数。通过在原来的圆形的统一相位延迟的相位物体外加上环形相位物体，使得圆形相位物体产生η /4的相位延迟，而环形相位物体产生-/4的相位延迟。对于非线性折射率为正的样品，在非线性图像中相位延迟为n/4的区域由于正相衬强度增强，而相位延迟为-W4的区域由于负相衬强度减小。用本发明改进后的正负环形相位光阑产生的非线性图像中的强度的增加和减小与改进前的圆形的相位光阑相位物体在相同强度入射光的情况下产生的非线性图像中相位光阑区域的强度的增强或减小几乎相等。如果定义相衬信号为正相移区域的平均光强与负相移区域的平均光强之差，这样的话就使得系统的测量精度得以提闻。利用本发明的光阑在4f相位相干成像系统进行非线性折射率的测量分两部分进行，即非线性测量和能量校准。非线性测量的具体步骤为(I)取走待测样品，用C⑶相机采集一个脉冲图像，称为无样品图像。(2)将待测样品放置在傅里叶平面，将中性率减片放置在非线性样品之前，使得照射到样品上的光强降低到线性区域，用CCD相机采集一个脉冲图像，称为线性图像。(3)将待测样品放置在傅里叶平面，将先前采集线性图像是使用的中性衰减片移到样品之后，用CCD相机采集一个脉冲图像，称为非线性图像。能量校准是将非线性样品取走，将能量计放置在4f系统的两个凸透镜之间的某一位置使得激光光斑能够全部打到能量计探头上。发射一个激光脉冲，用能量计测量脉冲的能量，同时用CCD相机采集参考光路的参考光斑。由于此时光路中所有器件都是线性器件，所以根据参考光斑的强弱就可以知道入射脉冲能量的大小。这样在非线性测量过程中的入射到待测样品上的脉冲的能量就可以通过同一个激光脉冲产生的参考光斑来计算得到。测量完毕以后，以线性光斑作为输入通过数值拟合非线性光斑来得到非线性折射率的值。实验的灵敏度是由非线性光阑的强度差值来决定的。对于通常的带有圆形物体的相位光阑，定义归一化以后的非线性图像中相位物体区域的平均强度与相位物体以外区域的平均强度的差值为ΛΤ。对于本发明改进后的带有两个相位延迟不同的正负环形相位光阑，可以定义归一化的非线性图像中相位延迟为η/4的圆形区域的平均强度与相位延迟为-Ji/4的环形区域的平均强度差值为AT'。数值模拟显示，在相同入射光强的情况下，本发明改进后的带圆形相位物体与环形相位的正负环形相位光阑的非线性图像中，相位延迟η/4的圆形区域的平均强度与以前相位光阑的非线性图像中相位物体区域的平均强度几乎相等。但是在本发明改进后的相位光阑的非线性图像中，相位延迟-η/4的环形区域的平均强度将减弱，因此AT' > AT， 即本发明的相位光阑使得测量系统的灵敏度增加。本发明提出的正负环形相位光阑，与以前提出的相位光阑相比较，它具有以下优点。I、可以提高系统测量的灵敏度，既可以灵敏的测量正的非线性，也可以灵敏的测量负的非线性，且在测量负的非线性时灵敏度提高更为明显。2、与正负圆形相位光阑不同，正负环形相位光阑是中心结构对称的，用极坐标编程计算的时候在加时间维的时候比较简洁方便。3、由于正负圆形相位光阑是在比较小的相位物体内左半圆为正相移区域，右半圆为负相移区域，制作起来很不方便；而正负环形相位光阑内圆为正相移区域，中间环为负相移区域，相对区域比较大，所以便于加工制作。
本发明改进后的相位光阑的灵敏度的提高是随着样品非线性相移的变化而不同的。将灵敏度的变化定义为△!" /ΛΤ，为了使相衬信号不会产生振荡，假设样品内产生的非线性相移为m < Onl < n，在这个范围内系统测量的灵敏度几乎都可以得到提高。 小相移(O1C O)情况下，AT' /AT= I. 65，对于非线性相移为负的情况，灵敏度的增大非常明显，当=-O. 6 π时，灵敏度的增加可以达到AT' /AT = 3. 21，特别当Oic接近时，灵敏度的增加大约27倍左右。


图I是本发明4f相位相干成像系统原理图。其中1、激光器；2、相位光阑；3、凸透镜；4、待测样品；5、凸透镜；6、中性衰减片；7、C⑶相机；8、分束镜；9、反射镜；10、凸透镜；
11、反射镜；12、分束镜；13、圆形相位物体；14、圆形相位物体；15、环形相位物体。
图2是本发明实施例中带圆形相位物体的相位光阑示意图。
图3为本发明实施例中带圆形相位物体与环形相位物体的相位光阑示意图。
图4为本发明实施例中带圆形相位物体的相位光阑数值模拟的非线性图像及其
剖面图。图5是本发明实施例中带圆形相位物体与环形相位物体的相位光阑数值模拟的非线性图像及其剖面图。图6是本发明实施例中带圆形相位物体相位光阑的Δ T和带正负环形相位物体的相位光阑的△!"与非线性相移的关系图。图7是本发明实施例中灵敏度的变化与非线性相移的关系图。图8是本发明实施例中带圆形相位物体与环形相位物体的相位光阑实验测得的 (a)线性，(b)非线性与(C)无样品的光斑图。图9为本发明实施例中带圆形相位物体与环形相位物体的相位光阑的非线性图的剖面图拟合。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述图I是4f相位相干成像系统的实验装置图。实验装置可以分为测量系统和能量参考系统两部分。测量系统由激光器I、相位光阑2、凸透镜3、待测样品4、凸透镜5、中性衰减片6和CXD相机7组成。其中凸透镜3和凸透镜5构成4f系统，相位光阑2放置在4f 系统的物面上，待测样品4在傅里叶平面上，而CXD相机7在4f系统的像平面上接收脉冲图像。从激光器I发出的激光首先经过扩束(这部分在图I中省略了)，扩束后的激光脉冲经过相位光阑2形成近top-hat光，光束经凸透镜3的傅里叶变换会聚到放置在傅里叶面上的待测样品4上，由于待测样品4的非线性折射性质使得入射的脉冲的相位发生变化。 从样品后表面出射的脉冲经过凸透镜5的傅里叶逆变换由CXD相机7进行接收，称为主光斑。能量参考系统由分束镜8、反射镜9、凸透镜10、反射镜11和分束镜12组成。从相位光阑2出来的激光被分束镜8分为两束，其中一束经反射镜9、凸透镜10、反射镜11和分束镜12，最后由C⑶相机7接收，称为参考光斑。
图2所示的就是相位光阑2的通常形式，相位物体13为圆形，通过相位物体13的光束比其它部分的光束位相延迟η/2。图3所示的是本发明改进后的相位光阑，由圆形相位物体14和环形相位物体15共同组成一个圆形的相位物体。其中圆形相位物体14产生相位延迟η /2，环形相位物体15产生相位延迟-π /2。利用4f相位相干成像系统进行非线性折射率的测量分两部分进行，即非线性测量和能量校准。非线性测量的具体步骤为弟一步取走待测样品4,用(XD相机7米集个脉冲图像，称为无样品图像。第二步将待测样品4放置在傅里叶平面，将中性率减片6放置在待测样品4之前，使得照射到待测样品4上的光强降低到线性区域，用CCD相机7采集一个脉冲图像，称为线性图像。第三步将待测样品4放置在傅里叶平面，将先前采集线性图像时使用的中性衰减片6移到待测样品4之后，用CCD相机7采集一个脉冲图像，称为非线性图像。能量校准是将非线性样品4取走，将能量计放置在凸透镜3和凸透镜5之间的某一位置使得激光光斑能够全部打到能量计探头上。发射一个激光脉冲，用能量计测量脉冲的能量，同时用CCD相机7采集参考光路的参考光斑。由于此时光路中所有器件都是线性器件，所以根据参考光斑的强弱就可以知道入射脉冲能量的大小。这样在非线性测量过程中的入射到待测样品4上的脉冲的能量就可以通过同一个激光脉冲产生的参考光斑来计算得到。图4(a)是由通常的带圆形相位物体的相位光阑得到的非线性图像，而附图4(b) 则是附图4(a)沿y = O的剖面图。数值模拟所用的主要参数为相位物体半径与光阑半径之比P = Lp/Ra = O. 5mm/1. 5mm ^ O. 33,待测样品非线性相移ΦΝ = O. 35。附图5(a)是用改进后的带正的圆形相位物体与负的环形相位物体的相位光阑得到非线性图像，而附图 5(b)则是附图5(a)沿y = O的剖面图。模拟中所用的圆形相位物体半径与光阑半径之比以及样品非线性相移都与图4中相同，而环形相位物体的半径为Rb = I. 0mm。定义带圆形相位物体的相位光阑产生的非线性图像中相位光阑位置的平均强度与相位物体之外的平均强度之差为AT。而对于带正负环形相位物体的相位光阑产生的非线性图像，将位相延迟为η /4的圆形相位物体的位置的平均强度与位相延迟为-π /4的环形相位物体位置的平均强度之差定义为AT'。从附图4(b)和附图5(b)中可以看到附图4(b)中的AT与附图 5(b)中位相延迟为η/4的半圆形相位物体的位置的平均强度与相位物体之外的平均强度之差几乎相等，从而△!" > ΛΤ，即本发明改进后的相位光阑是系统的测量灵敏度得到了提闻。图6是带圆形相位物体的相位光阑的AT与带正的圆形相位物体与负的环形相位物体的相位光阑的AT,与非线性相移的关系曲线。从中看出在|ΦΝ」< 的范围内， AT在正的非线性相移范围内灵敏度明显大于相应的负非线性相移。为了研究非线性折射率的有效性，假设非线性相移η < Onl < η内为我们研究的范围，这样做的目的是为了避免非线性相移过大而对测量产生的影响。从图6中我们也可以看出在这个范围内相称信号 ΔΤ(ΔΤ/ )与非线性相移成准线性关系。而AT'几乎是关于Φ‘ = O为中心对称图形， 并且在-JI < ΦΝΙ< π的范围内的灵敏度都高于AT，对于负的非线性相移灵敏度的增加尤为明显。将AT' /AT的比值与非线性相移的关系曲线作图显示在附图7中。在附图7中，当ΦΝ = _0.6π时，灵敏度的增加可以达到AIw /AT = 3. 21，当ΦΝ =-O. 5 π 时，灵敏度的增加可以达到AT' /ΛΤ = 2. 77;当ΦΝ = 0时，AT' /AT=1.65;iOm = 0.5 Ji时，AT' /AT = 1.16。特别当非线性相移接近-π，其灵敏度增加到27倍。所以它在测量负的非线性的时候更加的灵敏。灵敏度的提高在负的非线性相移范围内是非常明显的，随着非线性相移的增加灵敏度提高的倍数在不断减小，当非线性相移增大到O. 7 π 时，改进后的相位光阑与改进前的灵敏度几乎相同。为了更清楚地看到本发明相位光阑灵敏度的提高，将部分数值列于下表。表I不同非线性相移所对应的系统灵敏度的提高
权利要求
1.一种应用于4f相位相干成像系统的相位光阑,其特征在于,所述相位光阑中处于光阑中心的相位物体由环形相位物体和位于环形相位物体中的圆形相位物体组成。
2.根据权利要求I所述的一种应用于4f相位相干成像系统的相位光阑，其特征是所述相位物体由透明介质薄膜构成。
3.根据权利要求I或2所述的一种应用于4f相位相干成像系统的相位光阑，其特征是所述圆形相位物体与环形相位物体所产生的位相延迟分别为2m + Ji /4和2n - Ji /4, 其中m、η为整数。
全文摘要
本发明公开了一种应用于4f相位相干成像系统中的相位光阑，通过将相位光阑中的圆形的统一位相延迟π/2的相位物体改成由两个位相延迟分别为π/4和-π/4正负环形相位物体，使得测量系统的灵敏度得以提高。考虑到相位物体越小受到的边缘衍射效应越大，实际中选取正相位物体与负相位物体把相位光阑分成三等分最合适。本发明改进后的相位光阑在非线性相移-π＜ΦNL＜π的范围内都可以使系统的测量精度得以提高。对于正的小的非线性相移(ΦNL＝0)灵敏度提高可达1.65倍，而对于负的非线性相移灵敏度的提高尤为明显，当ΦNL＝-0.6π时灵敏度提高可达3.21倍，特别当非线性相移趋于-π时，灵敏度提高约为27倍。
文档编号G01N21/45GK102608682SQ20121008920
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月30日 优先权日2012年3月30日
发明者刘南春, 宋瑛林, 李中国, 聂仲泉 申请人:常熟微纳激光光子技术有限公司