專利名稱：基于邁克爾遜干涉儀的4f相位相干成像方法
技術領域：
本發明所涉及的是一種基于邁克爾干涉儀的4f相干相位成像技術測量介 質的非線性折射性質的方法，屬于非線性光子學材料和非線性光學信息處理 領域。
背景技術：
隨著光通信和光信息處理等領域的飛速發展，非線性光學材料研究曰益 重要。光開關、相位復共軛、光限幅以及光調制等功能的實現主要依賴于非 線性光學材料的研究進展，而光學非線性測量技術是研究非線性光子學材料 的關鍵技術之一。目前常用的測量非線性光學參數方法有Z掃描、4f系統相 干成像技術、馬赫-曾德爾干涉法、四波混頻、三次諧波非線性干涉法、橢圓 偏振法等。.上述測量方法中的后三種光路比較復雜，而且在測量非線性折射 效應的時候無法區分材料三階極化率的實部和虛部；上述Z掃描技術光路簡 單、靈敏度高，是目前應用最為廣泛的一個測量技術，但是需要樣品在激光 傳播方向的移動，需要激光多次激發，對薄膜和易損傷的材料不適用，由于 需要多次激發，在研究材料的光動力學方面無能為力；上述馬赫-曾德爾干涉 技術具有單脈沖測量、靈敏度高的優點，但無法區別材料的非線性吸收、光路復雜、數據處理復雜的缺點。在應用基于邁克爾遜干涉儀的4f相位相干成像裝置測量介質非線性折射 性質時，具有光路簡單、實驗數據處理簡單、對材料的非線性相移的測量不 受非線性吸收的影響、單脈沖測量的優點，其在測量薄膜和易損傷材料時的 優點也顯而易見，而且是研究材料的光動力學性質的有力手段。而傳統的4f 系統相干成像技術數據的處理較為麻煩、無法避免非線性吸收的影響。馬赫-曾德爾干涉儀的方法最早是由Georges Boudebs等人于2000年提出 (G. Boudebs， M. Chis， and X. Nguyen Phu, "Third-order susceptibility measurement by a new Mach-Zehnder interferometry technique", J. Opt Soc. Am. B, 18(5)， 623-627)。這個方法是利用在馬赫-曾德爾干涉儀一個臂中產生相位轉
換而使干涉條紋發生局部的形變，用CCD接收到形變的結果，然后做一次傅 立葉變換得到非線性相位轉換的函數分布。它同Z掃描方法一樣，也屬于光 束畸變測量，其基本原理是在馬赫-曾德爾干涉儀的一個臂上放置樣品，通過 泵浦的方法讓通過此樣品的單壁產生非線性相移，從而使干涉條紋產生局域 的形變，但是此方法由于產生形變的范圍太小，對噪聲和激光的穩定性要求 很高、數據處理復雜且誤差較大。 發明內容本發明為解決傳統4f系統相干成像技術數據的處理較為麻煩、無法避免 非線性吸收，以及馬赫-曾德爾干涉法存在的形變的范圍較小，對噪聲和激光 的穩定性要求較高、數據處理復雜且誤差較大的問題，提供一種基于邁克爾 遜干涉儀的4f相位相干成像方法。完成本發明的方法采用以下結構的裝置， 該裝置由第一線性衰減片1、第一全反射鏡2、第一孔徑光闌3、第二全反射 鏡4、第二孔徑光闌5、第一分光鏡6、第二分光鏡7、第一凸透鏡8、第二凸 透鏡10、第二線性衰減片11、第三分光鏡12、 CCD相機13、第三凸透鏡14、 第三全反射鏡15、第四全反射鏡18、第四凸透鏡19、第五凸透鏡20和激光 器21組成，第四凸透鏡19、第一線性衰減片l、第五凸透鏡20、第一分光鏡 6、第二孔徑光闌5和第二全反射鏡4都依次設置在激光器21上側的中心軸 線上，第四凸透鏡19的透射光的光軸軸線、第一線性衰減片1的透射光的光 軸軸線、第五凸透鏡20的透射光的光軸軸線、第二孔徑光闌5的透光孔的中 心軸線和第二全反射鏡4的中心軸線都與激光器21的激光發射口的中心軸線 相重合，第一分光鏡6下側入射點的右側面與激光器21的激光發射口上側的 中心軸線呈45。角，第二全反射鏡4的反射面朝向激光器21的激光發射口， 第三分光鏡12、第二線性衰減片ll、第二凸透鏡IO、第一凸透鏡8、第二分 光鏡7、第一分光鏡6、第一孔徑光闌3和第一全反射鏡2都依次設置在CCD 相機13的圖像采集面左側的中心軸線上，第二線性衰減片11的透射光的光 軸軸線、第二凸透鏡10的透射光的光軸軸線、第一凸透鏡8的透射光的光軸 軸線、第一孔徑光闌3的透光孔的中心軸線和第一全反射鏡2的中心軸線都 與CCD相機13的圖像采集面左側的中心軸線相重合，第一分光鏡6右側出 射點的下側面與CCD相機13的圖像采集面左側的中心軸線呈45。角，第二分
光鏡7與第一分光鏡6相互平行設置，第三分光鏡12與第二分光鏡7之間的 夾角為90。，第一全反射鏡2的反射面朝向CCD相機13的圖像采集面，第三 全反射鏡15設置在第二分光鏡7的反射光的光路上，第三全反射鏡15的反 射面朝向右側并與第二分光鏡7的出射光的中心軸線呈45°角，第五凸透鏡14 和第四全反射鏡18都依次設置在第三全反射鏡15的反射光的光路上，第五 凸透鏡14的透射光的光軸軸線和第四全反射鏡18的入射光的光軸軸線都與 第三全反射鏡15的出射光的光軸軸線相重合，第四全反射鏡18的出射光的 光軸軸線與第三分光鏡12的入射光的光軸軸線相重^"; 本發明的本方法由以下步驟組成步驟一、開啟并調節裝置打開激光器21，調整第一全反射鏡2和第二 全反射鏡4使激光束在CCD相機13的圖像采集面上形成3到5個條紋；步驟二、采集無樣品圖像在未設置待測樣品時用CCD相機13采集一 個脈沖圖像，此圖像記為無樣品圖像；步驟三采集線性圖像將待測樣品9設置在第一凸透鏡8和第二凸透 鏡10之間重合的焦點上，用CCD相機13采集一個脈沖圖像，此圖像記為線 性圖像； .步驟四采集非線性圖像取掉第一線性衰減片1和第二線性衰減片11，用CCD相機13采集一個脈沖圖像，此圖像記為非線性圖像；步驟五計算線性透過率將步驟三中采集到的線性圖像和步驟二中采 集到的無樣品圖像分別進行積分，得到透過樣品后的線性脈沖的能量和入射 脈沖的總能量，兩者的比值即為待測樣品9的線性透過率；步驟六計算非線性相移將步驟四中采集到的非線性圖像與步驟三中 ^^集到的線性圖像進行對比，計算出條紋移動距離，然后根據條紋移動距離 計算出待測樣品9處產生的非線性相移；步驟七計算三階非線性折射系數將步驟六中計算出的非線性相移經 過能量校準和步驟五中計算出的線性透過率通過公式0隨=n2 I隨(O，O) L 計算即得出待測樣品9的三階非線性折射系數n2，其中L為待測樣品9 的厚度，1證(0，0)為孔徑光闌中心處的最大光場強度，(D腿為待測樣品9的非
線性最大相移。本發明的有益效果是(1) 與傳統4f相干成像技術相比，本發明具有不需要測量材料的非線性吸收系數既可得到最大非線性相移、數據處理簡單的特點；(2) 與馬赫-曾德干涉技術相比較，本發明具有光路簡單、數據處理容易、對激光器的穩定性要求較低、不受非線性吸收的影響的特點；(3) 同其它非線性光學測量技術(如Z掃描方法)相比，本發明具有單脈 沖測量、沒有樣品的移動、理論模型簡單的特點，其單脈沖測量的特點還可 以被用來測量材料的非線性折射率隨曝光時間變化的動態過程；(4) 本發明所述的測量方法，可以廣泛應用于非線性光子學材料、非線性 光學信息處理和光子學器件等研究領域，尤其是非線性光功能材料的測試和 改性等關鍵環節，利用本發明方法的測試結果準確，測量非線性相移時排除 了非線性吸收的影響，另外本方法對激光的質量和光路要求簡單，數據處理 方便，測試速度快捷。
圖1是本發明裝置的結構示意圖；圖2是本發明方法的流程圖；圖3是 CCD相機13得到的非線性二維圖；圖4是CCD相機13得到的垂直于條紋方 向的一維線性圖和一維非線性圖；圖5是CCD相機13得到的平行于條紋方 向的一維線性圖和一維非線性圖。
具體實施方式
具體實施方式
一參見圖1~圖5，完成本實施方式的方法采用以下結構 的裝置，該裝置由第一線性衰減片1、第一全反射鏡2、第一孔徑光闌3、第 二全反射鏡4、第二孔徑光闌5、第一分光鏡6、第二分光鏡7、第一凸透鏡8、 第二凸透鏡IO、第二線性衰減片ll、第三分光鏡12、 CCD相機13、第三凸 透鏡14、第三全反射鏡15、第四全反射鏡18、第四凸透鏡19、第五凸透鏡 20和激光器21組成，第四凸透鏡19、第一線性衰減片l、第五凸透鏡20、 第一分光鏡6、第二孔徑光闌5和第二全反射鏡4都依次設置在激光器21上 側的中心軸線上，第四凸透鏡19的透射光的光軸軸線、第一線性衰減片1的 透射光的光軸軸線、第五凸透鏡20的透射光的光軸軸線、第二孔徑光闌5的 透光孔的中心軸線和第二全反射鏡4的中心軸線都與激光器21的激光發射口 的中心軸線相重合，第一分光鏡6下側入射點的右側面與激光器21的激光發 射口上側的中心軸線呈45°角，第二全反射鏡4的反射面朝向激光器21的激 光發射口，第三分光鏡12、第二線性衰減片ll、第二凸透鏡IO、第一凸透鏡 8、第二分光鏡7、第一分光鏡6、第一孔徑光鬧3和第一全反射鏡2都依次 設置在CCD相機13的圖像采集面左側的中心軸線上，第二線性衰減片11的 透射光的光軸軸線、第二凸透鏡10的透射光的光軸軸線、第一凸透鏡8的透 射光的光軸軸線、第一孔徑光闌3的透光孔的中心軸線和第一全反射鏡2的 中心軸線都與CCD相機13的圖像采集面左側的中心軸線相重合，第一分光 鏡6右側出射點的下側面與CCD相機13的圖像采集面左側的中心軸線呈45° 角，第二分光鏡7與第一分光鏡6相互平行設置，第三分光鏡12與第二分光 鏡7之間的夾角為90°，第一全反射鏡2的反射面朝向CCD相機13的圖像采 集面，第三全反射鏡15設置在第二分光鏡7的反射光的光路上，第三全反射 鏡15的反射面朝向右側并與第二分光鏡7的出射光的中心軸線呈45°角，第 五凸透鏡14和第四全反射鏡18都依次設置在第三全反射鏡15的反射光的光 路上，第五凸透鏡14的透射光的光軸軸線和第四全反射鏡18的入射光的光 軸軸線都與第三全反射鏡15的出射光的光軸軸線相重合，第四全反射鏡18 的出射光的光軸軸線與第三分光鏡12的入射光的光軸軸線相重合； 本發明的本方法由以下步驟組成步驟一、開啟并調節裝置打開激光器21，調整第一全反射鏡2和第二 全反射鏡4使激光束在CCD相機13的圖像采集面上形成3到5個條紋；步驟二、采集無樣品圖像在未設置待測樣品時用CCD相機13采集一個脈沖圖像，此圖像記為無樣品圖像；步驟三采集線性圖像將待測樣品9設置在第一凸透鏡8和第二凸透鏡10之間重合的焦點上，用CCD相機13采集一個脈沖圖像，此圖像記為線 性圖像；步驟四采集非線性圖像取掉第一線性衰減片1和第二線性衰減片11，用CCD相機13釆集一個脈沖圖像，此圖像記為非線性圖像；步驟五計算線性透過率將步驟三中采集到的線性圖像和步驟二中采
集到的無樣品圖像分別進行積分，得到透過樣品后的線性脈沖的能量和入射 脈沖的總能量，兩者的比值即為待測樣品9的線性透過率；步驟六計算非線性相移將步驟四中采集到的非線性圖像與步驟三中 采集到的線性圖像進行對比，計算出條紋移動距離，然后根據條紋移動距離 計算出待測樣品9處產生的非線性相移；步驟七計算三階非線性折射系數將步驟六中計算出的非線性相移經 過能量校準和步驟五中計算出的線性透過率通過公式Omax= n2 I證(O,O) L計算即得出待測樣品9的三階非線性折射系數n2,其中L為待測樣品9的厚度，1max(0，0)為孔徑光闌中心處的最大光場強度，0,為待測樣品9的非線性最大相移。在本實施例中，激光器21可采用Nd:YAG激光器(Ekspla,PL2143B)倍頻 以后的532nm激光，脈寬21ps; CCD相機13可采用德國Lavision公司生產 的Image QE，像素大小為6.4x6.4pm2，每個象素具有4095級灰度；待測樣品 9可選用CS2，使第一孔徑光闌3和第二孔徑光闌5的透光孔的半徑的比值為 1:3，第一孔徑光闌3的透光孔到第一凸透鏡8的光路行程和第二孔徑光闌5 的透光孔到第一凸透鏡8的光路行程都等于第一凸透鏡8的焦距，第一分光 鏡6的透射率和反射率都為50%,第一凸透鏡8的一個焦點和第二凸透鏡10 的一個焦點在它們倆之間重合，第三凸透鏡19的焦距小于第四凸透鏡20的 焦距，第三凸透鏡19的一個焦點和第四凸透鏡20的一個焦點在它們倆之間 重合。對待測樣品9的非線性測量的計算公式如下 第一孔徑光闌3和第二孔徑光闌5的平面處的電場分布為則頻譜面的電場分布為S(",v)-F(0,(x,力+ 02(x,力) 此時待測樣品9的透過率為T(u，v) = r(", v) expd (w， v)) 其中r(w,v)只影響像平面的電場強度分布，而^(",v)既影響像平面的強度分布，又影響像平面的相位分布，而像平面的條紋移動只與電場的相位分布 有關，對于單光束來講像平面中心處的電場相位與入射面的電場相位分布相比，其增加量與樣品處的最大非線性線相移成正比，比值為0.5。當第一孔徑 光闌3和第二孔徑光闌5的透光孔的半徑大小差別為1:3以上時，由于在頻譜 面出的埃里斑大小與孔徑大小成反比，小孔徑的單束光產生的非線性效應相 對于大孔徑產生的非線性效應可以忽略，因此通過計算條紋移動便可以計算 得到樣品處的非線性相移。由圖4和圖5中的條紋移動情況計算可得到條紋 移動大約為0.12個條紋，由于待測物品9的非線性吸收比較小，因此可以得 到樣品處的非線性相移，經過校準能量還可以得到樣品的三階非線性折射系 數ri2，經過計算得到n2的值為2.8±0.2m2/W，這個結果跟以前的各種方法所 測得的結果相吻合。
權利要求
1、基于邁克爾遜干涉儀的4f相位相干成像方法，完成本方法采用以下結構的裝置，該裝置由第一線性衰減片(1)、第一全反射鏡(2)、第一孔徑光闌(3)、第二全反射鏡(4)、第二孔徑光闌(5)、第一分光鏡(6)、第二分光鏡(7)、第一凸透鏡(8)、第二凸透鏡(10)、第二線性衰減片(11)、第三分光鏡(12)、CCD相機(13)、第三凸透鏡(14)、第三全反射鏡(15)、第四全反射鏡(18)、第四凸透鏡(19)、第五凸透鏡(20)和激光器(21)組成，第四凸透鏡(19)、第一線性衰減片(1)、第五凸透鏡(20)、第一分光鏡(6)、第二孔徑光闌(5)和第二全反射鏡(4)都依次設置在激光器(21)上側的中心軸線上，第四凸透鏡(19)的透射光的光軸軸線、第一線性衰減片(1)的透射光的光軸軸線、第五凸透鏡(20)的透射光的光軸軸線、第二孔徑光闌(5)的透光孔的中心軸線和第二全反射鏡(4)的中心軸線都與激光器(21)的激光發射口的中心軸線相重合，第一分光鏡(6)下側入射點的右側面與激光器(21)的激光發射口上側的中心軸線呈45°角，第二全反射鏡(4)的反射面朝向激光器(21)的激光發射口，第三分光鏡(12)、第二線性衰減片(11)、第二凸透鏡(10)、第一凸透鏡(8)、第二分光鏡(7)、第一分光鏡(6)、第一孔徑光闌(3)和第一全反射鏡(2)都依次設置在CCD相機(13)的圖像采集面左側的中心軸線上，第二線性衰減片(11)的透射光的光軸軸線、第二凸透鏡(10)的透射光的光軸軸線、第一凸透鏡(8)的透射光的光軸軸線、第一孔徑光闌(3)的透光孔的中心軸線和第一全反射鏡(2)的中心軸線都與CCD相機(13)的圖像采集面左側的中心軸線相重合，第一分光鏡(6)右側出射點的下側面與CCD相機(13)的圖像采集面左側的中心軸線呈45°角，第二分光鏡(7)與第一分光鏡(6)相互平行設置，第三分光鏡(12)與第二分光鏡(7)之間的夾角為90°，第一全反射鏡(2)的反射面朝向CCD相機(13)的圖像采集面，第三全反射鏡(15)設置在第二分光鏡(7)的反射光的光路上，第三全反射鏡(15)的反射面朝向右側并與第二分光鏡(7)的出射光的中心軸線呈45°角，第五凸透鏡(14)和第四全反射鏡(18)都依次設置在第三全反射鏡(15)的反射光的光路上，第五凸透鏡(14)的透射光的光軸軸線和第四全反射鏡(18)的入射光的光軸軸線都與第三全反射鏡(15)的出射光的光軸軸線相重合，第四全反射鏡(18)的出射光的光軸軸線與第三分光鏡(12)的入射光的光軸軸線相重合，其特征在于本發明的本方法由以下步驟組成步驟一開啟并調節裝置打開激光器(21)，調整第一全反射鏡(2)和第二全反射鏡(4)使激光束在CCD相機(13)的圖像采集面上形成3到5個條紋；步驟二采集無樣品圖像在末設置待測樣品時用CCD相機(13)采集一個脈沖圖像，此圖像記為無樣品圖像；步驟三采集線性圖像將待測樣品(9)設置在第一凸透鏡(8)和第二凸透鏡(10)之間重合的焦點上，用CCD相機(13)采集一個脈沖圖像，此圖像記為線性圖像；步驟四采集非線性圖像取掉第一線性衰減片(1)和第二線性衰減片(11)，用CCD相機(13)采集一個脈沖圖像，此圖像記為非線性圖像；步驟五計算線性透過率將步驟三中采集到的線性圖像和步驟二中采集到的無樣品圖像分別進行積分，得到透過樣品后的線性脈沖的能量和入射脈沖的總能量，兩者的比值即為待測樣品(9)的線性透過率；步驟六計算非線性相移將步驟四中采集到的非線性圖像與步驟三中采集到的線性圖像進行對比，計算出條紋移動距離，然后根據條紋移動距離計算出待測樣品(9)處產生的非線性相移；步驟七計算三階非線性折射系數將步驟六中計算出的非線性相移經過能量校準和步驟五中計算出的線性透過率通過公式Φmax＝n2·Imax(0，0)·L計算即得出待測樣品(9)的三階非線性折射系數n2，其中L為待測樣品(9)的厚度，Imax(0，0)為孔徑光闌中心處的最大光場強度，Φmax為待測樣品(9)的非線性最大相移。
全文摘要
基于邁克爾遜干涉儀的4f相位相干成像方法，它是一種基于邁克爾干涉儀的4f相干相位成像技術測量介質的非線性折射性質的方法，以解決傳統4f系統相干成像技術數據的處理較為麻煩、無法避免非線性吸收，以及馬赫-曾德爾干涉法存在的形變的范圍較小，對噪聲和激光的穩定性要求較高、數據處理復雜且誤差較大的問題。本發明的方法由以下步驟組成步驟一開啟并調節裝置；步驟二采集無樣品圖像；步驟三采集線性圖像；步驟四采集非線性圖像；步驟五計算線性透過率；步驟六計算非線性相移；步驟七計算三階非線性折射系數。
文檔編號G01N21/45GK101149344SQ200710144600
公開日2008年3月26日 申請日期2007年11月14日 優先權日2007年11月14日
發明者宋瑛林, 張學如, 李云波, 昆 楊, 潘廣飛, 王玉曉 申請人:哈爾濱工業大學