專利名稱：飛秒脈沖全息裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及全息術，特別是一種飛秒脈沖全息裝置。飛秒全息術由于脈沖持續時間極短，給實驗室帶來諸多不便。本實用新型在飛秒全息術中引入脈沖展寬技術，從而達到飛秒測試、納秒記錄。
背景技術：
自從激光出現以后，為全息術提供了一個理想的相干光源，全息術獲得迅猛的發展。如今全息術已經進入到人們的日常生活，超級市場上，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志，一切的一切都是為了幫助人們提高生活質量。
全息術本身的發展沿著兩個不同的方向在進行一、為了提高全息術的成像分辨率，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，分辨率已達到或者小于原子量級。二、為了研究瞬態現象，向超快方向發展，從微秒、納秒、皮秒直達飛秒，特別是飛秒全息。飛秒全息成像技術作為研究超快現象的基本手段之一，具有重要的科學研究和應用價值。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成功地應用于透過高散射介質成像，其原理主要是利用了全息選通技術，使參考光最先到達光干涉，形成全息圖。
由于光透過高散射介質時存在嚴重的散射，所以必須采用脈沖光源成像。超短激光脈沖經過高散射介質很容易展寬上百倍。展寬后的出射脈沖可分為兩部分最先到達光(first-arriving light)和后續到達光(later-arriving light)。
最先到達光經過的路程最短，散射最小，利用它可以形成良好的散射介質內部結構的陰影圖像。后續到達光經過嚴重的散射，對成像沒有益處。
現在的問題是如何將最先到達光分離出來，最先到達光與后續到達光到達探測器的時間不同，所以需采用時間選通方法。常用的時間選通方法有Kerr快門和條紋相機，這兩種方法都有缺點。Kerr快門需要笨重的大功率激光系統，同步掃描條紋相機的時間分辨率只有5-10ps。
飛秒全息選通技術具有功率低、二維成像(條紋相機需要掃描過程以建立二維圖像)、時間分辨率與脈寬相同、整個系統易于調整等優點，成為分離最先到達光的有效、實用方法。該方法以參考光作為選通快門，調整參考光的光程(延遲)，使其與最先到達光同時到達接受面，兩者形成全息圖。后續到達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、飛秒脈沖全息技術研究飛行中的光波紀錄(light-in-flight recording)及這種飛行光記錄方法在物體面形測量、三維物體識別等其它方面的應用。在使用飛秒全息進行拍攝時，人們碰到的第一個問題是需要設計和安排一個準等光程的光路，我們知道，1飛秒超短脈沖光所占據的空間僅為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。
發明內容
本實用新型要解決的技術問題在于克服上述在先飛秒全息技術的不足，提供一種飛秒脈沖全息裝置，采用飛秒脈寬進行測量，然后將含有信息的飛秒脈沖展寬到納秒量級進行記錄。
下面討論飛秒脈沖光的單色性(頻譜寬度)問題，光脈沖的時域波形和頻域波形均為傅里葉共軛關系，即依據測不準原理的關系。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。把上式中使等號成立的光脈沖稱作傅里葉變換極限脈沖。
對波長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。
介質的折射率因波長不同而異，這稱為色散，因為超短脈沖的頻譜寬度，在光脈沖通過介質時，即使在低強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。無論將脈沖強度降低多少，脈沖也會展寬。
脈沖的展寬是通過頻率啁啾來實現的，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而得到。在早期的研究工作中，一般都是通過光纖來實現，用適當長度的光纖，利用光纖中的自相位調制(self-phase modulating)和群速度色散(group-velocity dispersion)對光纖的聯合作用，使從光纖中輸出的脈沖成為在時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展寬器。
根據上述脈沖展寬的原理，本實用新型采用棱鏡的正色散將脈沖展寬。因此本實用新型的具體技術方案如下一種飛秒脈沖全息裝置，包括一臺飛秒激光光源，其特點是沿激光光源發出的光束前進方向依次是擴束望遠鏡、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、探測器構成參考光路，該探測器與一用來重構飛秒全息圖像的計算機相連。
所述的激光光源是一臺輸出800nm、脈沖寬度為120fs的鈦寶石激光器。
所述的擴束望遠鏡是一臺將波長為800nm光束擴大10倍的光學系統。
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帶有接收卡的電荷耦合器CCD。
本實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，當激光光源鈦寶石飛秒激光器輸出一個120飛秒激光脈沖，經擴束望遠鏡擴束以后，經第一分束鏡變成兩個等強度的透射光束和反射光束，透射光束被全反射鏡反射進入到樣品，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，這個全息圖由CCD上的圖像數字化，經計算機圖像處理即重構，實時地重構出樣品的位相信息，揭示樣品的瞬態變化。
本實用新型的技術效果本實用新型飛秒脈沖全息裝置與在先技術相比，最大的優點在于它將120飛秒的超短脈沖展寬成1納秒脈沖，大大降低了對物束光程和參考束光程等光程的要求，使飛秒全息系統的操作和調整很方便。
圖1為本實用新型的飛秒脈沖全息成像裝置原理圖。
具體實施方式
現請參閱圖1，圖1為本實用新型的飛秒脈沖全息裝置結構原理圖，由圖可見，本實用新型飛秒脈沖全息裝置由13部分組成包括一臺飛秒激光光源1，其特征在于激光光源1發出的光束前進方向依次是擴束望遠鏡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構成參考光路，該探測器12與一計算機13相連。
所說的激光光源1，是一臺輸出800nm脈沖寬度為120飛秒、脈沖能量1納焦耳的鈦寶石激光器。
所說的擴束望遠鏡2，是一臺將波長為800nm光束擴大10倍的光學系統。
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，是全反射介質膜鏡。
所說的棱鏡7，8，9，10，是高折射率熔石英構成的頂角為68°的等腰三角形棱鏡。
所說的樣品11，是一塊待測的能產生快過程、透過800nm的位相物體。
所說的探測器12，是一臺帶有接收卡的電荷耦合器CCD。
所說的計算機13，是用來重構飛秒全息成像的顯示系統。
本實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，當激光光源1鈦寶石飛秒激光器輸出一個120飛秒激光脈沖，經擴束望遠鏡2擴束以后，經第一分束鏡3變成兩個等強度光束A和B，A光束被全反射鏡4反射進入到樣品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，這個全息圖由CCD上的圖像數字化，經計算機13圖像處理即重構，實時地重構出樣品11的位相信息，揭示樣品的瞬態變化。
權利要求1.一種飛秒脈沖全息裝置，包括一臺飛秒激光光源(1)，其特征在于激光光源(1)發出的光束前進方向依次是擴束望遠鏡(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)構成參考光路，該探測器(12)與一用來重構飛秒全息圖像的計算機(13)相連。
2.根據權利要求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)是一臺輸出800nm、脈沖寬度為120fs的鈦寶石激光器。
3.根據權利要求1所述的飛秒脈沖全息裝置，其特征在于所述的擴束望遠鏡(2)，是一臺將波長為800nm光束擴大10倍的光學系統。
4.根據權利要求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.根據權利要求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)是全反射介質膜鏡。
6.根據權利要求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，包括一臺飛秒激光光源，其特點是沿激光光源發出的光束前進方向依次是擴束望遠鏡、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、探測器構成參考光路，該探測器與一用來重構飛秒全息圖像的計算機相連。本實用新型裝置將120飛秒的超短脈沖展寬成1納秒脈沖，大大降低了對物光程和參考光程等光程的要求，使飛秒全息系統的操作和調整很方便。
文檔編號G06F3/14GK2655299SQ20032010782
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月7日 優先權日2003年11月7日
發明者陳建文, 高鴻奕, 朱化鳳, 李儒新, 徐至展 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所