飞秒差分光克尔门及基于该光克尔门的成像装置和方法制造方法及图纸

飞秒差分光克尔门及基于该光克尔门的成像装置和方法。探测光路上依次设有待测目标、散射介质，由起偏器、光克尔介质、第一分束片、两个四分之一波片和两个检偏器组成的飞秒差分光克尔门，及两个单脉冲触发CCD；起偏器的偏振方向与飞秒探测脉冲光的偏振方向相同，两个检偏器的偏振方向与起偏器的偏振垂直方向分别呈正、负2～5°外差角；开关光路上设有半波片和光学延时线，飞秒开关脉冲光与飞秒探测脉冲光在光克尔介质内部重合。在两个单脉冲触发CCD上分别得到正、负外差单脉冲选通图像，两图相减得到待测目标的飞秒差分光克尔门单脉冲选通图像。本发明专利技术实现了高信噪比的单脉冲成像，具有高时间分辨、高图像对比度和高系统分辨率等优点。

【技术实现步骤摘要】
飞秒差分光克尔门及基于该光克尔门的成像装置和方法
本专利技术属于超快速成像与测量
，涉及一种飞秒差分光克尔门及基于该光克尔门的成像装置和方法。
技术介绍
飞秒激光的快速发展促进了飞秒技术的进步，如飞秒光电装置和光通信系统，超短脉冲测量系统，以及新材料的超快响应测量，超精细微加工等。基于飞秒激光的超快速成像与测量技术，具有很高的时间分辨能力，可以用于研究超短的物理、生物以及化学等反应过程。在高速碰撞、爆轰过程、高压放电、视觉机制等瞬态过程研究领域，有着重要的应用价值。基于飞秒光克尔效应的光克尔门选通方法是一种典型的超快速成像与测量技术，利用光克尔效应构造的光学时间门，无需相位匹配，选通光子效率高，具备飞秒量级的时间分辨特性，在超快动态过程研究领域具有重要的科学意义和应用价值。近几年，将飞秒激光克尔门选通成像方法应用于高速火箭燃料发动机喷嘴喷雾过程的高分辨率的弹道成像的研究中，光学克尔门可以通过单脉冲成像获得火箭喷雾液核破裂的动力学过程，准确揭示液核破裂过程，完善流体动力学计算模型，从而设计更有效的燃料发动机。飞秒光克尔门选通成像应用中，要求对待测目标实现高分辨率和高对比度的成像。然而，在传统的光克尔门选通成像技术中，由于飞秒脉冲光的高斯强度分布特性，开关光在光克尔介质处会诱导出瞬态微光阑，具有低通滤波效果，导致了传统光克尔门选通成像技术通常会出现图像边缘模糊，降低图像的分辨率和对比度。外差光克尔门选通成像技术改善了成像的分辨率，然而，这种技术在实际的弹道光选通成像应用时，部分散射光也同时作为成像的背底被引入。在利用飞秒外差光克尔门选通成像技术实施单脉冲瞬态成像时，这种背底噪声会增加了成像信噪比，影响了成像对比度的提高，甚至令其无法实现单脉冲成像。
技术实现思路
本专利技术解决的问题在于提供一种飞秒差分光克尔门及基于该光克尔门的成像装置和方法，能够实现散射介质物体的单脉冲成像，具有高分辨率和高对比度的优点。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种飞秒差分光克尔门，包括沿光路方向依次设置的起偏器、光克尔介质和第一分束片，第一分束片将光路分为透射光路和反射光路，其中透射光路上设有第一检偏器，反射光路上设有第二检偏器，且起偏器的偏振方向与光路中光的偏振方向相同，第一检偏器的偏振方向与起偏器的偏振垂直方向呈2～5°正的外差角，第二检偏器的偏振方向与起偏器的偏振垂直方向呈2～5°负的外差角。还包括设置在透射光路上的第一四分之一波片和设置在反射光路上的第二四分之一波片，且第一四分之一波片设置在分束片和第一检偏器之间，第二四分之一波片设置在分束片和第二检偏器之间。当未设置第一四分之一波片和第二四分之一波片时，飞秒差分光克尔门开启后，第一检偏器的透射光电场强度正比于第二检偏器的透射光电场强度正比于飞秒差分光克尔门的透射光电场强度正比于4θE0Himaginary；当设置有第一四分之一波片和第二四分之一波片时，飞秒差分光克尔门开启后，第一检偏器的透射光电场强度正比于第二检偏器的透射光电场强度正比于飞秒差分光克尔门的透射光电场强度正比于4θE0Hreal；其中Hreal和Himaginary分别为普通光克尔门透射光电场的实部与虚部，θ为外差角，E0为光克尔介质前入射光电场。所述的第一四分之一波片和第二四分之一波片的长轴方向与起偏器的夹角均为0°；且第一四分之一波片和第二四分之一波片均为零级波片，其材质为石英材质或BK玻璃。所述的起偏器、第一检偏器和第二检偏器均为棱镜偏振器或消光比大于104:1的薄膜偏振器。所述的光克尔介质为二硫化碳、硝基苯、钛酸锶钡、石英玻璃、重火石玻璃、铋酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、酞菁衍生物或C60衍生物。一种基于飞秒差分光克尔门的成像装置，包括飞秒激光器，在飞秒激光器的发射光路上设有第二分束片，第二分束片将光路分成探测光路和开关光路，其中探测光路上依次设有待测目标、散射介质、第一凸透镜、起偏器、光克尔介质和第一分束片，第一分束片将探测光路分为透射光路和反射光路，其中透射光路上依次设有第一四分之一波片、第一检偏器、第三凸透镜和第一单脉冲触发CCD，反射光路上依次设有第二四分之一波片、第二检偏器、第四凸透镜和第二单脉冲触发CCD；且起偏器的偏振方向与探测光路中的飞秒探测脉冲光的偏振方向相同，第一检偏器的偏振方向与起偏器的偏振垂直方向呈2～5°正的外差角，第二检偏器的偏振方向与起偏器的偏振垂直方向呈2～5°负的外差角；开关光路上依次设有用于调整开关光路中的飞秒开关脉冲光的偏振方向的半波片、调节飞秒开关脉冲光的光程的光学延时线和第二凸透镜，且飞秒开关脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置重合。所述的待测目标设置在第一凸透镜的前焦面上，光克尔介质设置在第一、第二凸透镜的后焦面上并同时设置在第三凸透镜的前焦面上，第一单脉冲触发CCD设置在第三凸透镜的后焦面上，第二单脉冲触发CCD设置在第四凸透镜的后焦面上。所述的飞秒激光器经过放大器输出的重复频率为1kHz；所述的第一、第二分束片的分光比为1:(1～4)，其中第二分束片分出的光强较大的一束作为探测光路；所述的第一、第二、第三、第四凸透镜为平凸或双凸透镜，透光孔径为25～50mm，焦距为150～160mm；所述的光学延时线的最小光程改变量为10～100fs。一种基于飞秒差分光克尔门的成像方法，包括以下步骤：1)飞秒激光器出射的偏振的飞秒脉冲激光经第二分束片后分为两束，其中一束作为探测光路的飞秒探测脉冲光，另一束作为开关光路的飞秒开关脉冲光；2)飞秒探测脉冲光入射到待测目标上，携带待测目标形貌信息后，经第一凸透镜聚焦，然后依次经过起偏器、光克尔介质和第一分束片，第一分束片将携带待测目标形貌信息的飞秒探测脉冲光分为透射飞秒探测脉冲光和反射飞秒探测脉冲光，然后透射飞秒探测脉冲光依次经过第一四分之一波片和第一检偏器，反射飞秒探测脉冲光依次经过第二四分之一波片和第二检偏器；其中起偏器、光克尔介质、第一分束片、第一、第二四分之一波片、第一、第二检偏器构成飞秒差分光克尔门，且起偏器的偏振方向与探测光路中飞秒探测脉冲光的偏振方向相同，第一检偏器的偏振方向与起偏器的偏振垂直方向呈2～5°正的外差角，第二检偏器的偏振方向与起偏器的偏振垂直方向呈2～5°负的外差角；3)飞秒开关脉冲光先经过半波片调整其偏振方向，然后经光学延时线调整其光程，再经第二凸透镜聚焦后，入射到光克尔介质上，其入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置重合；4)调节光学延时线，当飞秒开关脉冲光和飞秒探测脉冲光到达光克尔介质的时间重合时，飞秒开光脉冲光瞬时开启飞秒差分光克尔门，经过第一分束片后，透射飞秒探测脉冲光依次经过第一四分之一波片、第一检偏器和第三凸透镜，使待测目标在第一单脉冲触发CCD上成像，在第一单脉冲触发CCD上得到正外差单脉冲选通图像，同时反射飞秒探测脉冲光依次经过第二四分之一波片、第二检偏器和第四凸透镜，使待测目标在第二单脉冲触发CCD上成像，在第二单脉冲触发CCD上得到负外差单脉冲选通图像；正外差单脉冲选通图像和负外差单脉冲选通图像相减得到待测目标的飞秒差分光克尔门单脉冲选通图像。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种飞秒差分光克尔门，其特征在于：包括沿光路方向依次设置的起偏器(11)、光克尔介质(12)和第一分束片(14)，第一分束片(14)将光路分为透射光路和反射光路，其中透射光路上设有第一检偏器(17)，反射光路上设有第二检偏器(18)，且起偏器(11)的偏振方向与光路中光的偏振方向相同，第一检偏器(17)的偏振方向与起偏器(11)的偏振垂直方向呈2～5°正的外差角，第二检偏器(18)的偏振方向与起偏器(11)的偏振垂直方向呈2～5°负的外差角。

【技术特征摘要】
1.一种飞秒差分光克尔门，其特征在于：包括沿光路方向依次设置的起偏器(11)、光克尔介质(12)和第一分束片(14)，第一分束片(14)将光路分为透射光路和反射光路，其中透射光路上设有第一检偏器(17)，反射光路上设有第二检偏器(18)，且起偏器(11)的偏振方向与光路中光的偏振方向相同，第一检偏器(17)的偏振方向与起偏器(11)的偏振垂直方向呈2～5°正的外差角，第二检偏器(18)的偏振方向与起偏器(11)的偏振垂直方向呈2～5°负的外差角。2.根据权利要求1所述的飞秒差分光克尔门，其特征在于：还包括设置在透射光路上的第一四分之一波片(15)和设置在反射光路上的第二四分之一波片(16)，且第一四分之一波片(15)设置在分束片(14)和第一检偏器(17)之间，第二四分之一波片(16)设置在分束片(14)和第二检偏器(18)之间。3.根据权利要求2所述的飞秒差分光克尔门，其特征在于：当未设置第一四分之一波片(15)和第二四分之一波片(16)时，飞秒差分光克尔门开启后，第一检偏器(17)的透射光电场强度正比于第二检偏器(18)的透射光电场强度正比于飞秒差分光克尔门的透射光电场强度正比于4θE0Himaginary；当设置有第一四分之一波片(15)和第二四分之一波片(16)时，飞秒差分光克尔门开启后，第一检偏器(17)的透射光电场强度正比于第二检偏器(18)的透射光电场强度正比于飞秒差分光克尔门的透射光电场强度正比于4θE0Hreal；其中Hreal和Himaginary分别为普通光克尔门透射光电场的实部与虚部，θ为外差角，E0为光克尔介质前入射光电场。4.根据权利要求2或3所述的飞秒差分光克尔门，其特征在于：所述的第一四分之一波片(15)和第二四分之一波片(16)的长轴方向与起偏器(11)的夹角均为0°；且第一四分之一波片(15)和第二四分之一波片(16)均为零级波片，其材质为石英材质或BK玻璃。5.根据权利要求1-3中任意一项所述的飞秒差分光克尔门，其特征在于：所述的起偏器(11)、第一检偏器(17)和第二检偏器(18)均为棱镜偏振器或消光比大于104:1的薄膜偏振器。6.根据权利要求1-3中任意一项所述的飞秒差分光克尔门，其特征在于：所述的光克尔介质(12)为二硫化碳、硝基苯、钛酸锶钡、石英玻璃、重火石玻璃、铋酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、酞菁衍生物或C60衍生物。7.一种基于飞秒差分光克尔门的成像装置，其特征在于：包括飞秒激光器(1)，在飞秒激光器(1)的发射光路上设有第二分束片(2)，第二分束片(2)将光路分成探测光路和开关光路，其中探测光路上依次设有待测目标(8)、散射介质(9)、第一凸透镜(10)、起偏器(11)、光克尔介质(12)和第一分束片(14)，第一分束片(14)将探测光路分为透射光路和反射光路，其中透射光路上依次设有第一四分之一波片(15)、第一检偏器(17)、第三凸透镜(19)和第一单脉冲触发CCD(21)，反射光路上依次设有第二四分之一波片(16)、第二检偏器(18)、第四凸透镜(20)和第二单脉冲触发CCD(22)；且起偏器(11)的偏振方向与探测光路中的飞秒探测脉冲光的偏振方向相同，第一检偏器(17)的偏振方向与起偏器(11)的偏振垂直方向呈2～5°正的外差角，第二检偏器(18)的偏振方向与起偏器(11)的偏振垂直方向呈2～5°负的外差角；开关光路上依次设有用于调整开关光路中的飞秒开关脉冲光的偏振方向的半波片(...

【专利技术属性】
技术研发人员：司金海，许士超，谭文疆，占平平，陈烽，侯洵，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61