基于磁光科尔/法拉第效应的超快光学门控成像系统技术方案

本实用新型专利技术公开一种基于磁光科尔/法拉第效应的超快门控成像系统，主要包括激光器，所述激光器产生的飞秒脉冲经分束器BS1分为反射部分Probe光和透射部分Pump光；所述Probe光经过散射介质以后被展宽，展宽的Probe光经过起偏器P3、透镜L1聚焦到位于焦平面处的磁性薄膜，Probe光经磁性薄膜反射再次经过透镜L1准直进入检偏器P4，Probe出射光经由透镜L2汇聚到CCD探测器上进行成像。基于泵浦‑探测超快光学技术，采用泵浦光的偏振态来控制磁性薄膜的磁化方向，利用磁光旋转效应，实现对探测光线性偏振态旋转的控制。选择性的对弹道光进行超快测量，可以有效实现混浊介质中的物体成像。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及高灵敏度的超快光学探测以及新型磁性薄膜材料生长，具体是一种基于磁光科尔/法拉第效应的超快光学门控成像系统。
技术介绍
超快光学成像技术是混浊介质中物体成像的重要课题：混浊介质中的成像技术不仅在生物医学、工业检测起到作用，而且在国防安全等其他科学研究方面也有着十分重要的应用价值。在此之前相关的技术研究有：电光科尔门超快光学成像技术是基于非线性晶体的电光科尔效应，具体是建立在泵浦-探测科尔门技术上，从而实现混浊介质中的物体成像。超快短脉冲Probe光经过混浊介质以后在时域上被展宽，展宽后的光脉冲分为三部分：弹道光、蛇形光和漫射光,其中弹道光出现在脉冲的最前沿。蛇形光和漫射光由于散射则需要经历迂回的路径才可以经过介质。对于介质散射造成的光脉冲展宽，电光科尔门技术采用高能量密度的Pump光诱导激发门控，实时控制Probe光在时域上透射/反射超快动力学过程，从而对弹道光部分进行选择性探测，以实现混浊介质中的物体成像。上述电光科尔门技术，所使用非线性科尔晶体通常包括熔融石英，二硫化碳，碲化玻璃等科尔常数大的晶体。用来诱导激发晶体的激光脉冲能量密度普遍要求达到数100mJ/cm2。为了产生如此高强度的激光脉冲，实验室往往利用飞秒激光器（比如钛宝石激光器）产生飞秒脉冲种子光，诱导再生放大器将多个光脉冲能量压缩至单个脉冲，从而实现脉冲能量的放大。如此庞大的光学放大系统不利于在实际应用中推广超快电光科尔门技术。
技术实现思路
本技术技术的目的是建立一种新的低光功率密度激发，具有飞秒时间尺度的光学门控，能够使超快光学门控成像技术更加有利于在实际应用中推广。本技术是采用如下技术方案实现的：一种基于磁光科尔效应的超快光学门控成像系统，采用泵浦-探测（Pump-Probe）工作模式，包括激光器，所述激光器产生的飞秒脉冲经分束器BS1分为反射部分Probe光和透射部分Pump光；所述Probe光经过散射介质以后被展宽，展宽的Probe光经过起偏器P3、透镜L1聚焦到位于焦平面处的磁性薄膜，Probe光经磁性薄膜反射再次经过透镜L1准直进入检偏器P4，Probe出射光经由透镜L2汇聚到CCD探测器上进行成像；所述Pump光由分束器BS2分别两束相同脉冲，分别记为Pump1和Pump2；所述Pump1依次经过偏振器P1和零级1/4波片Q1后，由透镜L1聚焦到磁性薄膜上，并与Probe光在空间上重合；所述Pump2依次经过偏振器P/2和零级1/4波片Q2后，由透镜L1聚焦到磁性薄膜上，并与Probe光在空间上重合。优选的，所述检偏器P4前方设置Soleil-Babinet相位补偿器S。优选的，所述Pump1通过线性位移平台D1调节；所述Pump2通过线性位移平台D2调节。一种基于磁光法拉第效应的超快光学门控成像系统，包括激光器，所述激光器产生的飞秒脉冲经分束器BS1分为反射部分Probe光和透射部分Pump光；所述Probe光经过散射介质以后被展宽，展宽的Probe光经过起偏器P3′、透镜L1′聚焦到位于焦平面处的磁性薄膜，Probe光经磁性薄膜透射后经过透镜L3准直进入检偏器P4′，Probe出射光经由透镜L2′汇聚到CCD探测器上进行成像；所述Pump光由分束器BS2分别两束相同脉冲，分别记为Pump1和Pump2；所述Pump1依次经过偏振器P1和零级1/4波片Q1后，由透镜L1′聚焦到磁性薄膜上，并与Probe光在空间上重合；所述Pump2依次经过偏振器P/2和零级1/4波片Q2后，由透镜L1′聚焦到磁性薄膜上，并与Probe光在空间上重合。优选的，所述检偏器P4′前方设置Soleil-Babinet相位补偿器S′。优选的，所述Pump1通过线性位移平台D1调节；所述Pump2通过线性位移平台D2调节。本系统是基于磁光科尔/法拉第效应建立的一种新型的超快光学门控成像技术。采用超快泵浦-探测技术，利用两束低能量密度且螺旋性正交的圆偏振态Pump光控制磁性薄膜的磁化方向，设置门控的“开”和“关”状态，从而对反射/透射弹道光脉冲的选择性测量，实现对混浊介质中的物体成像。系统中使用一种新型磁性薄膜材料，其磁化方向可以由光的螺旋性进行控制，如C-H.Lambert实验小组研究的磁性薄膜材料。在2014年，该小组在Co/Pt纳米薄膜和FePtAgC纳米颗粒样品中首次观察到了光的螺旋度对磁性薄膜的磁化翻转。本系统是基于磁光效应提出的一种新型的超快光学门控成像技术，在探测光反射条件下是超快科尔门控成像，在透射条件下则是超快法拉第门控成像。采用螺旋性相互正交的圆偏振光来激发磁性薄膜，从而设计和控制薄膜的磁化方向，以实现对经过磁性薄膜反射/透射后探测光偏振态的超快旋转控制。在此项技术中，诱导超快磁动力学过程中所需要的光功率密度可降至0.1mJ/cm2数量级，这会极大降低热效应对磁化强度的影响，缩短自旋弛豫时间，从而加快磁性翻转速率。本技术技术所建立的超快门控探测部分依次由起偏器、磁性薄膜、检偏器组成。在无Pump光激发的条件下，磁性薄膜处于热平衡态，Probe光的入射偏振态由起偏器设定，通过调节相位补偿器和检偏器使反射/透射的Probe光全部“关”住。为了让部分Probe光可以通过检偏器，实现Probe在时域上的选择性成像，设计利用第一束圆偏振光Pump1激发磁性薄膜；不失一般性，Pump1光的螺旋性为左旋圆偏振态。在Pump1光的激发下，薄膜的磁化方向发生超快翻转，这时Probe出射光的线偏振态不再与检偏器完全正交，从而有部分光通过检偏器至CCD。为了精确选定时间长度极短的弹道光部分，设计利用螺旋性相反的第二束右旋圆偏振Pump2光迅速将磁化方向再次超快翻转，从而又将Probe光“关”住。通过改变两束Pump光的之间的时间间隔Tg，就可以任意控制磁光科尔门/法拉第门的时间长短。选用的光脉冲宽度和线性位移平台的精度都在飞秒时间尺度，在低光功率密度激发下，磁性翻转有望在亚皮秒量级时间尺度实现，从而建立一个飞秒尺度的超快门控。基于此项门控技术，可以实时控制Probe光在时域上的超快动力学过程，选择性对弹道光脉冲部分进行测量，实现混浊介质中物体成像。上述的Probe光、Pump1光，Pump2光均为飞秒脉冲激光。上述的Pump和Probe光均由同一台飞秒激光器产生。实际操作中也可以采用双色光，即Pump和Probe光分别来自于互相同步的两台飞秒激光器，可以是不同的波长。本技术的超快科尔/法拉第门与电光科尔门相比有以下优点：1、低光功率密度Pump光激发的超快磁光光学门控，可进一步实现面向实际应用的高散射介质成像。2、选用的磁性薄膜材料的磁化方向可被螺旋性不同的圆偏振光进行超快调控，比如类似于C-H.Lambert等所研究的磁性材料，低光功率激发有可能消除热效应对自旋系统的影响，使其磁化方向的翻转时间尺度可以达到亚皮秒数量级。3、选用具有时延的两束Pump光相继激发诱导磁性薄膜，实时控制磁性薄膜的磁化方向，从而设置门控的“开关”。通过改变两束Pump光的之间的时间间隔Tg，就可以任意控制磁光科尔门/法拉第门的时间长短。4、所建立的基于磁光科尔/法拉第效应的超快光学门控。两束Pu本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁光科尔效应的超快光学门控成像系统，其特征在于：包括激光器，所述激光器产生的飞秒脉冲经分束器BS1分为反射部分Probe光和透射部分Pump光；所述Probe光经过散射介质以后被展宽，展宽的Probe光经过起偏器P3、透镜L1聚焦到位于焦平面处的磁性薄膜，Probe光经磁性薄膜反射再次经过透镜L1准直进入检偏器P4，Probe出射光经由透镜L2汇聚到CCD探测器上进行成像；所述Pump光由分束器BS2分别两束相同脉冲，分别记为Pump1和Pump2；所述Pump1依次经过偏振器P1和零级1/4波片Q1后，由透镜L1聚焦到磁性薄膜上，并与Probe光在空间上重合；所述Pump2依次经过偏振器P/2和零级1/4波片Q2后，由透镜L1聚焦到磁性薄膜上，并与Probe光在空间上重合。

【技术特征摘要】
1.一种基于磁光科尔效应的超快光学门控成像系统，其特征在于：包括激光器，所述激光器产生的飞秒脉冲经分束器BS1分为反射部分Probe光和透射部分Pump光；所述Probe光经过散射介质以后被展宽，展宽的Probe光经过起偏器P3、透镜L1聚焦到位于焦平面处的磁性薄膜，Probe光经磁性薄膜反射再次经过透镜L1准直进入检偏器P4，Probe出射光经由透镜L2汇聚到CCD探测器上进行成像；所述Pump光由分束器BS2分别两束相同脉冲，分别记为Pump1和Pump2；所述Pump1依次经过偏振器P1和零级1/4波片Q1后，由透镜L1聚焦到磁性薄膜上，并与Probe光在空间上重合；所述Pump2依次经过偏振器P/2和零级1/4波片Q2后，由透镜L1聚焦到磁性薄膜上，并与Probe光在空间上重合。2.根据权利要求1所述的基于磁光科尔效应的超快光学门控成像系统，其特征在于：所述检偏器P4前方设置Soleil-Babinet相位补偿器S。3.根据权利要求2所述的基于磁光科尔效应的超快光学门控成像系统，其特征在于：所述Pump1通过线性位移平台D1调节；所述Pump2通过线性位移平台D2调节。4.一种基...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈院森，刘晓波，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：新型
国别省市：山西;14