用于4f相位相干成像系统的相位光阑技术方案

本发明专利技术公开了一种用于４ｆ相位相干成像系统的相位光阑，光阑本体由外围的环状透光带和中央的相位物体构成，其特征在于：所述相位物体分成两部分，其中一部分与环状透光带的相位差为２ｍπ＋π／２，另一部分与环状透光带的相位差为２ｎπ－π／２，式中，ｍ，ｎ为整数。改进后的相位光阑在非线性相移｜Φ↓［ＮＬ］｜＜π的范围内都可以使系统的测量精度得以提高。对于正的非线性相移灵敏度提高最大可达１．７２倍，而对于负的非线性相移灵敏度的提高尤为明显，当Φ↓［ＮＬ］＝－π时灵敏度提高可达７．２６倍。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光学元件，尤其是一种能提高4f相位相干成像系统测量 精度的相位光阑。
技术介绍
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。其中4f相位相干成像系统(G. Boudebs and S. Cherukulappurath， "Nonlinear 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。现有技术中，采用的相位光阑是在一 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其它地方的光有一个兀/2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这折射率为负的时候，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，但是仍然存在检测灵敏度的问题。如何在同样的入射光强度 下，增加检测的灵敏度，是本领域急需解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是，提供一种改进的相位光阑，用于4f相位相干成像系统， 通过结构的改进，使得测量精度得以提高。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是 一种用于4f相位相干成像 系统的相位光阑，光阑本体由外围的环状透光带和中央的相位物体构成，所述 相位物体分成两部分，其中一部分与环状透光带的相位差为2m;r+7r/2，另一部 分与环状透光带的相位差为2n;r-7r/2,式中，m， n为整数。产生上述技术方案的思路主要是假如将相位光阑中的相位物体的位相延 迟变为-w/2，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，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。由此，为了充分发挥相位 物体的相衬作用，考虑设计出一种相位光阑，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，使得测量精度得以提高。优选的技术方案是，所述相位物体的两部分为相邻的两个半圆形相位物体。进一步的技术方案，所述光阑本体为圆形光阑，其中心镀有圆形的透明介 质薄膜，构成所述相位物体，其中，圆形透明介质薄膜由两个厚度不等的半圆 构成，其厚度设定满足半圆与所述外围的环状透光带的相位差的要求。一般地，所述两部分相位物体的相位差分别为7T/2和-tt/2。由于光波的位相 是以2;r为周期的，因此，增加或减少2;r的整数倍并不会影响实验结果。上述技术方案中，通过将原来的圆形的统一相位延迟;r/2的相位物体改进 成有两个半圆形相位物体，使得其中一个半圆形相位物体产生;r/2相位延迟， 而另外一个半圆形相位物体产生-;r/2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；r/2的区域由于正相衬强度增强，而相位延迟为-"/2的区域由于负相衬强度减小。用改进后的两个半圆形相位光闹产生的 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。这样的话就使得系统的测量精度得以提高。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(1) 取走待测样品，用CCD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，将中性衰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Ar。对于我们改进后的带有 两个相位延迟不同的半圆形相位物体的相位光阑，可以定义归一化以后的非线 性图像中相位延迟；r/2的半圆区域的平均强度与相位延迟-;r/2的半圆区域的 平均强度差值为Ar'。数值模拟显示，在相同入射光强的情况下，改进后的带两个半圆相位物体 的相位光阑的非线性图像中，相位延迟;r/2的半圆区域的平均强度与带圆形相 位物体的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 改进后的相位光阑的非线性图像中，相位延迟-;r/2的半圆区域的平均强度将减 弱，因此Ar、Ar，即改进后的相位光阑使得测量系统的灵敏度增加。改进后的相位光阑中并不要求相位延迟分别为"/2和-;r/2的区域一定要是严格的半圆。数值模拟证明两部分的相对大小的变化对系统的灵敏度影响很 小(对于通常的相位物体半径与相位光阑半径之比为0.3的情况下，灵敏度变 化小于3.5%)。考虑到相位物体越小变换衍射带来的影响越大，选取两部分相 位物体为半圆是比较合适的。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A77Ar，则当样品内产生的非线性相移|(1^|<"的情况下，灵敏度都可以得到提高。小相移(0肌*0)情况下，Ar'/Ar = 1.72，对于非线性相移为负的情况，灵敏度的增大非常明显，当0^=-冗时，灵敏度的增力口可以达至<formula>formula see original document page 6</formula>由于上述技术方案的采用，本专利技术与现有技术相比，具有下列优点 本专利技术通过对相位光阑的结构改进，有效提高了 4f相位相干成像法的检 测灵敏度。附图说明图1是本专利技术实施例一中的4f相位相干成像系统原理图2是现有技术中带圆形相位物体的相位光阑示意图3是实施例一中带两个半圆形相位物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于４ｆ相位相干成像系统的相位光阑，光阑本体由外围的环状透光带和中央的相位物体构成，其特征在于：所述相位物体分成两部分，其中一部分与环状透光带的相位差为２ｍπ＋π／２，另一部分与环状透光带的相位差为２ｎπ－π／２，式中，ｍ，ｎ为整数。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宋瑛林，李云波，顾济华，王玉晓，杨俊义，吴茂成，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]