[发明专利]正负条形相位光阑及采用该光阑的4f相位相干非线性成像系统及对非线性折射率测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种相位光阑的4f相位相干非线性成像系统及对非线性折射率测量方法，属于光学领域。 

背景技术

Z扫描方法需要非线性样品的轴向移动，光路调整的要求高。另外，由于其多脉冲照射的本质，导致它对激光脉冲在时间、空间、能量上的稳定性要求很高，否则将会带来很大的测量误差。不仅如此，Z扫描系统由于焦点处附近的持续高光强照射会对非线性样品造成不可逆的损伤，限制了其应用对象的范围。4f相位相干非线性成像技术虽然利用相位光阑实现了非线性折射率大小和符号的同步测量，但是制作圆形相位光阑要在本来就不大的圆形光阑中心镀尺寸更小的并且相位延迟为π/2的均匀透明介质膜，制作工艺的难度很大，导致相位物体形状不规则，边缘有毛刺，相位延迟不均匀，降低了测量精度。而条形相位光阑虽然解决了制作工艺的难题，但无论是圆形相位光阑还是条形相位光阑都不能充分利用正负相衬原理，因此测量灵敏度难以提高。 

发明内容

本发明的目的是针对传统相位光阑制作工艺的难度大，测量精度低的问题，提供一种正负条形相位光阑及采用该光阑的4f相位相干非线性成像系统及对非线性折射率测量方法。 

正负条形相位光阑，该相位光阑中心的正、负条形相位物体的位相延迟分别为2mπ+π/2和2nπ-π/2，其中m、n为整数。 

正负条形相位光阑的4f相位相干非线性成像系统，它包括测量系统和能量参考系统； 

其中测量系统是由二分之一波片、偏振棱镜、扩束器、正负条形相位光阑、分束镜、一号凸透镜、二号凸透镜、一号中性衰减片和图像传感器组成； 

二分之一波片、偏振棱镜、扩束器、正负条形相位光阑、分束镜、一号凸透镜、待测非线性样品、二号凸透镜和一号中性衰减片依次顺序放置在入射光的光轴上，经一号中性衰减片衰减后的光束在图像传感器的光敏面上形成光斑，且一号凸透镜和二号凸透镜是同轴共焦的凸透镜，待测非线性样品位于一号凸透镜和二号凸透镜的焦点上； 

能量参考系统是由一号反射镜、二号中性衰减片、三号凸透镜、二号反射镜和三号反 射镜组成； 

反射镜、二号中性衰减片、三号凸透镜、二号反射镜和三号反射镜依次顺序放置，反射镜将分束镜反射的光束反射至二号中性衰减片，经二号中性衰减片衰减后的光束入射至三号凸透镜，经三号凸透镜投射的光束入射至二号反射镜，经二号反射镜反射的光束经三号反射镜反射后入射至图像传感器的光敏面上形成光斑，所述光斑和光斑不重叠。 

正负条形相位光阑的4f相位相干非线性成像系统的对非线性折射率测量方法，它的实现步骤如下： 

步骤一、在不放置待测非线性样品的情况下，光源发射一个激光脉冲，然后通过图像传感器采集一个脉冲图像； 

步骤二、将待测非线性样品放置一号凸透镜和二号凸透镜之间，且位于二号凸透镜的焦点上，同时将一号中性衰减片放置在分束镜和一号凸透镜之间，使得照射到非线性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，该图像称为线性图像，呈现出线性光斑； 

步骤三、将一号中性衰减片移到二号凸透镜和图像传感器之间，用CCD相机采集一个脉冲图像，该图像称为非线性图像，呈现出非线性光斑； 

步骤四、将待测非线性样品取走，将能量计放置一号凸透镜和二号凸透镜之间能够让激光光斑全部打到能量计探头上的位置上，光源发射一个激光脉冲入射至4f相位相干非线性成像系统，用能量计测量该脉冲打到能量计探头上的能量，同时用图像传感器10采集参考光路的参考光斑； 

步骤五、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；具体方法如下： 

线偏振单色平面波照射在正负条形相位光阑上，光场为E(t)，条形相位光阑的透过率为t(x,y)， 

则在条形相位光阑后表面的光场为：O(x,y,t)=E(t)t(x,y)            (1) 

非线性样品前表面光场为：