[发明专利]飞秒外差光克尔门及基于该光克尔门的成像装置和方法

权利要求书

1.一种飞秒外差光克尔门，其特征在于：包括沿光路方向依次设置的起偏器（7）、光克尔介质（8）和检偏器（9），且起偏器（7）的偏振方向与光路中光的偏振方向相同，检偏器（9）的偏振方向与光路中光的偏振垂直方向呈3～5°的外差角，起偏器（7）和检偏器（9）的通过孔径大于光路中透射光束的横向尺寸。

2.根据权利要求1所述的飞秒外差光克尔门，其特征在于：其开启时，透射光电场的表达式为：H_real²+H_imaginary²+2θE₀H_imaginary，其中H_real和H_imaginary分别为普通光克尔门透射光电场的实部与虚部，均为非线性光学项，2θE₀H_imaginary为飞秒外差光克尔门选通的探测光电场外差项，θ为外差角，E₀为光克尔介质前入射光电场，E₀含有探测光携带的被测目标的全部空间频谱成分。

3.根据权利要求1所述的飞秒外差光克尔门，其特征在于：所述的起偏器（7）和检偏器（9）为棱镜偏振器或消光比大于10⁴:1的薄膜偏振器；其中棱镜偏振器包括尼科尔棱镜偏振器、格兰泰勒棱镜偏振器或渥拉斯顿棱镜偏振器。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的飞秒外差光克尔门，其特征在于：所述的光克尔介质（8）为三阶非线性光学材料。

5.根据权利要求4所述的飞秒外差光克尔门，其特征在于：所述的光克尔介质（8）包括二硫化碳、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。

6.一种基于飞秒外差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）的发射光路上设有分束片（2），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（5）、第一凸透镜（6）、起偏器（7）、光克尔介质（8）、检偏器（9）、凸透镜组和CCD（18），并使待测目标（5）清晰的成像在CCD（18）上；起偏器（7）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，检偏器（9）的偏振方向与飞秒探测脉冲光的偏振垂直方向呈3～5°的外差角，起偏器（7）和检偏器（9）的通过孔径大于飞秒探测脉冲光的横向尺寸；开关光路上依次设有用于调节开关光路中的飞秒开关脉冲光的光程的光学延时线（11）和调整飞秒开关脉冲光的偏振方向的半波片（12），且飞秒开关脉冲光入射到光克尔介质（8）内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质（8）内部的空间位置重合。

7.根据权利要求6所述的基于飞秒外差光克尔门的成像装置，其特征在于：所述的待测目标（5）设置在第一凸透镜（6）的前焦面上，光克尔介质（8）设置在第一凸透镜（6）的后焦面上并同时设置在凸透镜组的前焦面上，CCD（18）设置在凸透镜组的后焦面上。

8.根据权利要求6或7所述的基于飞秒外差光克尔门的成像装置，其特征在于：所述的光学延时线（11）由电脑控制的精密步进移动平台和放置在精密步进移动平台上的两个相互垂直的反射镜构成，两个相互垂直的反射镜对飞秒开关脉冲光进行后向反射；精密步进移动平台对飞秒开关脉冲光的光程的进行调整，调整精度为1.5～15微米，光学延时线（11）的最小光程改变量为10～100fs。

9.根据权利要求6或7所述的基于飞秒外差光克尔门的成像装置，其特征在于：所述的飞秒激光器（1）经过放大器输出的重复频率为1kHz；

所述的分束片（2）的分束比为1:(1～4)，其中光强较大的一束作为探测光路；

所述的第一凸透镜（6）和凸透镜组的透光孔径均为5～10cm；

所述的半波片（12）为零级半波片，其材质为石英材质或BK玻璃。

10.一种基于飞秒外差光克尔门的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将飞秒激光器（1）出射的偏振的飞秒脉冲激光经分束片（2）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（5）上，携带待测目标形貌信息后，经第一凸透镜（6）聚焦后，顺次经过起偏器（7）、光克尔介质（8）和检偏器（9），其中起偏器（7）、光克尔介质（8）和检偏器（9）构成飞秒外差光克尔门，且检偏器（9）的偏振方向与飞秒探测脉冲光的偏振垂直方向呈3～5°的外差角；

3）飞秒开关脉冲光经光学延时线（11）调整其光程后，再经过半波片（12）调整其偏振方向，入射到光克尔介质（8）上；

4）调节光学延时线（11），当飞秒开关脉冲光和飞秒探测脉冲光到达光克尔介质（8）的时刻完全不重合时，此时仅有部分飞秒探测脉冲光能够通过检偏器（9），然后由飞秒外差光克尔门后的凸透镜组收集，并成像于CCD（18）上，获得成像系统的参考图像；

5）调节光学延时线（11），当飞秒开关脉冲光和飞秒探测脉冲光到达光克尔介质（8）的时刻重合时，飞秒开光脉冲光瞬时开启飞秒外差光克尔门，被飞秒外差光克尔门选通的飞秒探测脉冲光，经飞秒外差光克尔门后的凸透镜组收集，成像于CCD（18）上，获得成像系统的目标图像；

6）将步骤5）中获得的目标图像减去步骤4）中获得的参考图像，得到待测目标（5）的飞秒外差光克尔门选通图像。