[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

说明书

技术领域

本发明属于超快速成像与测量技术领域，涉及一种飞秒外差光克尔门及基于该光克尔门的成像装置和方法。

背景技术

发展超快速成像与测量技术，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。通常，利用光电技术可以实现毫秒至亚皮秒的高时间分辨成像，然而在分子结构动力学，超快速表面振动过程、极端时间分辨荧光显微成像、强散射体内部物体识别等研究领域，必须使用基于光子技术的超快速成像技术，比如飞秒全息成像和非线性光学门选通成像技术。

光克尔门选通成像技术是一种典型的非线性光学门选通成像技术。这种成像技术利用光克尔效应构造的光学快门，通常被称为光克尔门，它无需相位匹配，选通光子效率高，具备可达飞秒量级的开关时间。因此，光克尔门选通成像技术在超快动态过程记录、高时间分辨荧光显微技术、强散射体内部物体识别等研究领域，得到了广泛的应用，具有重要的科学意义和应用价值。

在传统的光克尔门选通成像技术中，成像系统的杂散光或者散射环境中的散射光均会严重影响系统的成像分辨率和待测目标的清晰度。由于这些干扰光，从成像光束的空间频谱成分角度讲，均表现为高频空间频谱成分，因此传统的光克尔门选通成像技术中，通常将开关光束弱聚焦后入射到光克尔介质内部，在光克尔门开启时，利用开关光在光克尔介质处诱导的瞬态微光阑进行低通滤波，消除大量的干扰光子。然而，这种低通滤波作用，也同时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，影响了其成像质量，严重时甚至大大降低了其系统成像分辨率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种飞秒外差光克尔门及基于该光克尔门的成像装置和方法，能够提高成像边缘锐利度和成像分辨率。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

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

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。

所述的起偏器和检偏器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。

所述的光克尔介质为三阶非线性光学材料。

所述的光克尔介质包括二硫化碳、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。

一种基于飞秒外差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分束片，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、第一凸透镜、起偏器、光克尔介质、检偏器、凸透镜组和CCD（电荷耦合器件），并使待测目标清晰的成像在CCD上；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，检偏器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，起偏器和检偏器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和调整飞秒开关脉冲光的偏振方向的半波片，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在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凸透镜的后焦面上并同时设置在凸透镜组的前焦面上，CCD设置在凸透镜组的后焦面上。

所述的光学延时线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，光学延时线的最小光程改变量为10～100fs。