一種雙開關脈沖的飛秒光克爾門及其實現方法與流程

本發明屬于超快速成像與測量技術領域，涉及一種雙開關脈沖的飛秒光克爾門及其實現方法。

背景技術：

發展超快速成像與測量技術，在高速碰撞、爆轟過程、高壓放電、視覺機制等瞬態過程研究領域，有著重要的應用價值。通常，利用光電技術可以實現毫秒至亞皮秒的高時間分辨成像，然而在分子結構動力學，超快速表面振動過程、極端時間分辨熒光顯微成像、強散射體內部物體識別等研究領域，必須使用基于光子技術的超快速成像技術，比如飛秒全息成像和非線性光學門選通成像技術。

光克爾門選通成像技術是一種典型的非線性光學門選通成像技術。這種成像技術利用光克爾效應構造的光學快門，通常被稱為光克爾門，它無需相位匹配，選通光子效率高，具備可達飛秒量級的開關時間。因此，光克爾門選通成像技術在超快動態過程記錄、高時間分辨熒光顯微技術、強散射體內部物體識別等研究領域，得到了廣泛的應用，具有重要的科學意義和應用價值。

在傳統的光克爾門選通成像技術中，為了保證較高的信號透過率，往往要求光克爾介質具有較高強度的非線性效應，這類材料的非線性光學效應起源往往包含比重大的非電子響應機制。例如目前最常使用的的光克爾介質二硫化碳，其三階非線性光學效應主要來源與分子再取向效應，當開關脈沖激勵消失后，它會存在較長的分子弛豫時間，導致以二硫化碳為介質的光克爾門關閉時間增加，選通成像的時間分辨率受到限制。另一方面，光克爾門如果使用非線性響應完全起源于電子響應的光克爾介質，例如石英玻璃，其開關時間將非常快，主要受限于開關脈沖的寬度，但是這類材料的光學非線性強度往往較弱，形成的光克爾門在同等條件下，信號透過率較低。因此，發展各種技術，同時提升光克爾門的開關時間和透過率，對于其應用具有非常重要的意義。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種雙開關脈沖實現高透過率、快開關時間的飛秒光克爾門的方法及其裝置。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種雙開關脈沖的飛秒光克爾門裝置包括飛秒激光器，在飛秒激光器的發射光路上設有第一分束片，第一分束片將光路分成探測光路和開關光路，其中探測光路上依次設有第二衰減片、第二凸透鏡、起偏器、光克爾介質、檢偏器、第三凸透鏡、長通濾波器和探測器，使探測光被雙開關光的光克爾門選通；起偏器的偏振方向與探測光路中的飛秒探測脈沖光的偏振方向相同，檢偏器的偏振方向與飛秒探測脈沖光的偏振方向垂直。開關光路上依次設有用于調節開關脈沖的光程的第一光學延時線和用于將開關光分成兩束的第二分束片；第一束開關光經過第三衰減片、第二半波片，將第一開關脈沖光的偏振方向調整為與探測光偏振方向成30°～60°，再經過第四凸透鏡，到達光克爾介質；第二束開關光經過用于調整光強度的第一衰減片、用于調節第二束開關脈沖光程的第二光學延時線，經過第一半波片，將其偏振方向調整為和第一個開關脈沖偏振方向垂直，再經過第一凸透鏡，到達光克爾介質。且兩束飛秒開關脈沖光入射到光克爾介質內部的空間位置與飛秒探測脈沖光在光克爾介質內部的空間位置重合。

分開的兩束開關光之間存在一定的時間延遲，等效為兩個先后出現的光克爾門。第二個光克爾門在時間軸上大約位于第一個光克爾門的關閉階段，這段時間內的兩個光克爾效應產生相互抵消的效果，從而加快光克爾門的關閉速度；兩個門的相對位置可通過第二光學延時線進行調節，兩個門的開關脈沖強度比值可以由第一衰減片進行調節。

所述的飛秒激光器為含有放大器的飛秒激光系統；

所述的第一分束片和第二分束片的分束比為1:(1～4)。

所述的第一、第二和第三衰減片為中性衰減片，包括固定光學密度的中性衰減片或者可變中性密度衰減片。

所述的第一光學延時線和第二光學延時線由電腦控制的精密步進移動平臺和放置在精密步進移動平臺上的兩個相互垂直的反射鏡構成，兩個相互垂直的反射鏡對飛秒開關脈沖光進行后向反射；精密步進移動平臺對飛秒開關脈沖光的光程的進行調整，調整精度為1.5～15微米，第一光學延時線和第二光學延時線的最小光程改變量為10～100fs。

所述的第一半波片和第二半波片為零級半波片，其材質為石英材質或BK玻璃。

所述的起偏器和檢偏器為棱鏡偏振器或消光比大于10⁴:1的薄膜偏振器；其中棱鏡偏振器包括尼科爾棱鏡偏振器、格蘭泰勒棱鏡偏振器或渥拉斯頓棱鏡偏振器。

所使用的光克爾介質為三階非線性光學材料。

所述的光克爾介質包括二硫化碳、硝基苯、四氯化碳、苯、NMP等。

一種雙開關脈沖的飛秒光克爾門的實現方法，包括以下步驟：

1)將飛秒激光器出射的偏振的飛秒脈沖激光經第一分束片分為兩束，其中一束作為探測脈沖光，另一束作為開關脈沖光；

2)飛秒探測脈沖光經第二衰減片衰減，第二凸透鏡聚焦后，順次經過起偏器、光克爾介質和檢偏器，其中起偏器、光克爾介質和檢偏器構成飛秒光克爾門。分別調整起偏器和檢偏器至探測光偏振方向的平行方向和垂直方向。

3)飛秒開關脈沖光經第一光學延時線調整其光程后，再經過第二分束片分為兩束開關脈沖光。

4)第一束開關光經過第三衰減片、第二半波片和第四凸透鏡入射到光克爾介質上；調整第二半波片使第一束開關光偏振方向與探測光偏振方向為30°～60°，調整第一光學延時線使第一束開關光光程與探測光相同。

5)第二束開關光經過第一衰減片，第二光學延時線，經過第一半波片和第一凸透鏡入射到光克爾介質上；調整第一半波片使第二束開關光偏振方向與第一束開關光偏振方向垂直。調整第二光學延時線使第二束開關光光程與探測光相同。調整第一衰減片至合適位置，使第二束開關光強度不高于第一束開關光，并保持適當的比值。

6)根據探測器接收到光克爾信號，利用電腦控制的精密步進移動平臺控制第一光學延時線移動并實時采集光克爾信號數據，獲得兩束開關光同時作用下的光克爾信號曲線。

7)調整第二光學延時線，使第二個光克爾門略滯后于第一個光克爾門，大約位于其關閉階段。重復步驟6)，測得光克爾信號曲線。

8)以步驟7)中測得的光克爾信號強度曲線為參考，重新進行第二延時線和第一衰減片的調節。經過反復調節，當兩束開關光相對延時在0～1000fs以及強度比在0～1的某一值時，可得到高透過率和超快開關時間的光克爾門。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

本發明提供的雙開關光的飛秒光克爾門技術，將光路分為探測光路和開關光路。在開關光路中依次設置短通濾波器，光學延時線，分束片；從而開關光被分成兩束，第一束開關光與傳統光克爾門相同，由半波片調節其偏振方向與探測光偏振方向成30°～60°；第二束開關光依次經過衰減片，光學延時線，半波片，凸透鏡后進入光克爾介質。第二束開關光在光程上略滯后于第一開關光，在偏振方向上與第一束開關光偏振方向垂直，是對介質分子進行反向作用的第二個光克爾門。第二個光克爾門在時間軸上大約位于第一個光克爾門的關閉階段，這段時間內的兩個光克爾效應產生相互抵消的效果，從而光克爾門的關閉階段的關閉速度將會被加快，從而在高透過率的條件下，明顯縮減了光克爾門開關時間。探測光路與傳統光克爾門相同，經過衰減片、凸透鏡、起偏器、光克爾介質、檢偏器、凸透鏡、長通濾波器和探測器，由雙開關脈沖控制光克爾門的開啟和關閉，實現對信號光高透過率、高時間分辨率的選通，在諸如飛秒時間分辨率超快熒光動力學研究等領域中具有重要的應用價值。

本發明提供的利用雙開關脈沖實現飛秒光克爾門高透過率和超快開關時間的方法，是指通過對兩個光克爾門的強度以及相對位置進行調整，以達到以下幾個條件：第二路開關光強度不高于第一路開關光，并保持一定比值；兩路開關光偏振方向相互垂直，并與探測光偏振方向成30°～60°；第二個光克爾門在時間軸上略滯后于第一個光克爾門，大約位于其關閉階段。在這個過程中需要反復地利用精密步進移動平臺測量克爾信號曲線，以此為參考才能進行進一步的調整。傳統的單開關脈沖的飛秒光克爾門，由于高透過率光克爾介質材料的往往存在較長的弛豫時間，導致其光克爾門的關閉時間長；而本發明通過引入第二束開關脈沖，并通過不斷地調節其相對強度與第一開光脈沖的相對延遲時間，使得光克爾門在第一開關脈沖激勵的關閉階段會受到第二束開關脈沖的有效控制，從而確保光克爾門的透過率主要受第一開關脈沖影響，而光克爾門的關閉時間在第二開關脈沖的調控下，大大縮短，進而同時實現飛秒光克爾門的高透過率和超快開關時間。

附圖說明

圖1是本發明提供的雙開關脈沖飛秒光克爾門技術的裝置示意圖；

圖2是利用本發明所測得的光克爾信號強度曲線(光克爾介質為CS₂)與利用傳統光克爾門測得的CS₂，CCl₄、NMP、C₆H₆和石英玻璃這幾個常見光克爾介質的時間分辨光克爾信號強度曲線的對比圖。

圖3是利用本發明所測得的光克爾信號強度曲線(光克爾介質為CS₂)與利用傳統光克爾門測得的CS₂，CCl₄、NMP、C₆H₆和石英玻璃這幾個常見光克爾介質的歸一化時間分辨光克爾信號強度曲線的對比圖。

其中：1為飛秒激光器、2為第一反射鏡、3為第一分束片、4為第一光學延時線、5為第二反射鏡、6為第三反射鏡、7為第二分束片、8為第一衰減片、9為第第二光學延時線、10為第四反射鏡、11為第一半波片、12為第一凸透鏡、13為第五反射鏡、14為第二衰減片、15為第二凸透鏡、16為起偏器、17為光克爾介質、18為檢偏器、19為第三凸透鏡、20為探測器、21為第六反射鏡、22為第三衰減片、23為第二半波片、24為第四凸透鏡。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。

本發明提供的雙開關光飛秒光克爾門，是將傳統光克爾門的開關光分為兩束，第一束開關光的光路與傳統開關光相同，經過第二半波片將第一束開關光偏振方向調整為與探測光偏振方向夾角為+30°～+60°，第二束開關光經過衰減片調節其強度，經過第二光學延時線調節其相對于第一開關光的光程，通過第一半波片，將偏振方向調整為與與第一束開關光偏振方向垂直，然后經過第一凸透鏡進入光克爾介質。兩束開關光在幾何上對稱。通過引入第二束開關光，并通過對第二衰減片和第二光學延時線的適當地調節，使得第一個光克爾門的關閉階段會受到第二開關光的有效控制。

如圖1所示，本發明提供的雙開關脈沖光飛秒光克爾門，包括飛秒激光器1，在飛秒激光器1的發射光路上設有第一分束片3，第一分束片3將光路分成探測光路和開關光路，其中探測光路上依次設有第二衰減片14、第二凸透鏡15、起偏器16、光克爾介質17、檢偏器18、第三凸透鏡19和探測器20，使探測光被雙開關光的光克爾門選通；起偏器16的偏振方向與探測光路中的飛秒探測脈沖光的偏振方向相同，檢偏器18的偏振方向與飛秒探測脈沖光的偏振方向垂直。開關光路上依次設有用于調節開關脈沖的光程的第一光學延時線4和用于將開關光分成兩束的第二分束片7；第一束開關光經過第三衰減片22、第二半波片23，將第一開關脈沖光的偏振方向調整為與探測光偏振方向夾角為45°，再經過第四凸透鏡24，到達光克爾介質17；第二束開關光經過用于調整這一路開關光強度的第一衰減片8、用于調節第二束開關脈沖的光程的第二光學延時線9，經過第一半波片11，將第二開關脈沖光的偏振方向調整為與第一束開關光偏振方向垂直，再經過第一凸透鏡12，到達光克爾介質17。且兩個飛秒開關脈沖光入射到光克爾介質17內部的空間位置與飛秒探測脈沖光在光克爾介質17內部的空間位置重合。

所述的飛秒激光器含有放大器的飛秒激光系統；

所述的第一分束片和第二分束片的分束比為1:(1～4)。

所述的第一、第二和第三衰減片8、14、22為中性衰減片，包括固定光學密度的中性衰減片或者可變中性密度衰減片。

所述的第一光學延時線和第二光學延時線由電腦控制的精密步進移動平臺和放置在精密步進移動平臺上的兩個相互垂直的反射鏡構成，兩個相互垂直的反射鏡對飛秒開關脈沖光進行后向反射；精密步進移動平臺對飛秒開關脈沖光的光程的進行調整，調整精度為1.5～15微米，第一光學延時線和第二光學延時線的最小光程改變量為10～100fs。

所述的第一半波片和第二半波片為零級半波片，其材質為石英材質或BK玻璃。

所述的起偏器和檢偏器為棱鏡偏振器或消光比大于10⁴:1的薄膜偏振器；其中棱鏡偏振器包括尼科爾棱鏡偏振器、格蘭泰勒棱鏡偏振器或渥拉斯頓棱鏡偏振器。

所使用的光克爾介質為三階非線性光學材料。

所述的光克爾介質包括二硫化碳、硝基苯、四氯化碳、苯、NMP等非完全電子響應的光克爾介質。

本發明的雙開關光的飛秒光克爾門技術的裝置優選參數如下：

飛秒激光器發射的飛秒脈沖激光的單脈沖能量為3mJ，脈寬為50fs，經過放大器輸出的重復頻率1kHz；第一、第二分束片的分束比為1:1，各束光強度由三個衰減片靈活調節；第一、第二、第三、第四凸透鏡的焦距分別為15cm、20cm、15cm和15cm；起偏器和檢偏器均為尼科爾棱鏡偏振器，透光孔徑為1.2cm；光學延時線的最小光程改變量為10.4fs；以二硫化碳作為光克爾介質。

本發明提供的利用雙開關脈沖實現飛秒光克爾門高透過率和超快開關時間的方法，是指通過對兩個光克爾門的強度以及相對位置進行調整，以達到以下幾個條件：第二路開關光強度不高于第一路開關光；兩路開關光偏振方向相互垂直，并與探測光偏振方向成30°～60°；第二個光克爾門在時間軸上略滯后于第一個光克爾門，大約位于其關閉階段。在這個過程中需要反復地利用精密步進移動平臺測量克爾信號曲線，以此為參考才能進行進一步的調整。傳統的單開關脈沖的飛秒光克爾門，由于高透過率光克爾介質材料的往往存在較長的弛豫時間，導致其光克爾門的關閉時間長；而本發明通過引入第二束開關脈沖，并通過不斷地調節其相對強度與第一開光脈沖的相對延遲時間，使得光克爾門在第一開關脈沖激勵的關閉階段會受到第二束開關脈沖的有效控制，從而確保光克爾門的透過率主要受第一開關脈沖影響，而光克爾門的關閉時間在第二開關脈沖的調控下，大大縮短，進而同時實現飛秒光克爾門的高透過率和超快開關時間。

參見圖1，該方法具體包括以下步驟：

1)將飛秒激光器1出射的偏振的飛秒脈沖激光經第一分束片3分為兩束，其中一束作為探測光路的飛秒探測脈沖光，另一束作為開關光路的飛秒開關脈沖光；

2)飛秒探測脈沖光經第二衰減片14衰減，第二凸透鏡15聚焦后，順次經過起偏器16、光克爾介質17和檢偏器18，其中起偏器16、光克爾介質17和檢偏器18構成飛秒光克爾門。分別調整起偏器16和檢偏器18至探測光偏振方向的平行方向和垂直方向。

3)飛秒開關脈沖光經第一光學延時線4調整其光程后，再經過第二分束片7分為兩束，分別作為兩束開關脈沖光。

4)第一束開關光經過第三衰減片22、第二半波片23和第四凸透鏡24入射到光克爾介質17上；調整第二半波片23使第一束開關光偏振方向為與探測光偏振方向夾角為45°，調整第一光學延時線4使第一束開關光光程與探測光相同。

5)第二束開關光經過第一衰減片8，第二光學延時線9，經過第一半波片11和第一凸透鏡12入射到光克爾介質17上；調整第一半波片11使第二開關脈沖光的偏振方向與第一束開關光偏振方向垂直。調整第二光學延時線9使第二束開關光光程與探測光相同。調整第一衰減片8至合適位置，使第二束開關光強度不高于第一束開關光，并保持適當的比值。

6)根據探測器接收到光克爾信號，利用電腦控制的精密步進移動平臺控制第一光學延時線4移動并實時采集光克爾信號數據，獲得兩束開關光同時作用下的光克爾信號曲線。

7)調整第二光學延時線9，使第二個光克爾門略滯后于第一個光克爾門，大約位于其關閉階段。重復步驟6)，測得克爾信號曲線。

8)以步驟7)中測得的克爾信號強度曲線為參考，重新進行第二延時線9和第一衰減片8的調節。經過反復調節，當兩束開關光相對延時以及強度比值適當時，可得到高透過率和超快開關時間的光克爾門。

實施例1

本實施例以二硫化碳作為光克爾介質。以二硫化碳、四氯化碳、苯、NMP、石英玻璃為參考樣品。并以具體實施步驟如下：

(1)從飛秒激光器出射的單脈沖能量為3mJ，脈寬為50fs，重復頻率1kHz，水平方向偏振的飛秒脈沖激光，被分束比為1:1的第一分束片分為兩束，一束為探測光，另一束為開關光。

(2)探測光經第五反射鏡調整傳播方向，經第二衰減片調整其強度，經第二凸透鏡聚焦，進入起偏器、光克爾介質二硫化碳、檢偏器，再經第三凸透鏡聚焦后進入探測器。與傳統光克爾門相同。

(3)開關光經第一光學延時線調整光程，第二、第三反射鏡調整方向后，入射到第二分束片上，分為第一束開關光和第二束開關光。第一束開關光經第六反射鏡調整其方向后，經第三衰減片、第二半波片、第四凸透鏡進入光克爾介質；第二束開關光經第一衰減片后經光學延時線調整其光程，再由第四反射鏡調整其傳播方向，后經過第一半波片和第一凸透鏡進入光克爾介質。經第二和第一半波片調整后的兩束開關光的偏振方向與探測光的偏振方向呈+45°和-45°夾角。且兩開關光的光路在經第四和第六反射鏡調整后保持幾何對稱。

(4)調節第二光學延時線使第二束開關光略滯后于第一束開關光，調節第一衰減片使第二束開關光強度不高于第一束開關光。并實時掃描光克爾信號強度曲線，據此進行反復調節優化，最終得到高透過率且高時間分辨率的光克爾信號。其原始信號強度曲線如圖2中紅色曲線所示，對數據進行歸一化處理后，結果如圖3中紅色曲線所示。

進一步，為了對本方法得到的成像結果與傳統方法進行比較，在上述步驟(4)的測量結束后，對第二束開關脈沖進行遮光處理，將光克爾介質替換為其他幾種參考樣品，測量傳統光克爾門的光克爾信號強度曲線。如圖2和圖3所示，為幾種樣品的光克爾信號強度曲線及其歸一化曲線與本發明提供的裝置測量結果的對比圖。

如圖2所示，是本發明所提供的雙開關脈沖飛秒光克爾門測得的信號強度曲線，由于本次測量中的兩個克爾門之間的時間間隔較短，因而峰值信號強度受到一定的影響，但本次測量中雙開關光飛秒光克爾門的透過率相對于其他苯、NMP，四氯化碳和石英玻璃更高，且如果經過進一步調試，有望得到更高的透過率。

如圖3所示，從測得的歸一化信號強度曲線中可以看出傳統二硫化碳光克爾門的半高寬約為900fs，本發明所提供的雙開關光飛秒光克爾門半高寬約為300fs，時間分辨率有了明顯的提升。石英玻璃這類固體介質的半高寬也在300fs左右，然而根據圖2可得其透過率太低。相對于苯，四氯化碳和NMP，雙開關光飛秒光克爾門的時間分辨率也更高。