[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

权利要求书

1.正负条形相位光阑，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的正负条形相位光阑，其特征在于，它是通过在一个圆形光阑中通过镀透明介质薄膜形成的条形相位物体，通过该相位物体的光束比其它部分的光束位相延迟±π/2。

3.基于权利要求1所述的正负条形相位光阑的4f相位相干非线性成像系统，其特征在于，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（1）、偏振棱镜（2）、扩束器（3）、正负条形相位光阑（4）、分束镜（5）、一号凸透镜（6）、二号凸透镜（8）、一号中性衰减片（9）和图像传感器（10）组成；

二分之一波片（1）、偏振棱镜（2）、扩束器（3）、正负条形相位光阑（4）、分束镜（5）、一号凸透镜（6）、待测非线性样品（7）、二号凸透镜（8）和一号中性衰减片（9）依次顺序放置在入射光的光轴上，经一号中性衰减片（9）衰减后的光束在图像传感器（10）的光敏面上形成光斑1，且一号凸透镜（6）和二号凸透镜（8）是同轴共焦的凸透镜，待测非线性样品（7）位于一号凸透镜（6）和二号凸透镜（8）的焦点上；

能量参考系统是由一号反射镜（11）、二号中性衰减片（12）、三号凸透镜（13）、二号反射镜（14）和三号反射镜（15）组成；

反射镜（11）、二号中性衰减片（12）、三号凸透镜（13）、二号反射镜（14）和三号反射镜（15）依次顺序放置，反射镜（11）将分束镜（5）反射的光束反射至二号中性衰减片（12），经二号中性衰减片（12）衰减后的光束入射至三号凸透镜（13），经三号凸透镜（13）投射的光束入射至二号反射镜（14），经二号反射镜（14）反射的光束经三号反射镜（15）反射后入射至图像传感器（10）的光敏面上形成光斑2，所述光斑1和光斑2不重叠。

4.根据权利要求3所述的采用正负条形相位光阑的4f相位相干非线性成像系统，其特征在于，图像传感器（10）是采用CCD相机实现的。

5.根据权利要求3所述的4f相位相干非线性成像系统，其特征在于，正负条形相位光阑（4）和一号凸透镜（6）之间的距离与一号凸透镜（6）和待测非线性样品（7）之间的距离相等，均为f₁，f₁为一号凸透镜（6）的焦距。

6.根据权利要求5所述的4f相位相干非线性成像系统，其特征在于，f₁的典型值为30cm。

7.根据权利要求3所述的4f相位相干非线性成像系统，其特征在于，待测非线性样品（7）与二号凸透镜（8）之间的距离与二号凸透镜（8）与图像传感器（10）之间的距离相等，均为f₂，f₂为二号凸透镜（8）的焦距。

8.根据权利要求7所述的4f相位相干非线性成像系统，其特征在于，f₂的典型值为20cm。

9.基于权利要求3所述的正负条形相位光阑的4f相位相干非线性成像系统对非线性折射率测量方法，其特征在于，它的实现步骤如下：

步骤一、在不放置待测非线性样品（7）的情况下，光源发射一个激光脉冲，然后通过图像传感器（10）采集一个脉冲图像；

步骤二、将待测非线性样品（7）放置一号凸透镜（6）和二号凸透镜（8）之间，且位于二号凸透镜（8）的焦点上，同时将一号中性衰减片（9）放置在分束镜（5）和一号凸透镜（6）之间，使得照射到非线性样品（7）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（9）移到二号凸透镜（8）和图像传感器（10）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（7）取走，将能量计放置一号凸透镜（6）和二号凸透镜（8）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：

S(u,v,t)=1λf1FT[O(x,y,t)]=1λf1∫∫O(x,y,t)exp[-2πi(ux+vy)]dxdy---(2)]]>

上式中FT代表傅里叶变换；u和v分别为4f相位相干非线性成像系统傅里叶面处x和y方向的空间频率：u=x′/λf₁，v=y′/λf₁；f₁为4f成像系统中入射透镜的焦距；λ为激光波长，i为虚数单位；

对于三阶光学非线性，在薄样品近似和慢变包络近似下，脉冲激光的光强和相位变化在非线性介质中传播满足：

dIdz′=-(α+βI)I---(3)]]>

dΔφdz′=kn2I---(4)]]>

其中，α和β分别为线性和非线性吸收系数，I为样品中的光强，n₂为非线性折射率，z′为光束在样品中的传播距离，k=2π/λ为波矢大小，Δφ为非线性相移，在非线性介质后表面的复光场为：

SL(u,v,t)=S(u,v,t)e-αL/2[1+q(u,v,t)]ikn2/β-1/2---(5)]]>

式中q(u,v,t)=βL_effI(u,v,t)，L_eff=(1-e^-αL)/α为有效长度，L为非线性介质的厚度，i为虚数单位；I(u,v,t)是光束在样品内的强度，正比于|S(u,v,t)|²，复振幅响应定义为：

其中是非线性相移，其表达式为：

此时，若α与β均为0，则公式(7)简化为

公式(5)简化为

在4f相位相干非线性成像系统的出射面，像强度为：

I_im(x,y,t)=|U(x,y,t)|²=|FT^-1[S(u,v,t)T(u,v,t)H(u,v)]|²            (10)

式中，FT^-1为逆傅里叶变换符号，H(u,v)=circ[(u²+v²)^1/2λG/N_A]是无像差透镜的相干光学传递函数，circ(r)为圆函数，当r≤1时为1，其余情况为0；N_A为一号凸透镜（6）的数值孔径，G是整个光学系统的放大率；

由于像平面处的图像传感器仅对激光能流分布响应，所以需要对光强进行时间积分得到能流：

F(x,y)=∫-∞+∞Iim(x,y,t)dt---(11)]]>

根据方程（1）-（11），可以数值模拟出4f相位相干非线性成像系统像平面处的能流分布，进而得到非线性样品（7）的非线性折射。