[发明专利]飞秒差分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，涉及一种飞秒差分光克尔门及基于该光克尔门的成像装置和方法。

背景技术

飞秒激光的快速发展促进了飞秒技术的进步，如飞秒光电装置和光通信系统，超短脉冲测量系统，以及新材料的超快响应测量，超精细微加工等。基于飞秒激光的超快速成像与测量技术，具有很高的时间分辨能力，可以用于研究超短的物理、生物以及化学等反应过程。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。

基于飞秒光克尔效应的光克尔门选通方法是一种典型的超快速成像与测量技术，利用光克尔效应构造的光学时间门，无需相位匹配，选通光子效率高，具备飞秒量级的时间分辨特性，在超快动态过程研究领域具有重要的科学意义和应用价值。近几年，将飞秒激光克尔门选通成像方法应用于高速火箭燃料发动机喷嘴喷雾过程的高分辨率的弹道成像的研究中，光学克尔门可以通过单脉冲成像获得火箭喷雾液核破裂的动力学过程，准确揭示液核破裂过程，完善流体动力学计算模型，从而设计更有效的燃料发动机。

飞秒光克尔门选通成像应用中，要求对待测目标实现高分辨率和高对比度的成像。然而，在传统的光克尔门选通成像技术中，由于飞秒脉冲光的高斯强度分布特性，开关光在光克尔介质处会诱导出瞬态微光阑，具有低通滤波效果，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，降低图像的分辨率和对比度。外差光克尔门选通成像技术改善了成像的分辨率，然而，这种技术在实际的弹道光选通成像应用时，部分散射光也同时作为成像的背底被引入。在利用飞秒外差光克尔门选通成像技术实施单脉冲瞬态成像时，这种背底噪声会增加了成像信噪比，影响了成像对比度的提高，甚至令其无法实现单脉冲成像。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种飞秒差分光克尔门及基于该光克尔门的成像装置和方法，能够实现散射介质物体的单脉冲成像，具有高分辨率和高对比度的优点。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种飞秒差分光克尔门，包括沿光路方向依次设置的起偏器、光克尔介质和第一分束片，第一分束片将光路分为透射光路和反射光路，其中透射光路上设有第一检偏器，反射光路上设有第二检偏器，且起偏器的偏振方向与光路中光的偏振方向相同，第一检偏器的偏振方向与起偏器的偏振垂直方向呈2～5°正的外差角，第二检偏器的偏振方向与起偏器的偏振垂直方向呈2～5°负的外差角。

还包括设置在透射光路上的第一四分之一波片和设置在反射光路上的第二四分之一波片，且第一四分之一波片设置在分束片和第一检偏器之间，第二四分之一波片设置在分束片和第二检偏器之间。

当未设置第一四分之一波片和第二四分之一波片时，飞秒差分光克尔门开启后，第一检偏器的透射光电场强度正比于第二检偏器的透射光电场强度正比于飞秒差分光克尔门的透射光电场强度正比于4θE₀H_imaginary；

当设置有第一四分之一波片和第二四分之一波片时，飞秒差分光克尔门开启后，第一检偏器的透射光电场强度正比于第二检偏器的透射光电场强度正比于飞秒差分光克尔门的透射光电场强度正比于4θE₀H_real；

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，θ为外差角，E₀为光克尔介质前入射光电场。

所述的第一四分之一波片和第二四分之一波片的长轴方向与起偏器的夹角均为0°；且第一四分之一波片和第二四分之一波片均为零级波片，其材质为石英材质或BK玻璃。

所述的起偏器、第一检偏器和第二检偏器均为棱镜偏振器或消光比大于10⁴:1的薄膜偏振器。

所述的光克尔介质为二硫化碳、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。