一种带CCD保护的4F相位成像系统的制作方法

本发明涉及的是一种具有CCD保护装置的4F相位成像系统，利用该系统进行材料非线性测量，可以保护CCD免受强脉冲激光照射而损害，本发明所涉及的是一种光学和机电设备领域。

背景技术：

随着光通信和光信息处理等领域技术的飞速发展，非线性光学材料的研究日益重要。光学逻辑、光学记忆、光三极管、光开关和相位复共轭等功能的实现主要依赖于非线性光学材料的研究进展。光学非线性测量技术是研究非线性光学材料的关键技术之一。常用的测量方法有Z扫描、4f系统相干成像技术、马赫-曾德干涉法、四波混频、三次谐波非线性干涉法、椭圆偏振法、相位物体Z-scan等。其中4f相位成像方法由于可单点测量，用CCD直接观察而运用广泛。在材料非线性测量过程中需要测试材料线性透过率和非线性透过率，前者需要在入射样品之前对光强进行衰减，而后者需要将衰减片从激光入射处移动到CCD靶面之前，以保证入射样品光强足够和保护CCD靶面不受强激光照射。在移动衰减片时需要先对CCD遮光，否则高能量激光直接入射到CCD靶面，极易造成CCD靶面损毁。为保证CCD靶面安全，不被强光直接照射，设计一种方便移动，不会由于误操作而引起CCD靶面损毁机械装置非常重要。本发明提供一种带CCD保护的4F相位成像系统。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种带CCD保护装置的4F相位成像系统，在采集样品线性与非线性光斑时自动切换衰减片位置，满足测试需呀，在切换过程中，保证CCD靶面不会暴露在强光照射之下，从而有效保护CCD。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种带CCD保护装置的4F相位成像系统，如附图1搭建4F成像系统，在CCD相机前方设置可移动的放置衰减片移动支架，在拍摄线性光斑时将衰减片17移动至光阑3，对入射总光强进行衰减，作用在样品上的光强以及CCD接收到光强都较低，线性光斑采集完成后。利用移动支架移动B1使得激光直接入射，同时衰减片18移动至光阑15位置，此时入射样品光强较强而入射CCD靶面激光光强较弱，记录非线性光斑。在移动过程中要保证光阑3与光阑15至少有一处被衰减片遮挡，确保CCD不会受强光照射。具体工作原理为：

（1）如图1所示对4F相位测量系统光路进行调整，入射激光后设置光阑3，通过透镜4，透镜5扩束准直入射相位物体，利用两面相互垂直反射镜将入射激光反向，利用半透半反镜将入射光分为两束，一束入射样品，另一束作为参考光，在CCD前设置光阑15，通过样品光束与参考光通过光阑15入射CCD靶面。

（2）在入射激光以及CCD与测量光路之间设置滑轨，滑轨上设置两个衰减片固定支架。衰减片固定支架可以在滑轨上移动，两衰减片固定支架之间距离在移动时不变。在采集线性光斑时，衰减片17挡住光阑3,对入射样品光强进行衰减。当采集非线性光斑时衰减片18滑动到光阑15处，入射光不经衰减入射样品，衰减片18挡住光阑15，对入射CCD光强进行衰减。

上述技术方案中步骤（2）中两衰减片同步移动，需要衰减片17、衰减片18宽度以及根据光阑3和光阑15中心距离调节衰减片17与衰减片18之间距离。保证在衰减片17完全移开光阑3之前，衰减片18依然遮挡光阑15，同样，衰减片18移开光阑15之前，衰减片17要保证能挡住光阑3。

本发明的技术方案中，衰减片17、衰减片18具有相同衰减倍数，以保证在采集线性光斑和非线性光斑时入射CCD靶面光强相同。

本发明的技术方案中，在采集线性光斑与非线性光斑时只需在滑轨上来回移动衰减片，在整个移动过程中入射在CCD靶面光强均较弱。

本发明装置采用改进4F测量光路以及衰减片平移机构保证光学非线性测量过程中CCD靶面不受强光照射，与以往4F相位成像系统相比，具有以下优点：

本发明的保护装置使用非常方便，只需左右移动位置就可以采集线性与非线性光斑。

本发明的保护装置在移动过程中始终保持入射CCD靶面光强较弱，不会由于误操作损坏CCD。

本发明所述装置，可以应用于4F相位测量系统，采用该方法可以大大提高光学材料非线性测试效率。

本发明改进4F相位成像系统光路，大大缩短光路长度，设计更加紧凑。

附图说明

附图1是本发明实施例一中的带CCD保护4F相位测量系统装置的工作原理图。

其中：1、激光器 ；2、导轨 ；3、光阑1；4、扩束透镜1 ；5、扩束透镜2；6、小孔 ；7、相位物体 ；8、反射镜1；9、反射镜2；10、反射镜3；11、半透半反镜；12、参考光成像透镜；13、信号光透镜；14、待测样品；15、光阑2；16、CCD；17、衰减片支架1；18、衰减片支架2

附图2是本发明专利实施例中采集线性光斑衰减片所在位置。

其中：1、衰减片1；2、光阑1；3、衰减片2；4、光阑2；5、导轨

附图3是本发明专利实施例中采集非线性光斑衰减片所在位置。

其中：1、衰减片1；2、光阑1；3、衰减片2；4、光阑2；5、导轨

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图1所示，一种带CCD保护的4F相位成像系统，光路由分束器，凸透镜、小孔、探测器以及移动衰减片支架组成；脉冲激光聚焦于待测样品上。

附图1是一种带CCD保护的4F相位成像系统。实验装置可以分为扩束系统、测量系统和参考系统和CCD保护装置四部分。扩束系统是由凸透镜4和凸透镜5组成；测量系统由小孔6、凸透镜13、待测样品14、第分束器11，CCD16组成。监测系统由凸透镜12、CCD16、光阑2组成，CCD保护装置由导轨2、衰减片支架1和衰减片支架2组成。其中，待测样品14放置在凸透镜13的焦平面上。从激光器出射的脉冲激光首先经过扩束系统扩束，扩束后的激光经过相位物体7，经反射镜8和反射镜9反射，光束经凸透镜13会聚到放置在焦点的待测样品14上，由于待测样品14的光学非线性使得入射的脉冲激光的光强和相位发生变化。从分束器11另一束光经反射镜10经透镜12作为参考光斑与通过样品14光斑一同入射CCD16。参考光斑与信号光斑同时成像于CCD靶面。

当需要采集线性光斑时，需要较弱入射光，将衰减片移动至图2位置，即对入射光进行衰减。

当需要采集非线性光斑时，将衰减片移动至图3位置，即对通过样品后激光强度进行衰减。

附图2为CCD保护装置位置示意图。此位置为采集线性光斑位置。衰减片1和衰减片2固定在导轨上，相对位置固定，移动时两片衰减片同步移动。

附图3为CCD保护装置位置示意图。该位置为采集非线性光斑位置。

在本实施例中，激光光束为Nd:YAG激光器（EKSPLA，PL2143B）倍频以后的532nm激光，脉宽21ps。CCD型号为Academic4000。待测样品为二硫化碳（CS₂）。

具体的检测步骤为：（1）选择具有相同衰减倍率的衰减片放置衰减片支架17和18，打开激光器。将样品14放置在透镜13焦点位置。（2）移动衰减片支架至图2位置，利用CCD采集线性光斑。（3）移动衰减片支架至图3位置，此事作用于样品表面光强较强而CCD采集到光强不变。采集含有样品非线性折射信息光斑（非线性光斑）。利用线性光斑与非线性光斑计算材料非线性系数。

假设入射光束为基模高斯光，其场强表达式为：

式中，E₀为脉冲激光的最大场强值，r为光束的半径，ω_e为入射光束的束腰半径，τ为脉冲光1/e半宽的时间。

Po挡板透过率为：

式中，R_i为中心Po的半径，R_a为透光区域外径。

Po挡板4后的场强分布为：

E₀₁(r,t)＝E(r,t)t(r) (3)

传播到样品表面的光场可通过傅里叶变换公式得到，设为E₀₂，在样品中，考虑慢变振幅近似和薄样品近似的情况，脉冲激光的振幅和相位变化在样品中传播满足

式中,n₂为样品的非线性折射系数，α₀为样品的线性吸收率，β为样品的非线性吸收系数，I＝|E₀₂|²(z'＝0处)为作用在样品上的光强。z'激光在样品中传播的光程。

则样品后表面的光场为:

从样品的后表面传播到环形衰减片的光场可逆傅里叶变换得到，设为E₀₄。环形衰减片透过率函数可表述为：

其中R_i为中心透光区域外径，R_a为环形衰减部分外径。

CCD靶面上光强可表述为：

I(r,t)＝|E₀₄t₁(r)|² (7)

利用数值拟合计算材料非线性系数。