基于迈克尔逊干涉仪的4f相位相干成像方法

摘要

基于迈克尔逊干涉仪的4f相位相干成像方法，它是一种基于迈克尔干涉仪的4f相干相位成像技术测量介质的非线性折射性质的方法，以解决传统4f系统相干成像技术数据的处理较为麻烦、无法避免非线性吸收，以及马赫-曾德尔干涉法存在的形变的范围较小，对噪声和激光的稳定性要求较高、数据处理复杂且误差较大的问题。本发明的方法由以下步骤组成：步骤一、开启并调节装置；步骤二、采集无样品图像；步骤三：采集线性图像；步骤四：采集非线性图像；步骤五：计算线性透过率；步骤六：计算非线性相移；步骤七：计算三阶非线性折射系数。

主权项

1、基于迈克尔逊干涉仪的4f相位相干成像方法，完成本方法采用以下结构的装置，该装置由第一线性衰减片(1)、第一全反射镜(2)、第一孔径光阑(3)、第二全反射镜(4)、第二孔径光阑(5)、第一分光镜(6)、第二分光镜(7)、第一凸透镜(8)、第二凸透镜(10)、第二线性衰减片(11)、第三分光镜(12)、CCD相机(13)、第三凸透镜(14)、第三全反射镜(15)、第四全反射镜(18)、第四凸透镜(19)、第五凸透镜(20)和激光器(21)组成，第四凸透镜(19)、第一线性衰减片(1)、第五凸透镜(20)、第一分光镜(6)、第二孔径光阑(5)和第二全反射镜(4)都依次设置在激光器(21)上侧的中心轴线上，第四凸透镜(19)的透射光的光轴轴线、第一线性衰减片(1)的透射光的光轴轴线、第五凸透镜(20)的透射光的光轴轴线、第二孔径光阑(5)的透光孔的中心轴线和第二全反射镜(4)的中心轴线都与激光器(21)的激光发射口的中心轴线相重合，第四凸透镜(19)的一个焦点和第五凸透镜(20)的一个焦点在它们俩之间重合，第一分光镜(6)下侧入射点的右侧面与激光器(21)的激光发射口上侧的中心轴线呈45°角，第二全反射镜(4)的反射面朝向激光器(21)的激光发射口，第三分光镜(12)、第二线性衰减片(11)、第二凸透镜(10)、第一凸透镜(8)、第二分光镜(7)、第一分光镜(6)、第一孔径光阑(3)和第一全反射镜(2)都依次设置在CCD相机(13)的图像采集面左侧的中心轴线上，第二线性衰减片(11)的透射光的光轴轴线、第二凸透镜(10)的透射光的光轴轴线、第一凸透镜(8)的透射光的光轴轴线、第一孔径光阑(3)的透光孔的中心轴线和第一全反射镜(2)的中心轴线都与CCD相机(13)的图像采集面左侧的中心轴线相重合，第一分光镜(6)右侧出射点的下侧面与CCD相机(13)的图像采集面左侧的中心轴线呈45°角，第二分光镜(7)与第一分光镜(6)相互平行设置，第三分光镜(12)与第二分光镜(7)之间的夹角为90°，第一全反射镜(2)的反射面朝向CCD相机(13)的图像采集面，第三全反射镜(15)设置在第二分光镜(7)的反射光的光路上，第三全反射镜(15)的反射面朝向右侧并与第二分光镜(7)的出射光的中心轴线呈45°角，第三凸透镜(14)和第四全反射镜(18)都依次设置在第三全反射镜(15)的反射光的光路上，第三凸透镜(14)的透射光的光轴轴线和第四全反射镜(18)的入射光的光轴轴线都与第三全反射镜(15)的出射光的光轴轴线相重合，第四全反射镜(18)的出射光的光轴轴线与第三分光镜(12)的入射光的光轴轴线相重合，其特征在于本发明的本方法由以下步骤组成：步骤一、开启并调节装置：打开激光器(21)，调整第一全反射镜(2)和第二全反射镜(4)使激光束在CCD相机(13)的图像采集面上形成3到5个条纹；步骤二、采集无样品图像：在未设置待测样品时用CCD相机(13)采集一个脉冲图像，此图像记为无样品图像；步骤三：采集线性图像：将待测样品(9)设置在第一凸透镜(8)和第二凸透镜(10)之间重合的焦点上，用CCD相机(13)采集一个脉冲图像，此图像记为线性图像；步骤四：采集非线性图像：取掉第一线性衰减片(1)和第二线性衰减片(11)，用CCD相机(13)采集一个脉冲图像，此图像记为非线性图像；步骤五：计算线性透过率：将步骤三中采集到的线性图像和步骤二中采集到的无样品图像分别进行积分，得到透过样品后的线性脉冲的能量和入射脉冲的总能量，两者的比值即为待测样品(9)的线性透过率；步骤六：计算非线性相移：将步骤四中采集到的非线性图像与步骤三中采集到的线性图像进行对比，计算出条纹移动距离，然后根据条纹移动距离计算出待测样品(9)处产生的非线性相移；对待测样品(9)的非线性测量的计算公式如下：第一孔径光阑(3)和第二孔径光阑(5)的平面处的电场分布为：O₁(x，y)、O₂(x，y)；则频谱面的电场分布为：S(u，v)＝F{O₁(x，y)+O₂(x，y)}此时待测样品(9)的透过率为：其中T(u，v)只影响像平面的电场强度分布，而既影响像平面的强度分布，又影响像平面的相位分布，而像平面的条纹移动只与电场的相位分布有关，对于单光束来讲像平面中心处的电场相位与入射面的电场相位分布相比，其增加量与样品处的最大非线性线相移成正比，比值为0.5；当第一孔径光阑(3)和第二孔径光阑(5)的透光孔的半径大小差别为1:3以上时，由于在频谱面出的埃里斑大小与孔径大小成反比，小孔径的单束光产生的非线性效应相对于大孔径产生的非线性效应可以忽略，因此通过计算条纹移动便可以计算得到样品处的非线性相移；步骤七：计算三阶非线性折射系数：将步骤六中计算出的非线性相移经过能量校准和步骤五中计算出的线性透过率通过公式：Φ_max＝n₂·I_max(0，0)·L计算即得出待测样品(9)的三阶非线性折射系数n₂，其中L为待测样品(9)的厚度，I_max(0，0)为孔径光阑中心处的最大光场强度，Φ_max为待测样品(9)的非线性最大相移。