专利名称：高分辨率飞秒全息装置的制作方法
技术领域：
本发明有关全息装置，特别是一种高分辨率飞秒全息装置。它能广泛应用于测试各种超快过程，例如脉冲气体放电的雪崩过程、化学键的断裂与形成、激光自聚焦丝的产生，以及极端条件下材料的应变等等。
背景技术：
自然界有许多基本过程，例如化学反应和相变，都涉及到物质结构性质的改变和原子的重新排列，再如闪电雷鸣时，空气被击穿的放电现象，这些变化通常发生在超快的时间尺度上，与原子或分子的自由振荡周期相当，约为100fs或者更短，要观察这些过程，当然要用一个比这些过程更短的脉冲来无损地探测它。
幸好，在过去的二十多年里，超短脉冲的脉宽已由皮秒压缩到飞秒量级。虽然目前在实验室条件下，阿秒量级脉冲的产生已有报道，但尚未进入实用阶段，所以飞秒激光脉冲是当前探测超快过程的重要手段。飞秒脉冲激光应用于全息成像的飞秒全息术是一个极具潜力的技术，已经在许多探测领域显示出了它的优越性。
1983年，瑞典N.Abramson研究小组主要利用飞秒和皮秒脉冲全息术研究物体面形测量、三维物体识别。1991年美国的E.Leith研究小组主要从事飞秒全息技术在医学成像方面的应用研究，他们用飞秒全息对透过6mm厚的鸡肉、6mm厚的人手肌肉组织和金属丝成像得到了较好的结果。
1990年，Mazurenko提出了光谱全息的概念，其基本思想是利用光频率空间色散，将参考光和信号光脉冲在空间色散为一系列准单色波，并使它们对应的光频分量在空间相干得到全息图。1992年，A.M.Weiner等人以光谱非选择性介质热塑料作为记录介质，分别利用一级和二级衍射波，在飞秒脉冲整形装置中，对飞秒时间信号进行存储、再现和处理，以及相关和卷积运算。1993年，M.C.Nuss等人利用连续光波再现超短脉冲的时间全息图，准确地将时间脉冲形状信息转换到能够用照相机直接拍摄。1994年，M.C.Nuss利用光谱全息实验装置实现了信号从空域模式到时域模式的转换。1998年，Y.Ding等人利用光折射多量子阱中的动态光谱全息，实现超快飞秒激光脉冲色散的自适应补偿。
近年来，各个国家开展了飞秒全息微加工的研究。1999年，Kirkpatrick.S.M等人预言，通过双光子同步吸收的超快全息材料可以实现材料的微加工。2000年，K.Kawamura和N.Sarukura等人利用从同一激光器中分出的两个飞秒激光脉冲，分别在各种非光敏性材料如SiO2玻璃、蓝宝石和金刚石表面和内部编码全息光栅。B.Kraabel等人在纳米晶体内实现飞秒脉冲的动态全息。2001年，在飞秒全息微加工方面也是硕果累累的一年，K.Kawamura等利用两次曝光技术在硅玻璃上实现两个相互正交全息光栅的编码。Yan Li等人利用飞秒脉冲双光束干涉制作了体全息光栅，衍射效率为0.7％，第一次实现了在光敏介质内部写入光栅。2002年，Yan Li等人又在有机玻璃(PMMA)表面和内部写入浮雕光栅，其衍射效率可达20％。然而，飞秒脉冲激光的相干长度短，飞秒激光器的线宽都在5nm以上，并且脉冲越短，线宽越宽，在飞秒时间尺度上拍摄高分辨率的全息图非常困难，例如用100fs的脉冲记录，全息图包含的条纹数目将少于100，而这严重地降低了分辨率和全息图的视场。

发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术的不足，提出一种高分辨率飞秒全息装置，以降低了对飞秒激光束的单色性的要求，大大提高分辨率。
本发明的基本构思是采用一高分辨全息光栅作为分束及色散元件，然后采用两块凹面反射镜形成一扩束共焦望远镜系统，在它们的焦点处置一光阑，将一多色波变成单色波，再进行记录。
本发明的技术解决方案如下一种高分辨率飞秒全息装置，包括激光光源，其特征在于还包括光栅、第一、第二、第三和第四凹面反射镜、第一、第二光阑、待测样品、第一、第二透镜、探测器和计算机，上述各元部件的位置关系如下在激光光源的激光输出光路上设该光栅，经该光栅色散成两束光，即A光束和B光束，其中B光束经第二凹面反射镜、第二光阑、第三凹面反射镜、待测样品、并由第一透镜缩孔进入探测器，所述的A光束经第一凹面反射镜、第一光阑、第四凹面反射镜，并由第二透镜缩孔进入探测器，B光束和A光束光相遇干涉形成全息图，第一、第二光阑分别放置在第一、第二凹面镜的焦点处。
所说的激光光源，是一台飞秒激光器，脉宽为5-150fs、单脉冲能量为0.01-10μj，带宽为5-30nm，辐射波长为780-830nm的CPA钛宝石激光系统。
所说的光栅，是一块5000线/mm的透过光栅，它将垂直入射的飞秒激光器色散成两束光，即A束和B束(图中透射光未画出)。
所说的第一、第二凹面反射镜是曲率半径为300-1000mm镀介质膜全反射镜。
所说的第三、第四凹面反射镜是一块曲率半径为600-2000mm镀介质膜全反射镜。第二、第三凹面反射镜，第一、第四凹面反射镜分别各组成一光束扩束系统。
所说的第一第二光阑是一个尺寸为0.1-1.8mm的小孔光阑，分别放置在第一、第二凹面反射镜的焦点处，它用来将色散开的飞秒激光光谱进行滤波和单色化。
所说的第一、第二透镜是消色差透镜，是用来将飞秒激光束进行缩孔成像，以便和探测器进行孔径匹配的。
所说的待测样品是一个待研究和探测产生超快过程的脉冲等离子体系统或产生自聚丝的光学系统。
所说的探测器是一个对780-830nm具有灵敏光谱响应的CCD探测器。
所说的计算机是一台能用来实时重构飞秒全息图的计算机。
本发明的技术效果如下当飞秒激光器辐射的光束进入光栅以后，产生正负一级衍射光成为A束和B束。A束光经凹面反射镜聚焦，并被光阑滤波单色化，再经凹面反射镜反射和扩孔，进入到第二透镜进行缩孔，并成像在探测器上作为参考光，B束光经第二凹面反射镜聚焦，并被第二光阑滤波单色化，再经第三凹面反射镜反射和扩孔，入射到样品中去，携带有样品的信息成为物光束，经第一透镜缩孔成像在探测器上和A光束相遇干涉形成全息图，数字化以后，被计算机存储和重构，获得了待研究物体的超快信息。在光路设计和制作时，由于设计上的对称性，易于将A光束和B光束等光程，从而降低了对飞秒激光束的单色性的要求。
本发明的高分辨率飞秒全息装置，由于采用光栅作分束元件，能将宽带谱进行有效色散，然后用小孔光阑进行滤波单色化，大大降低了对光程相等的要求，分辨率可以成数量级地提高。


图1为本发明高分辨率飞秒全息装置结构示意图。
具体实施例方式本发明的高分辨率飞秒全息装置如图1所示，本发明高分辨率飞秒全息装置，包括激光光源1，其特征在于还包括光栅2、第一、第二、第三和第四凹面反射镜3、4、7、8、第一、第二光阑5、6、待测样品11、第一、第二透镜9、10、探测器12和计算机13，上述各元部件的位置关系如下在激光光源1的激光输出光路上设该光栅2，经该光栅2色散成两束光，即A光束和B光束，其中B光束经第二凹面反射镜4、第二光阑6、第三凹面反射镜7、待测样品11、并由第一透镜9缩孔进入探测器12，所述的A光束经第一凹面反射镜3、第一光阑5、第四凹面反射镜8，并由第二透镜10缩孔进入探测器12，B光束和A光束光相遇干涉形成全息图，第一、第二光阑5，6分别放置在第一、第二凹面镜3、4的焦点处。
所说的飞秒激光器1，是一台脉宽为100fs、单脉冲能量为1μj，带宽为10nm，辐射波长为800nm的CPA钛宝石激光系统。
所说的光栅2，是一块5000线/mm的透过光栅，它将垂直入射的飞秒激光器1色散成两束光，即A束和B束(图中透射光未画出)。
所说的第一、第二凹面反射镜3，4是曲率半径为1000mm镀介质膜全反射镜。
所说的第三、第四凹面反射镜7，8是曲率半径为2000mm镀介质膜全反射镜。第二、第三凹面反射镜4、7和第一、第四凹面反射镜3、8各组成一光束扩束系统。
所说的第一、第二光阑5，6，是一个尺寸为0.5mm的小孔光阑，分别放置在第一、第二凹面反射镜3、4的焦点处，它用来将色散开的飞秒激光光谱进行滤波和单色化。
所说的第一、第二透镜9，10，是消色差透镜，是用来将飞秒激光束进行缩孔成像，以便和探测器12进行孔径匹配的。
所说的待测样品11，是一个待研究和探测产生超快过程的脉冲等离子体系统或产生自聚丝的光学系统。
所说的探测器12，是一个对800nm具有灵敏光谱响应的CCD探测器。
所说的计算机13，是一台能用来实时重构飞秒全息图的计算机。
本发明高分辩飞秒全息装置的工作原理和基本过程是当飞秒激光器1辐射的脉宽为100fs、800nm光束进入光栅2以后，产生正负一级衍射光成为A光束和B光束。A光束经第一凹面反射镜3聚焦，并被第一光阑5滤波单色化，再经第四凹面反射镜8反射和扩孔，进入到透镜10进行缩孔，并成像在探测器12上作为参考光，B光束经第二凹面反射镜4聚焦，并被第二光阑6滤波单色化，再经凹面反射镜7反射和扩孔，入射到待测样品11中去，携带有待测样品11的信息成为物光束，经第一透镜9缩孔成像在探测器12上和A束光相遇干涉形成全息图，数字化以后，被计算机13存储和重构，获得了待研究物体的超快信息。在光路设计和制作时，由于设计上的对称性，易于将A光束和B光束等光程，从而降低了对飞秒激光束的单色性的要求。
权利要求
1.一种高分辨率飞秒全息装置，包括激光光源(1)，其特征在于还包括光栅(2)、第一、第二、第三和第四凹面反射镜(3、4、7、8)、第一、第二光阑(5、6)、待测样品(11)、第一、第二透镜(9、10)、探测器(12)和计算机(13)，上述各元部件的位置关系如下在激光光源(1)的激光输出光路上设该光栅(2)，经该光栅(2)色散成两束光，即A光束和B光束，其中B光束经第二凹面反射镜(4)、第二光阑(6)、第三凹面反射镜(7)、待测样品(11)、并由第一透镜(9)缩孔进入探测器(12)，所述的A光束经第一凹面反射镜(3)、第一光阑(5)、第四凹面反射镜(8)，并由第二透镜(10)缩孔进入探测器(12)，B光束和A光束光相遇干涉形成全息图，第一、第二光阑(5，6)分别放置在第一、第二凹面镜(3、4)的焦点处。
2.根据权利要求1所述的高分辨率飞秒全息装置，其特征在于所述的激光光源(1)是一台飞秒激光器，脉宽为5-150fs、单脉冲能量为0.01-10μj，带宽为5-30nm，辐射波长为780-830nm的CPA钛宝石激光系统。
3根据权利要求1所述的高分辨率飞秒全息装置，其特征在于所述的光栅(2)是一块5000线/mm的透过光栅。
4.根据权利要求1所述的高分辨率飞秒全息装置，其特征在于所述的第一、第二凹面反射镜(3，4)是一块曲率半径为300-1000mm镀介质膜全反射镜。
5.根据权利要求1所述的高分辨率飞秒全息装置，其特征在于所述的第三、第四凹面反射镜(7，8)，是一块曲率半径为600-2000mm镀介质膜全反射镜。
6.根据权利要求1所述的高分辨率飞秒全息装置，其特征在于所述的第一第二透镜(9，10)是一块消色差透镜。
7.根据权利要求1所述的高分辨率飞秒全息装置，其特征在于所述的探测器(12)是一个对780-830nm具有灵敏光谱响应的CCD探测器。
8.根据权利要求1所述的高分辨率飞秒全息装置，其特征在于所述的计算机(13)是一台能用来实时重构飞秒全息图的计算机。
全文摘要
一种高分辨率飞秒全息装置，包括激光光源，其特征在于还包括光栅、第一、第二、第三和第四凹面反射镜、第一、第二光阑、待测样品、第一、第二透镜、探测器和计算机，上述各元部件的位置关系如下在激光光源的激光输出光路上设该光栅，经该光栅色散成两束光，即A光束和B光束，其中B光束经第二凹面反射镜、第二光阑、第三凹面反射镜、待测样品、并由第一透镜缩孔进入探测器，所述的A光束经第一凹面反射镜、第一光阑、第四凹面反射镜，并由第二透镜缩孔进入探测器，B光束和A光束光相遇干涉形成全息图，第一、第二光阑分别放置在第一、第二凹面镜的焦点处。本发明降低了对飞秒激光束的单色性的要求，并大大提高了分辨率。
文档编号G01N23/22GK1560703SQ20041001672
公开日2005年1月5日 申请日期2004年3月4日 优先权日2004年3月4日
发明者陈建文, 高鸿奕, 朱化凤, 谢红兰, 李儒新, 徐至展 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所