專利名稱：用于極高速全息攝影的光束生成器及數(shù)字全息攝像裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光全息攝影，更具體地說，涉及一種用于極高速成像的多幅數(shù)字全息攝像裝置。

背景技術：
利用全息攝影的多參數(shù)性和光波的并行性，容易實現(xiàn)極高速攝影的多幅編碼，因此，利用全息原理實現(xiàn)多幅極高速攝影是非管極高速技術的重要領域，具有重要的學術意義和應用前景。
隨著超短脈沖激光技術及CCD技術的迅速發(fā)展，利用超短脈沖數(shù)字全息術記錄和再現(xiàn)超快動態(tài)過程已逐漸顯示出了其不可取代的優(yōu)越性。利用超短脈沖數(shù)字全息術，可在極短的時間內(nèi)對超快變化的物場連續(xù)進行多次曝光，從而可將物光脈沖串和參考光脈沖串干涉所得到的多幅全息圖記錄在CCD光敏面上。飛秒全息攝影頻率能達到1012幅/秒以上，目前的攝影技術，無論是變像管攝影技術還是其它類非管攝影技術，根本無法達到。利用參考光編碼和空間分開的多脈沖技術是解決這類問題的有效途徑之一。目前適用于超短脈沖極高速數(shù)字全息術的編碼方法有角度編碼(同一子午面內(nèi)的多個角度)，方位角編碼(各個角度處于不同的子午面內(nèi))、波長編碼和偏振面編碼。其中偏振面編碼只能得到2幅子全息圖，波長編碼需要光源有多波長輸出。角度編碼和方位角編碼的特點是對脈沖光源沒有特殊的要求，可得到2幅以上的子全息記錄。該技術利用入射角度各不相同的參考光把超快過程不同時刻的信息記錄在CCD的同一幀圖像上，從而得到一張包含多張子全息圖的復合全息圖。再現(xiàn)時，可利用子全息圖在頻譜空間分離的特性，使用數(shù)字濾波方法對全息圖頻譜進行濾波分離并進行相應的數(shù)字再現(xiàn)，從而將多幅再現(xiàn)圖像分別輸出到顯示器上。角度編碼中不同角度傳輸?shù)膮⒖脊馓幱谕黄矫鎯?nèi)，由于CCD像素尺寸的限制，一般對物光和參考光的角度要求較為嚴格。對于在同一平面但相對光軸成θ1、θ2的參考光(θ1＞θ2)，則必須滿足 其中λ為波長，d為光敏單元尺寸。f1max、f2max為由帶限物光波和兩束參考光波分別形成的全息干涉圖的最大空間頻率(王曉雷；翟宏??；王毅；母國光，物理學報，2006，Vol.55，P1137)。如果采用方位角編碼，由于不同平面的參考光形成的全息圖有不同的空間取向，使得彼此之間的空間頻譜分量更易于分離。學者們在這方面已經(jīng)作了一些較為深入的研究。例如利用一個由獨立可控的四面反射鏡組成的反射鏡陣列，形成空間不同角度的參考光，對飛秒激光脈沖分別在CS2和水中傳播時的非線性效應進行了多幅全息記錄(Martin Centurion，Ye Pu，and Demetri Psaltis，Proc.of SPIE，2005，Vol.5580，P529)；采用多個分束器和反射鏡結構實現(xiàn)方位角編碼，并用該技術實現(xiàn)了對強激光誘導空氣離化超快過程的瞬態(tài)測量(Xiaolei Wang，Hongchen Zhai，andGuoguang Mu，OPTICS LETTERS，2006，Vol.31，P1636)。
但是，無論是采用由獨立可控的四面反射鏡組成的反射鏡陣列還是采用多個分束器和反射鏡，這類使用由離散光學元件構成的分光裝置來產(chǎn)生多束參考光的技術方案，由于光學元件多、結構復雜，各個光學元件之間的距離和角度的調(diào)整非常復雜、很難實現(xiàn)精確控制，使得參考光的角度和相對時間延遲不易控制，難以實現(xiàn)精確的時間延遲，因而成像頻率難以進一步提高。
此外，由于分光裝置由許多離散的光學元件構成，運行過程中易受到機械、電驅(qū)動的影響，使得系統(tǒng)不穩(wěn)定、可靠性差。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題在于，針對現(xiàn)有技術的全息攝影裝置的分光裝置調(diào)整復雜，參考光的空間方位角和相對時間延遲難以精確控制的缺陷，提供一種用于極高速全息攝影的光束生成器，其可以精確、簡便地按照預定的參考光空間方位角和相對時間延遲生成所需要的光束。
本發(fā)明要解決的另一技術問題在于，針對現(xiàn)有技術的全息攝影裝置調(diào)整復雜，參考光的空間方位角和相對時間延遲難以精確控制的缺陷，提供一種可以精確地控制參考光空間方位角和相對時間延遲的數(shù)字全息攝影裝置。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是構造一種用于全息攝影的光束生成器，包括 脈沖激光器，用于產(chǎn)生源激光脈沖； 多模光纖耦合器，其接收所述源激光脈沖，并將所述源激光脈沖分解成相互之間具有預定的相對時間延遲和預定的空間方位角度差的多個分束激光脈沖； 其中，所述多模光纖耦合器包括處于同一平面上的多個輸出端，其中每一個輸出端通過多模光纖連接至所述多模光纖耦合器的光輸出部件，所述輸出端的數(shù)目與所述分束激光脈沖的數(shù)目相同、各個輸出端之間的光纖長度差基于所述預定的相對時間延遲而確定、各個輸出端在所述平面上的位置基于所述預定的空間方位角度差而確定，且所述多模光纖耦合器的輸出端的數(shù)目為奇數(shù)，所述輸出端的布置使得任何兩個所述輸出端之間不構成中心對稱。
在本發(fā)明所述的光束生成器中，所述脈沖激光器與所述多模光纖耦合器之間設置有第一透鏡，所述脈沖激光器輸出的源激光脈沖經(jīng)所述第一透鏡耦合進入所述多模光纖耦合器的輸入端；其中，所述第一透鏡為球面透鏡、非球面透鏡、柱面透鏡或軸錐透鏡。
在本發(fā)明所述的光束生成器中，所述多模光纖耦合器的輸入端設置有多根多模光纖頭部熔接的錐狀光纖分光器件，所述脈沖激光器輸出的源激光脈沖經(jīng)所述第一透鏡耦合進入所述錐狀光纖分光器件。
在本發(fā)明所述的光束生成器中，所述多模光纖耦合器的多個輸出端在所述平面上沿一圓周分布。
在本發(fā)明所述的光束生成器中，所述各個輸出端的光纖端面的取向選擇基于所述預定的空間方位角度差而確定。
在本發(fā)明所述的光束生成器中，所述多個輸出端相互之間的間隔是可調(diào)整的。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是構造一種多幅數(shù)字全息攝影裝置，其特征在于，包括如上所述的光束生成器以及后續(xù)光學系統(tǒng)；其中，所述后續(xù)光學系統(tǒng)包括第二透鏡和感光器件，所述多模光纖耦合器的多個輸出端所處的平面與所述第二透鏡的前焦面共面，所述感光器件的感光面位于所述第二透鏡的后焦面的后方。
在本發(fā)明所述的多幅數(shù)字全息攝影裝置中，所述后續(xù)光學系統(tǒng)還包括設置在所述第二透鏡和所述感光器件之間的第三透鏡，所述第三透鏡的前焦面與所述第二透鏡的后焦面共面，所述感光器件的感光面位于所述第三透鏡的后焦面的前方或后方。
在本發(fā)明所述的多幅數(shù)字全息攝影裝置中，所述脈沖激光器為脈寬為10-11至10-14秒的超短脈寬激光器，所述感光器件為電荷藕合器件圖像傳感器。
在本發(fā)明所述的多幅數(shù)字全息攝影裝置中，所述多模光纖耦合器的多個輸出端在所述平面上沿一圓周分布，且所述圓周的圓心位于所述后續(xù)光學系統(tǒng)的光軸上。
在本發(fā)明所述的多幅數(shù)字全息攝影裝置中，所述多個輸出端相互之間的間隔是可調(diào)整的。
在本發(fā)明所述的多幅數(shù)字全息攝影裝置中，所述第二透鏡的口徑D與所述多模光纖耦合器的輸出端到所述光軸的距離R、所述多模光纖的數(shù)值孔徑角θ及第二光學透鏡的焦距f1之間滿足以下關系 D≥2(R+f1tgθ)。
實施本發(fā)明，具有以下有益效果由于采用光纖耦合器替代離散元件構成的分光裝置，只利用一只簡單緊湊的多模光纖耦合器就可得到具有不同空間方位角和相對時間延遲嚴格控制的光脈沖，使得結構簡單、緊湊，便于調(diào)整。另外，由于光纖、透鏡等都是透射光學元件，比起反射光學元件，對系統(tǒng)的不穩(wěn)定影響要小得多，所用的光學元件均為被動式的，運行過程中沒有機械、電驅(qū)動因素，因而結構穩(wěn)定、系統(tǒng)可靠高。



下面將結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中 圖1是本發(fā)明的多幅數(shù)字全息攝影裝置的原理圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明一實施例的多幅數(shù)字全息攝影裝置的結構示意圖； 圖3是本發(fā)明的多幅數(shù)字全息裝置中透鏡口徑估算圖。

具體實施例方式 為了實現(xiàn)對某些超快過程的精確刻畫，需要在事件發(fā)生的瞬間以精確時間間隔記錄盡可能多的子全息圖。本發(fā)明的一個目的就是為了方便地實現(xiàn)方位角編碼以得到盡可能多的空間角度不同的子光束，同時實現(xiàn)對這些不同空間方位角的光束之間的光學遲延的精確控制。這樣如果輔之以超短激光脈沖就可以得到具有高時間分辨、高精確取樣時間間隔的“光尺”，滿足對超快變化事物高精度成像的需要。
本發(fā)明的核心是利用多模光纖耦合器進行分束并通過控制各路光束的光程差來實現(xiàn)物光束之間確定的時間延遲，從而產(chǎn)生具有精確相對時間延遲且空間方位角不同的參考光，實現(xiàn)方位角編碼的多幅數(shù)字全息技術。
圖1是本發(fā)明的多幅數(shù)字全息裝置的原理圖，其包括光束生成器及后續(xù)光學系統(tǒng)。如圖1所示，光束生成器包括脈沖激光器10、第一透鏡L0和多模光纖耦合器20；后續(xù)光學系統(tǒng)包括第二透鏡L1和感光器件40，其中f1為第二透鏡L1的焦距。多模光纖耦合器包括處于同一平面上的多個輸出端(如圓周25上的小圓點所示)，構成一個輸出端面，其中每一個輸出端通過多模光纖連接至所述多模光纖耦合器的光輸出部件。本實施例中第一透鏡L0為球面透鏡。根據(jù)具體實施方案，作為替代，第一透鏡L0還可以是非球面透鏡，也可是柱面透鏡、軸錐透鏡。
在工作過程中，脈沖激光器10輸出的源激光脈沖經(jīng)第一透鏡L0耦合進入多模光纖耦合器20，通過多模光纖耦合器20的輸出端輸出多個分束激光脈沖，且輸出端的數(shù)目與分束激光脈沖的數(shù)目相同。多個分束激光脈沖相互之間具有預定的相對時間延遲和預定的空間方位角度差。可根據(jù)所采用的脈沖激光器及后續(xù)光學系統(tǒng)中各光學元件的參數(shù)來計算所需的相對時間延遲和空間方位角度差，具體細節(jié)見后面的描述。由于全息成像具有原始像和共軛像的頻譜呈對稱分布的特點，為了避免圖像之間互相重疊，多模光纖耦合器20的輸出端采用奇數(shù)個輸出端非對稱分布的布置(例如5個或7個輸出端等)，使得相對于輸出端面與后續(xù)光學系統(tǒng)的光軸的交點，任何兩個輸出端之間不構成中心對稱。在滿足兩個輸出端之間非中心對稱的條件下，多模光纖耦合器20的輸出端可以安排在垂直于后續(xù)光學系統(tǒng)光軸的平面上的不同位置。例如，作為一實施例，多個輸出端可以布置在以輸出端面與后續(xù)光學系統(tǒng)光軸的交點為圓心的圓周25上。也就是說，以圓周25的圓心為中心，多模光纖耦合器20的任何兩個輸出端之間不構成中心對稱。多模光纖耦合器20每個輸出端(如圓周25上的小圓點所示)的光纖長度差由輸出脈沖相互間時間延遲決定。將多模光纖耦合器輸出端面所在的平面設置在第二透鏡L1的前焦面上。這樣每個輸出端的輸出光線經(jīng)第二透鏡L1后以各自的角度平行射向待測物體S，這些光透過或繞過物體S后照射到感光器件40(例如可以是電荷藕合器件圖像傳感器(CCD列陣))的感光面，形成準同軸數(shù)字全息干涉圖。所以在此裝置中，不同的空間方位角光對應于不同方向干涉條紋的子全息圖，包含對應于不同時刻的物體形態(tài)信息。
作為選擇，光纖耦合器多個輸出端相互之間的間隔可以是固定的，也可以設計成可調(diào)整的，在攝影過程中根據(jù)需要進行微調(diào)，靈活方便。另外，光纖耦合器多個輸出端相互之間的間隔可以是相同的，也可以是不相同的。但是一定要使多模光纖耦合器20的任何兩個輸出端之間不構成中心對稱。
為了擴大物光和參考光干涉的范圍，可在圖1所示的多幅數(shù)字全息裝置的后續(xù)光學系統(tǒng)中引入第三透鏡L2，形成本發(fā)明的實施方案之一，如圖2所示。本實施例中，感光器件40采用電荷藕合器件圖像傳感器(CCD)列陣。多模光纖耦合器每個輸出端(如圓周25上的小圓點所示)的輸出光線經(jīng)第二透鏡L1后以各自的角度平行射向待測物體S。這些光透過或繞過物體S后經(jīng)第三透鏡L2照射到CCD列陣，形成準同軸數(shù)字全息干涉圖。本實施例中，CCD列陣可置于第三透鏡L2后焦面的前方或后方一段距離(圖中只示出了CCD列陣在離第三透鏡L2后焦面后方L距離的情況)。圖中，f1是第二透鏡L1的焦距，f2是第三透鏡L2的焦距，L是CCD列陣到第三透鏡L2后焦面的距離。
本發(fā)明可用于皮秒、飛秒時間分辨率超快過程的全息成像，其光源可用高功率皮秒或飛秒激光器。這類超短脈寬的激光器在商業(yè)上已經(jīng)有比較成熟的產(chǎn)品出售，目前已可得到脈沖能量達毫焦耳量級、脈沖時間寬度為飛秒量級(10-11秒至10-14秒)的超短脈寬光脈沖輸出。為了將該高功率的光脈沖耦合進入多模光纖耦合器，多模光纖的芯徑需要足夠大(＞200μm)。如果必要的話，還可在耦合器的輸入端設置自聚焦光纖透鏡以增加耦合器接收激光功率的能力。作為一實施例，多模光纖耦合器的輸入端設置有多根多模光纖頭部熔接的錐狀光纖分光器件，脈沖激光器輸出端直接和錐狀光纖分光器件耦合。脈沖激光器輸出端是指第一透鏡的輸出面。也就是說，錐狀光纖分光器件設置在多模光纖耦合器的輸入端，錐狀光纖分光器件帶有多根多模光纖，該光纖頭部熔接，形成錐狀。脈沖激光器輸出的光束通過第一透鏡的輸出面耦合至錐狀光纖分光器件。在本發(fā)明中，輸出端個數(shù)采用的是5、7、9、11……等，產(chǎn)生的分光束的數(shù)目相應地為5、7、9、11……等，也就是說，輸出端的數(shù)目與分束激光脈沖的數(shù)目相同。由于過多的干涉圖像將發(fā)生重疊，考慮到全息圖像的頻譜不能混淆的要求，分光束的數(shù)目(即光纖耦合器的輸出端的數(shù)目)不能太多，在準同軸全息攝影應用中一般不超過15?？梢愿鶕?jù)需要決定每個輸出端脈沖所需的時間間隔(即分幅時間)。一般來說，分幅時間設計成等于(或者大于)光脈沖的時間寬度。然后決定耦合器每個輸出臂的光纖長度差異。例如，對于脈寬為1皮秒的超短脈沖激光，相對應的光程差為(0.3/n)mm，其中n為光纖的折射率。每個光纖耦合器的輸出端面被安排在一個與后續(xù)光學系統(tǒng)的光軸相垂直的平面上。它們在該平面上的相對位置根據(jù)需要而定，較為靈活。例如可安排在以該平面與光軸交點為圓心的圓周上，圓半徑的大小取決于頻譜分離的需要，換言之，也就是取決于多個分束激光脈沖相互之間空間方位角度差的需要。該平面與后續(xù)光學透鏡的距離等于該透鏡的焦距，換言之，該平面即為該透鏡的前焦面。這樣耦合器輸出端到光軸的距離R和該光學透鏡的焦距(如圖1中的f1)共同決定參考光的方位角。另外，光纖耦合器的輸出端中，光纖端面的不同取向可以控制光錐的出射方向，因而，通過對光纖端面取向的選擇，還可以對參考光的方位角進行微調(diào)。此外，為減少系統(tǒng)損耗，透鏡的口徑D應足夠大能夠收集到絕大部分光束能量。這涉及到耦合器輸出端到光軸的距離R、多模光纖的數(shù)值孔徑角θ和光學透鏡的焦距f1等，按圖3可由下式估算 D≥2(R+f1tgθ) (2) 待測物體S置于第二透鏡L1后方，這樣耦合器的每個輸出端輸出的部分光脈沖以不同時刻以不同方位角入射待測物體，而且每個脈沖都有部分光從待測物體的邊上直接入射CCD陣列面上，產(chǎn)生準同軸全息干涉圖。整個裝置結構非常簡單緊湊。時間分辨率高、各個分幅全息圖的時間間隔短，便于記錄極(超)高速變化的現(xiàn)象，例如光學晶體和光學玻璃的非線性過程，馳豫時間多在亞皮秒和飛秒之間。
雖然本發(fā)明的實施例中是以超短脈寬激光及CCD器件為例，需要指出的是，本發(fā)明的光束生成裝置可以應用于各種全息攝影裝置中，用以替代由離散元件構成的分光裝置。所述的各種全息攝影裝置，可采用各種成像頻率的脈沖激光源(需滿足脈沖寬度＜分幅時間)，與光源的類型相對應，感光器件不僅可以采用CCD列陣，還可以采用CMOS或目前正在開發(fā)或有待將來開發(fā)的其它類型的感光器件。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的光束生成器具有以下優(yōu)勢 1)結構簡單、緊湊。只利用一只簡單緊湊的多模光纖耦合器和光學透鏡就可得到具有不同空間方位角和相對時間延遲嚴格控制的光脈沖。
2)調(diào)整方便。這主要是由于光纖的特點所決定的。
3)結構穩(wěn)定、可靠。這里光纖、透鏡等都是透射光學元件，比起反射光學元件，對系統(tǒng)的不穩(wěn)定影響要小得多。另外，所用的光學元件均為被動式的，運行過程中沒有機械、電驅(qū)動因素，這種系統(tǒng)顯然具有較好的穩(wěn)定性。
4)光脈沖之間的相對時間延遲由光纖長度差決定，精度高。
5)光纖端面的不同取向可以控制光錐的出射方向。
此外，本發(fā)明的多幅數(shù)字全息攝影裝置可最大限度地利用CCD的空間帶寬積；本發(fā)明的多幅數(shù)字全息攝影裝置的時間分辨率由激光光源的脈沖寬度決定，可用于皮秒、飛秒級時間分辨的超快全息技術。
權利要求
1.一種用于極高速全息攝影的光束生成器，其特征在于，包括
脈沖激光器，用于產(chǎn)生源激光脈沖；
多模光纖耦合器，其接收所述源激光脈沖，并將所述源激光脈沖分解成相互之間具有預定的相對時間延遲和預定的空間方位角度差的多個分束激光脈沖；
其中，所述多模光纖耦合器包括處于同一平面上的多個輸出端，其中每一個輸出端通過多模光纖連接至所述多模光纖耦合器的光輸出部件，所述輸出端的數(shù)目與所述分束激光脈沖的數(shù)目相同、各個輸出端之間的光纖長度差基于所述預定的相對時間延遲而確定、各個輸出端在所述平面上的位置基于所述預定的空間方位角度差而確定；且所述多模光纖耦合器的輸出端的數(shù)目為奇數(shù)，所述輸出端的布置使得任何兩個所述輸出端之間不構成中心對稱。
2.根據(jù)權利要求1所述的光束生成器，其特征在于，所述脈沖激光器與所述多模光纖耦合器之間設置有第一透鏡，所述脈沖激光器輸出的源激光脈沖經(jīng)所述第一透鏡耦合進入所述多模光纖耦合器的輸入端；其中，所述第一透鏡為球面透鏡、非球面透鏡、柱面透鏡或軸錐透鏡。
3.根據(jù)權利要求2所述的光束生成器，其特征在于，所述多模光纖耦合器的輸入端設置有多根多模光纖頭部熔接的錐狀光纖分光器件，所述脈沖激光器輸出的源激光脈沖經(jīng)所述第一透鏡耦合進入所述錐狀光纖分光器件。
4.根據(jù)權利要求1所述的光束生成器，其特征在于，所述多模光纖耦合器的多個輸出端在所述平面上沿一圓周分布。
5.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的光束生成器，其特征在于，所述各個輸出端的光纖端面的取向選擇基于所述預定的空間方位角度差而確定。
6.一種多幅數(shù)字全息攝影裝置，其特征在于，包括如權利要求1至5中任一項所述的光束生成器以及后續(xù)光學系統(tǒng)；其中，所述后續(xù)光學系統(tǒng)包括第二透鏡和感光器件，所述多模光纖耦合器的多個輸出端所處的平面與所述第二透鏡的前焦面共面，所述感光器件的感光面位于所述第二透鏡的后焦面的后方。
7.根據(jù)權利要求6所述的多幅數(shù)字全息攝影裝置，其特征在于，所述后續(xù)光學系統(tǒng)還包括設置在所述第二透鏡和所述感光器件之間的第三透鏡，所述第三透鏡的前焦面與所述第二透鏡的后焦面共面，所述感光器件的感光面位于所述第三透鏡的后焦面的前方或后方。
8.根據(jù)權利要求6或7所述的多幅數(shù)字全息攝影裝置，其特征在于，所述脈沖激光器為脈寬為10-11至10-14秒的超短脈寬激光器，所述感光器件為電荷藕合器件圖像傳感器。
9.根據(jù)權利要求6或7所述的多幅數(shù)字全息攝影裝置，其特征在于，所述多模光纖耦合器的多個輸出端在所述平面上沿一圓周分布，且所述圓周的圓心位于所述后續(xù)光學系統(tǒng)的光軸上。
10.根據(jù)權利要求6或7所述的多幅數(shù)字全息攝影裝置，其特征在于，所述第二透鏡的口徑D與所述多模光纖耦合器的輸出端到所述光軸的距離R、所述多模光纖的數(shù)值孔徑角θ及第二光學透鏡的焦距f1之間滿足以下關系
D≥2(R+f1tgθ)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于極高速全息攝影的光束生成器及數(shù)字全息攝像裝置。光束生成器包括脈沖激光器和多模光纖耦合器；多模光纖耦合器包括處于同一平面上的奇數(shù)個輸出端，輸出端的數(shù)目與分束激光脈沖的數(shù)目相同、各個輸出端之間的光纖長度差基于預定的相對時間延遲而確定、各個輸出端在所述平面上的位置基于預定的空間方位角度差而確定，輸出端的布置使得任何兩個輸出端之間不構成中心對稱。數(shù)字全息攝像裝置包括上述光束生成器以及后續(xù)光學系統(tǒng)；其中，后續(xù)光學系統(tǒng)包括第二透鏡和感光器件。實施本發(fā)明，可以方便地得到具有不同空間方位角編碼和相對時間延遲嚴格控制的激光脈沖，以形成多幅極高速全息攝影，而且結構簡單緊湊，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性高。
文檔編號G03H1/04GK101763019SQ20091018934
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月24日 優(yōu)先權日2009年12月24日
發(fā)明者李景鎮(zhèn), 惠彬, 陸小微 申請人:深圳大學