本發(fā)明涉及高靈敏度的超快光學探測以及新型磁性薄膜材料生長，具體是一種基于磁光科爾/法拉第效應的超快光學門控成像系統(tǒng)及方法。

背景技術：

超快光學成像技術是混濁介質中物體成像的重要課題：混濁介質中的成像技術不僅在生物醫(yī)學、工業(yè)檢測起到作用，而且在國防安全等其他科學研究方面也有著十分重要的應用價值。

在此之前相關的技術研究有：電光科爾門超快光學成像技術是基于非線性晶體的電光科爾效應，具體是建立在泵浦-探測科爾門技術上，從而實現混濁介質中的物體成像。超快短脈沖Probe光經過混濁介質以后在時域上被展寬，展寬后的光脈沖分為三部分：彈道光、蛇形光和漫射光,其中彈道光出現在脈沖的最前沿。蛇形光和漫射光由于散射則需要經歷迂回的路徑才可以經過介質。

對于介質散射造成的光脈沖展寬，電光科爾門技術采用高能量密度的Pump光誘導激發(fā)門控，實時控制Probe光在時域上透射/反射超快動力學過程，從而對彈道光部分進行選擇性探測，以實現混濁介質中的物體成像。

上述電光科爾門技術，所使用非線性科爾晶體通常包括熔融石英，二硫化碳，碲化玻璃等科爾常數大的晶體。用來誘導激發(fā)晶體的激光脈沖能量密度普遍要求達到數100mJ/cm²。為了產生如此高強度的激光脈沖，實驗室往往利用飛秒激光器（比如鈦寶石激光器）產生飛秒脈沖種子光，誘導再生放大器將多個光脈沖能量壓縮至單個脈沖，從而實現脈沖能量的放大。如此龐大的光學放大系統(tǒng)不利于在實際應用中推廣超快電光科爾門技術。

技術實現要素：

本發(fā)明技術的目的是建立一種新的低光功率密度激發(fā)，具有飛秒時間尺度的光學門控，能夠使超快光學門控成像技術更加有利于在實際應用中推廣。

本發(fā)明是采用如下技術方案實現的：

一種基于磁光科爾效應的超快光學門控成像系統(tǒng)，采用泵浦-探測（Pump-Probe）工作模式，激光器產生的飛秒脈沖經分束器BS1分為反射部分Probe光和透射部分Pump光；

所述Probe光經過散射介質展寬，展寬的Probe光經過起偏器P3、透鏡L1聚焦到位于焦平面處的磁性薄膜，Probe光經磁性薄膜反射再次經過透鏡L1準直進入檢偏器P4，Probe出射光經由透鏡L2匯聚到CCD探測器上進行成像；

所述Pump光經過線性位移平臺D1后，由分束器BS2分別兩束相同脈沖，分別記為Pump1和Pump2；所述Pump1依次經過偏振器P1和零級1/4波片Q1后，由透鏡L1聚焦到磁性薄膜上，并與Probe光在空間上重合；所述Pump2依次經過線性位移平臺D2、偏振器P/2和零級1/4波片Q2后，由透鏡L1聚焦到磁性薄膜上，并與Probe光在空間上重合。

一種基于磁光法拉第效應的超快光學門控成像系統(tǒng)，包括激光器，所述激光器產生的飛秒脈沖經分束器BS1分為反射部分Probe光和透射部分Pump光；

所述Probe光經過散射介質展寬，展寬的Probe光經過起偏器P3′、透鏡L1′聚焦到位于焦平面處的磁性薄膜，Probe光經磁性薄膜透射后經過透鏡L3準直進入檢偏器P4′，Probe出射光經由透鏡L2′匯聚到CCD探測器上進行成像；

所述Pump光經過線性位移平臺D1后，由分束器BS2分別兩束相同脈沖，分別記為Pump1和Pump2；所述Pump1依次經過偏振器P1和零級1/4波片Q1后，由透鏡L1′聚焦到磁性薄膜上，并與Probe光在空間上重合；所述Pump2依次經過線性位移平臺D2、偏振器P/2和零級1/4波片Q2后，由透鏡L1′聚焦到磁性薄膜上，并與Probe光在空間上重合。

本系統(tǒng)是基于磁光科爾/法拉第效應建立的一種新型的超快光學門控成像技術。采用超快泵浦-探測技術，利用兩束低能量密度且螺旋性正交的圓偏振態(tài)Pump光控制磁性薄膜的磁化方向，設置門控的“開”和“關”狀態(tài)，從而對反射/透射彈道光脈沖的選擇性測量，實現對混濁介質中的物體成像。

系統(tǒng)中使用一種新型磁性薄膜材料，其磁化方向可以由光的螺旋性進行控制，如C-H.Lambert實驗小組研究的磁性薄膜材料。在2014年，該小組在Co/Pt納米薄膜和FePtAgC納米顆粒樣品中首次觀察到了光的螺旋度對磁性薄膜的磁化翻轉。本系統(tǒng)是基于磁光效應提出的一種新型的超快光學門控成像技術，在探測光反射條件下是超快科爾門控成像，在透射條件下則是超快法拉第門控成像。采用螺旋性相互正交的圓偏振光來激發(fā)磁性薄膜，從而設計和控制薄膜的磁化方向，以實現對經過磁性薄膜反射/透射后探測光偏振態(tài)的超快旋轉控制。在此項技術中，誘導超快磁動力學過程中所需要的光功率密度可降至0.1mJ/cm²數量級，這會極大降低熱效應對磁化強度的影響，縮短自旋弛豫時間，從而加快磁性翻轉速率。

本發(fā)明技術所建立的超快門控探測部分依次由起偏器、磁性薄膜、檢偏器組成。在無Pump光激發(fā)的條件下，磁性薄膜處于熱平衡態(tài)，Probe光的入射偏振態(tài)由起偏器設定，通過調節(jié)相位補償器和檢偏器使反射/透射的Probe光全部“關”住。為了讓部分Probe光可以通過檢偏器，實現Probe在時域上的選擇性成像，設計利用第一束圓偏振光Pump1激發(fā)磁性薄膜；不失一般性，Pump1光的螺旋性為左旋圓偏振態(tài)。在Pump1光的激發(fā)下，薄膜的磁化方向發(fā)生超快翻轉，這時Probe出射光的線偏振態(tài)不再與檢偏器完全正交，從而有部分光通過檢偏器至CCD。為了精確選定時間長度極短的彈道光部分，設計利用螺旋性相反的第二束右旋圓偏振Pump2光迅速將磁化方向再次超快翻轉，從而又將Probe光“關”住。通過改變兩束Pump光的之間的時間間隔Tg，就可以任意控制磁光科爾門/法拉第門的時間長短。選用的光脈沖寬度和線性位移平臺的精度都在飛秒時間尺度，在低光功率密度激發(fā)下，磁性翻轉有望在亞皮秒量級時間尺度實現，從而建立一個飛秒尺度的超快門控?；诖隧楅T控技術，可以實時控制Probe光在時域上的超快動力學過程，選擇性對彈道光脈沖部分進行測量，實現混濁介質中物體成像。

上述的Probe光、Pump1光，Pump2光均為飛秒脈沖激光。

上述的Pump和Probe光均由同一臺飛秒激光器產生。實際操作中也可以采用雙色光，即Pump和Probe光分別來自于互相同步的兩臺飛秒激光器，可以是不同的波長。

本發(fā)明的超快科爾/法拉第門與電光科爾門相比有以下優(yōu)點：

1、低光功率密度Pump光激發(fā)的超快磁光光學門控，可進一步實現面向實際應用的高散射介質成像。

2、選用的磁性薄膜材料的磁化方向可被螺旋性不同的圓偏振光進行超快調控，比如類似于C-H.Lambert等所研究的磁性材料，低光功率激發(fā)有可能消除熱效應對自旋系統(tǒng)的影響，使其磁化方向的翻轉時間尺度可以達到亞皮秒數量級。

3、選用具有時延的兩束Pump光相繼激發(fā)誘導磁性薄膜，實時控制磁性薄膜的磁化方向，從而設置門控的“開關”。通過改變兩束Pump光的之間的時間間隔Tg，就可以任意控制磁光科爾門/法拉第門的時間長短。

4、所建立的基于磁光科爾/法拉第效應的超快光學門控。兩束Pump光分別為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，其時間間隔Tg即門“開”的時間長度，這個時間長度取決于兩束Pump光的相對時延，實驗中時間延遲精度可控制到飛秒量級，所以可以建立一個飛秒尺度的超快門控。

本發(fā)明設計合理，基于泵浦-探測（Pump-Probe）超快光學技術，采用泵浦光的偏振態(tài)來控制磁性薄膜的磁化方向，利用磁光旋轉效應，實現對探測光線性偏振態(tài)旋轉的控制；進一步，通過設計兩束泵浦光的時間間隔以及偏振態(tài)，對磁性薄膜的磁化方向進行超快控制，實現對探測光時間窗口可調控的超快測量。這種新型磁光門控技術能選擇性的對彈道光進行超快測量，可以有效實現混濁介質中的物體成像。

附圖說明

圖1表示基于磁光科爾效應的超快光學門控成像基本原理示意圖。

圖2表示基于磁光法拉第效應超快光學門控成像基本原理示意圖。

圖3表示基于磁光科爾效應的超快光學科爾門操控的基本原理示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施例進行詳細說明。

本發(fā)明基于磁光科爾/法拉第效應建立的新型超快光學門控成像技術。以Pump-Probe技術為基礎。通過采用兩束Pump光作為門控開關，從而控制Probe光對混濁介質中的物體在時域上實現超快成像。

圖1是基于磁光科爾/法拉第效應的超快光學門控成像原理圖，Pump-Probe技術將飛秒激光分為兩路，分別為Pump光路（虛線部分）和Probe（實線部分）光路。Pump光作為門控光束，用來控制磁性薄膜的磁化方向，建立光學門控，Probe光則用來進行光探測實現混濁介質中物體成像。在反射條件下對探測光的測量是超快科爾門控成像技術，在透射條件下則是超快法拉第門控成像技術。

基于磁光效應的光學門控成像的Probe光路，見圖1：

1、激光器產生的飛秒脈沖經分束器BS1反射的部分為Probe光，Probe脈沖光在散射介質中傳播時，由于散射的影響，光脈沖在時域上被展寬，其中彈道光部分位于脈沖的最前端。

2、展寬的Probe脈沖依次經過反射鏡M4和M8后入射到由起偏器、磁性薄膜以及檢偏器組成的光學門控系統(tǒng)。圖示1中的虛線部分是基于科爾效應的磁光科爾門，圖示2是基于法拉第效應的磁光法拉第門，其中磁性薄膜均置于透鏡L1/L1′的焦平面上。所述的起偏器對入射光的偏振態(tài)進行控制。

3、從起偏器P3/P3′的出射Probe光經由透鏡L1/L1′聚焦到位于焦平面處的磁性薄膜上。磁性薄膜在反射條件下，Probe是反射光，在透射條件下Probe為透射光。

4、如圖示1基于磁光科爾效應門控成像示意圖，Probe光經磁性薄膜反射再次經由透鏡L1準直進入到檢偏器P4?？紤]到磁光科爾效應，在進入檢偏器P4之前，在P4前面加入一個Soleil-Babinet相位補償器S對Probe光進行相位補償，實現在熱平衡態(tài)條件下對Probe光的完全“關”控制，保證Probe反射光/透射光為高純度線性偏振光，以提高光探測的信噪比。

5、如圖示2基于磁光法拉第效應門控成像示意圖，Probe光經磁性介質透射后經由透鏡L3準直進入到檢偏器P4′。同樣考慮到磁光法拉第效應，在P4′前面加入一個Soleil-Babinet相位補償器S′對Probe光進行相位補償，實現在熱平衡態(tài)條件下對Probe光的完全“關”控制，保證Probe反射光/透射光為高純度線性偏振光，以提高光探測的信噪比。

6、通過檢偏器P4/P4′的Probe出射光經由透鏡L2/L2′匯聚到CCD探測器上進行成像。

基于磁光效應的光學門控成像的Pump光路。見圖1：

1、激光器產生的飛秒脈沖經分束器BS1透射的部分為Pump光，Pump光經反射鏡M1入射至線性位移平臺D1，然后Pump光經由分束器BS2分成兩束相同的脈沖，分別為Pump1（短虛線）和Pump2（長虛線），通過線性位移平臺D1來控制Pump1光和Probe光的相對延遲時間t，使Pump1光和Probe光的同時抵達磁性薄膜。線性位移平臺D1具有微米量級的位移精度，從而光電探測系統(tǒng)具有飛秒量級的時間精度。

2、不同螺旋性的Pump光脈沖可以對磁性薄膜的磁化方向進行超快翻轉。在Pump1和Pump2光路中分別依次加入偏振器P1、P2和零級1/4波片Q1、Q2，設置P1和P2線偏振方向正交。通過分別調節(jié)兩路中的1/4波片，使透過波片Pump光的線偏振態(tài)方向與其光軸方向成45度角，得到Pump1為左旋圓偏振光，Pump2為右旋圓偏振光。兩束Pump光的左、右旋圓偏振態(tài)是經由線偏振器和1/4波片調節(jié)所得。

3、在Pump2光路上通過反射鏡M5和M6設計了第二個光學線性位移平臺D2，通過調節(jié)D2來控制兩束Pump光相對延遲時間，使其時間間隔為Tg，滿足螺旋性相互正交的兩束Pump光相繼抵達磁性薄膜。所述的磁性薄膜在不同螺旋性泵浦光激發(fā)的情況下，其磁化方向不同。調節(jié)精度達到微米級別的兩臺線性位移平臺分別來控制兩束Pump光脈沖的時間間隔Tg，從而建立飛秒時間尺度的超快門控。

4、圖示1和圖示2分別是基于磁光科爾和磁光法拉第效應的門控成像示意圖，Pump1光經反射鏡M1、偏振器P1、零級1/4波片Q1、反射鏡M3入射至透鏡L1；Pump2光首先經過經反射鏡M5、線性位移平臺D2、反射鏡M6后，再經過偏振器P2、零級1/4波片Q2、反射鏡M7入射至透鏡L1；最后，Pump1與Pump2光由透鏡L1/L1′聚焦到磁性薄膜上，并與Probe光脈沖在空間上重合。

以磁光科爾門為例，基于磁光科爾效應門控成像技術的具體實施如下，見圖3。其中，M表示磁性薄膜處于熱平衡態(tài)條件下的磁化方向；Pump光和Probe分別由實線和虛線表示，其中帶雙箭頭線條表示Probe入射磁性薄膜前、后的線偏振態(tài)方向，螺旋帶箭頭的線條分別對應Pump1和Pump2，Pump1為左旋圓偏振態(tài)光，Pump2為右旋圓偏振態(tài)光。

1、如圖3所示，在熱平衡態(tài)條件下，無Pump光激發(fā)，Probe光經由起偏器P3抵達磁性薄膜，由于磁光科爾效應，入射的線性偏振光在磁性薄膜表面反射時，其偏振態(tài)發(fā)生旋轉。通過調整相位補償器S和檢偏器P4使其與Probe反射光的偏振方向正好正交，從而實現將Probe反射光全部“關住”。

2、為了讓Probe光通過檢偏器P4，通過調節(jié)光學線性位移平臺D1使Pump1和Probe兩束光同時到達磁性薄膜，所述的Pump1光為左旋圓偏振光，利用Pump1光脈沖激發(fā)磁性薄膜使其磁化方向發(fā)生翻轉，由于磁光科爾效應，Probe反射光的線偏振態(tài)發(fā)生變化，此時磁光科爾門被“開啟”，光脈沖可以部分通過檢偏器P4，經由透鏡L2聚焦，進入CCD探測器成像。

3、為了精確選取時間長度極短的彈道光部分，設計利用與Pump1時間間隔Tg且螺旋性正交的Pump2光激發(fā)磁性薄膜，使其磁化方向再次被超快的翻轉到熱平衡態(tài)方向上，此時Probe反射光的線偏振態(tài)方向與檢偏器P4又正好再次正交，則Probe反射光瞬間被“關住”。通過調節(jié)光學線性位移平臺D2使Pump1和Pump2時間間隔為Tg，兩束Pump光的左右旋偏振態(tài)相互轉化的時間間隔Tg就是門“開”的時間長度。所以可以依據彈道光部分在時域上的脈沖持續(xù)時間對磁光科爾門“開”的時間實現任意控制，從而建立一個飛秒尺度的超快門控。

基于磁光科爾/法拉第效應且低光功率密度激發(fā)的超快磁光旋轉門控成像系統(tǒng)，采用泵浦-探測（Pump-Probe）工作模式。光路分為泵浦光路和探測光路兩部分，分別用于完成磁性薄膜的門控激發(fā)和探測光的超快測量。通過調節(jié)精度達到微米級別的線性位移平臺來控制兩束Pump光脈沖的時間間隔Tg，從而建立飛秒時間尺度的超快門控。通過低光功率密度Pump光激發(fā)控制門的“開”和“關”，從而準確選擇彈道光部分作為測量信號。通過控制Pump光與Probe光的時間間隔，從而控制Probe脈沖光的測量時間窗口。在混濁介質中，由于散射會造成Probe光脈沖的展寬，該系統(tǒng)可以通過精確選擇Probe光的彈道光部分，實現對混濁介質中的物體成像。此光學門控系統(tǒng)使用低光功率密度Pump光激發(fā)即可完成，可以使高散射介質成像在工業(yè)中進行應用和推廣。

最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照本發(fā)明實施例進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明的技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋本發(fā)明的權利要求保護范圍中。