基于二波耦合的光學(xué)圖像放大

張 麗，田逢春，羅 宇，胡又文，張文理

(重慶大學(xué) 通信工程學(xué)院，重慶 400044)

近代與綜合實(shí)驗(yàn)

基于二波耦合的光學(xué)圖像放大

張 麗，田逢春，羅 宇，胡又文，張文理

(重慶大學(xué) 通信工程學(xué)院，重慶 400044)

理論分析表明二波耦合效應(yīng)在擴(kuò)散機(jī)制下可實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的放大而不影響相位. 通過(guò)偏振態(tài)實(shí)驗(yàn)確定二波耦合光學(xué)圖像放大的入射光最佳偏振態(tài)為P態(tài)，利用光爬行效應(yīng)減小摻鐵鈮酸鋰晶體進(jìn)行二波耦合實(shí)驗(yàn)所引入的光散射噪聲，并確定入射光輻照順序以及入射光角度不小于20°. 根據(jù)經(jīng)典的二波耦合實(shí)驗(yàn)方案實(shí)現(xiàn)了光學(xué)圖像放大實(shí)驗(yàn)，最佳的實(shí)驗(yàn)條件為：入射綠光波長(zhǎng)532 nm,入射角度32°～33°，入射信號(hào)光光強(qiáng)7.2 μW，泵浦光光強(qiáng)13.89 mW.

二波耦合；光學(xué)圖像放大；光爬行效應(yīng)；偏振態(tài)

1966年Bell實(shí)驗(yàn)室做LiNbO3晶體的激光倍頻實(shí)驗(yàn)時(shí)首次發(fā)現(xiàn)非線性晶體的光折變效應(yīng). 受限于光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，直到1979年Kuktharev等人才提出描述光折變效應(yīng)理論基礎(chǔ)的帶輸運(yùn)模型，從而促使了光折變技術(shù)的飛速發(fā)展. 非線性晶體的光折變二波耦合效應(yīng)應(yīng)用非常廣泛，如相干光放大[1-3]、實(shí)時(shí)全息存儲(chǔ)[4-6]、圖像處理[7]、光計(jì)算[8-9]、相位共軛器[10-11]、空間光調(diào)制器[12]等. 其中與染料激光放大、光參量放大和振幅調(diào)制光放大相比，二波耦合光放大具有增益大、穩(wěn)定性高、噪聲小、均勻性好等特點(diǎn)，近些年來(lái)在光學(xué)信息處理中得到了廣泛應(yīng)用. 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)光折變二波耦合實(shí)現(xiàn)低噪聲、高增益光學(xué)圖像放大進(jìn)行了深入的研究，主要使用的光折變材料是鈦酸鋇(BaTiO3)[13]、鈦酸鉍(BTO)[14]和鈮酸鍶鋇(SBN)[15]，而使用摻鐵鈮酸鋰(LiNbO3∶Fe)實(shí)現(xiàn)低噪聲、高增益二波耦合光放大的研究相對(duì)較少，其原因是LiNbO3∶Fe晶體存在著很強(qiáng)的散射噪聲，會(huì)嚴(yán)重影響放大圖像的質(zhì)量，因此本文利用光爬行效應(yīng)減小散射噪聲以提高放大圖像的質(zhì)量[16]. 本文給出了LiNbO3∶Fe晶體實(shí)現(xiàn)二波耦合光學(xué)圖像放大的實(shí)驗(yàn)條件，并對(duì)比不同的入射角度、入射光強(qiáng)比、入射波長(zhǎng)條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析影響實(shí)驗(yàn)效果的因素.

1 二波耦合光放大理論

兩入射光在光折變晶體內(nèi)耦合形成干涉條紋，在干涉相長(zhǎng)處產(chǎn)生光激發(fā)載流子，載流子的遷移、擴(kuò)散將引起空間電荷場(chǎng)的變化，進(jìn)而由電光效應(yīng)引起折射率的空間調(diào)制，即寫(xiě)入體相位柵[6]. 體相位柵與干涉條紋之間存在著空間相移φ，如圖1所示，該相移的大小取決于載流子的遷移機(jī)制，當(dāng)其工作于擴(kuò)散機(jī)制時(shí)，空間相移φ=π/2，當(dāng)其工作于漂移機(jī)制時(shí)，空間相移φ=0.

圖1 二波耦合示意圖

本文采用的二波耦合光放大是同側(cè)入射，其光強(qiáng)耦合方程為

(1)

(2)

(3)

其中，I1與I2分別為信號(hào)光與泵浦光的光強(qiáng)，α為晶體的吸收系數(shù)，n1為由Pockels效應(yīng)引起的折射率變化，θ為布拉格角，λ為波長(zhǎng)，γ′為光強(qiáng)耦合系數(shù). 從式(1)～(3)可看出，2束入射光之間實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移依賴(lài)于光強(qiáng)耦合系數(shù)γ′，當(dāng)光激發(fā)載流子的遷移機(jī)制為擴(kuò)散作用時(shí)，體相位柵與干涉條紋間的空間相移φ=π/2，此時(shí)光強(qiáng)耦合系數(shù)最大，即2束入射光可實(shí)現(xiàn)最大的能量轉(zhuǎn)移[17].

2束入射光的相位耦合方程為

(4)

(5)

(6)

其中，β為相位耦合系數(shù). 由此可以看出，當(dāng)體相位柵與干涉條紋的空間相移φ=π/2時(shí)，光強(qiáng)耦合達(dá)到最大，且相位耦合系數(shù)β=0，即在實(shí)現(xiàn)信號(hào)光放大的同時(shí)相位不發(fā)生變化.

2 二波耦合實(shí)驗(yàn)條件

2.1 入射光偏振態(tài)

根據(jù)二波耦合理論分析可知，2束入射光須是同偏振態(tài)，因此需要確定2束入射光的偏振態(tài)[18]. 下面將分析2種情況下的二波耦合效應(yīng)：一是2束入射光的偏振態(tài)同為S態(tài)；二是2束入射光的偏振態(tài)同為P態(tài).

具體實(shí)驗(yàn)參量如表1所示，表中實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，其中d為晶體的厚度.

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，2束入射光的偏振態(tài)為P態(tài)時(shí)，二波耦合的響應(yīng)時(shí)間較S態(tài)時(shí)明顯縮短，因此為了實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，采用2束入射光為P態(tài)的方式進(jìn)行二波耦合光學(xué)圖像放大實(shí)驗(yàn).

表1 二波耦合偏振態(tài)實(shí)驗(yàn)參量

(a)S態(tài)

(b)P態(tài)

2.2 光爬行效應(yīng)

使用LiNbO3∶Fe晶體進(jìn)行二波耦合實(shí)驗(yàn)，泵浦光的前向散射光很?chē)?yán)重，會(huì)影響圖像放大的質(zhì)量，因此利用光爬行效應(yīng)減小散射光以保證放大圖像的質(zhì)量. 該方法主要是利用LiNbO3∶Fe晶體的厚度[19]和入射光斑的尺寸[20]實(shí)現(xiàn)前向散射光與爬行光之間的有效競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)入射角度足夠大時(shí)，前向散射光會(huì)完全被抑制，能量全部轉(zhuǎn)移到爬行光，此時(shí)實(shí)現(xiàn)了噪聲的抑制[16].

根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)的光爬行效應(yīng)實(shí)驗(yàn)光路如圖3所示. 從35 mW的He-Ne激光器LD出射的光束(P偏振態(tài))經(jīng)反射鏡M反射后，由透鏡L將激光束進(jìn)行聚焦，其焦點(diǎn)在LiNbO3∶Fe晶體D-LN表面，然后在晶體后面接收屏Re1上觀察透射光束(前向散射光)的變化情況，接收屏Re2上觀察晶體的近90°散射光. 實(shí)驗(yàn)中入射光爬行的過(guò)程中先向兩側(cè)逐漸散射，然后集中到右側(cè)散射，而左側(cè)的散射光逐漸減弱直至基本被抑制. 圖4為競(jìng)爭(zhēng)結(jié)束后接收屏Re1上觀察到的光斑，分別為透射光斑(1)和遠(yuǎn)離入射光方向的前向散射光(右)，同時(shí)，在晶體的近90°方向上(Re2位置)觀察到的結(jié)果如圖5所示.

圖3 光爬行效應(yīng)實(shí)驗(yàn)光路圖

圖4 前向散射光實(shí)驗(yàn)圖

圖5 近90°散射光實(shí)驗(yàn)圖

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在進(jìn)行二波耦合實(shí)現(xiàn)光學(xué)圖像放大的實(shí)驗(yàn)中，合理地控制泵浦光和信號(hào)光的入射角度，可以使信號(hào)光的透射方向在泵浦光的左側(cè)散射區(qū)域，因此當(dāng)泵浦光完成競(jìng)爭(zhēng)之后，該區(qū)域內(nèi)的散射光基本被抑制，則保證信號(hào)光圖像不被噪聲淹沒(méi)，實(shí)現(xiàn)了降低噪聲的目的.

3 基于二波耦合的光學(xué)圖像放大實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上文的實(shí)驗(yàn)確定了二波耦合實(shí)現(xiàn)光學(xué)圖像放大的實(shí)驗(yàn)條件，結(jié)合經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)二波耦合光學(xué)圖像放大實(shí)驗(yàn)[21]，并且設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)條件分析對(duì)放大效果的影響.

3.1 光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上條件，使用實(shí)驗(yàn)室波長(zhǎng)為532 nm的激光器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)光路圖如圖6所示.

對(duì)圖6的實(shí)驗(yàn)光路進(jìn)行如下分析：從激光器LD(波長(zhǎng)532 nm,功率135 mW)輸出的光束經(jīng)半波片HWP改變偏振態(tài)為P態(tài)，隨后入射到偏振分光棱鏡PBS以保證透射光為P態(tài)，然后入射到分光棱鏡BS1上，將BS1的反射光作為泵浦光，透射光作為信號(hào)光. 信號(hào)光經(jīng)針孔濾波器SP(IS∶IP=1 000∶1)和透鏡L1擴(kuò)束、準(zhǔn)直為平面波，此時(shí)通過(guò)光闌H1和膠片O(輸入圖像)來(lái)控制光斑的大小以及加載圖像信息，信號(hào)光路中放置的偏振片P1和P2，前者為了控制信號(hào)光的光強(qiáng)大小，后者保證入射到晶體的光偏振態(tài)為P態(tài). 輸入圖像經(jīng)過(guò)透鏡L2聚焦后打在LiNbO3∶Fe晶體D-LN上并且與泵浦光完全重合；BS1的反射光(泵浦光)經(jīng)過(guò)反射鏡M1、衰減片PF、偏振片P3和光闌H2后照射到LiNbO3∶Fe晶體D-LN上，其中反射鏡M1用于調(diào)節(jié)泵浦光的入射角度，并使其與信號(hào)光完全重合，衰減片PF用于控制泵浦光的光強(qiáng)大小，偏振片P3用于控制泵浦光的偏振態(tài)為P態(tài). 最后，在離LiNbO3∶Fe晶體D-LN 1倍焦距的信號(hào)光光路中放置透鏡L3，通過(guò)CCD采集放大后的圖像信息.

圖6 光學(xué)圖像放大實(shí)驗(yàn)光路圖

3.2 實(shí)驗(yàn)中的注意事項(xiàng)

1)泵浦光和信號(hào)光偏振態(tài)須相同，同為P態(tài).

2)泵浦光與信號(hào)光在晶體表面完全重合，且保證信號(hào)光光斑在泵浦光光斑的正中心.

3)信號(hào)光的入射角度大于泵浦光的入射角度，且2束光的入射角度均大于20°，同時(shí)控制2束光的角度差在8°左右.

4)僅泵浦光照射晶體，使其在晶體內(nèi)產(chǎn)生前向散射光與爬行光的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程，當(dāng)爬行結(jié)束后再輻照信號(hào)光.

5)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)晶體內(nèi)的體相位柵進(jìn)行擦除，以阻止其對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響. 采用均勻紫外光輻射晶體的方式，擦除時(shí)間設(shè)置為24 h.

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)3.1和3.2所述的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)操作步驟構(gòu)建二波耦合實(shí)現(xiàn)光學(xué)圖像放大的實(shí)驗(yàn)光路，針對(duì)不同的入射角度、入射光強(qiáng)以及入射波長(zhǎng)，設(shè)置實(shí)驗(yàn)的初始條件見(jiàn)表2(D2為泵浦光光斑直徑). 根據(jù)表2中的4組實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行光學(xué)圖像放大實(shí)驗(yàn)，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7～10.

表2 光學(xué)圖像放大實(shí)驗(yàn)初始條件

(a)初始信號(hào)光圖像

(b)2 min時(shí)信號(hào)光圖像

(c)4 min時(shí)信號(hào)光圖像

(a)初始信號(hào)光圖像

(b)2 min時(shí)信號(hào)光圖像

(c)4 min時(shí)信號(hào)光圖像

(a)初始信號(hào)光圖像

(b)2 min時(shí)信號(hào)光圖像

(c)4 min時(shí)信號(hào)光圖像

(a)初始信號(hào)光圖像

(b)30 min時(shí)信號(hào)光圖像

(c)60 min時(shí)信號(hào)光圖像

3.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

為了更客觀地分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)4組數(shù)據(jù)進(jìn)行綠色(或紅色)分量提取、旋轉(zhuǎn)剪切、圖像尺寸、中值濾波等處理，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖與輸入圖像保持一致，然后分別計(jì)算其信噪比和平均放大倍數(shù)，具體數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的信噪比與放大倍數(shù)

注：Rs/n1和Rs/n2分別為輸入圖片與灰度處理和中值濾波后圖片的信噪比.

根據(jù)4組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1)當(dāng)入射角度不同時(shí)其放大效果不同，實(shí)驗(yàn)的最佳角度為32°～33°.

2)對(duì)于不同的泵浦光和信號(hào)光初始入射功率比，得到的放大效果也不相同，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證最佳的入射光強(qiáng)為信號(hào)光7.2 μW、泵浦光13.89 mW.

3)入射波長(zhǎng)不同時(shí)，其放大效果也不同. 實(shí)驗(yàn)中當(dāng)光源從波長(zhǎng)532 nm的綠光改為波長(zhǎng)671 nm的紅光后，其入射光的功率變大，光爬行效應(yīng)的時(shí)間變長(zhǎng)，而且二波耦合的實(shí)驗(yàn)周期也增加，這說(shuō)明輸入光的波長(zhǎng)對(duì)二波耦合效應(yīng)有較大影響.

綜上所述，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)初步實(shí)現(xiàn)了光學(xué)圖像放大，并且得到了最佳的實(shí)驗(yàn)條件.

4 結(jié) 論

通過(guò)入射光偏振態(tài)實(shí)驗(yàn)確定了基于二波耦合的光學(xué)圖像放大實(shí)驗(yàn)2束光的入射偏振態(tài)為P態(tài)，且利用泵浦光的爬行效應(yīng)降低信號(hào)光方向上的散射噪聲，從而實(shí)現(xiàn)了較為清晰的光學(xué)圖像放大效果. 同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比不同入射角度、入射光強(qiáng)比、入射波長(zhǎng)，分析各因素對(duì)二波耦合光學(xué)圖像放大的影響，得出了最佳的實(shí)驗(yàn)條件.

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Opticalimageamplificationbasedontwo-wavecoupling

ZHANG Li, TIAN Feng-chun, LUO Yu, HU You-wen, ZHANG Wen-li

(College of Communication Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Theoretical analysis indicated that the amplification process based on two-wave coupling did not affect the phase of the wave field. The optimal polarization state of incident beams was determined as P state by experiment. The light scattering noise induced by two-wave coupling in LiNbO3:Fe crystal was reduced through the light climbing effect. At the same time, the irradiation order was determined and the incident angle of the two incident beams was not less than 20°. What’s more, the experiment of optical image amplification was carried out according to classical two-wave coupling experiments. The optimal experiment condition was following. The wavelength of the incident green light was 532 nm, the incident angle was about 32°～33°, the power of the signal light was 7.2 μW, and the power of the pump light was 13.89 mW.

two-wave coupling; optical image amplification; light climbing effect; polarization state

O739;O437

A

1005-4642(2017)11-0001-06

2017-06-19；修改日期2017-08-14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.61071190)；重慶市基礎(chǔ)科學(xué)與前沿技術(shù)研究專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(No.cstc2015jcyjBX0042)

張 麗(1990-)，女，四川成都人，重慶大學(xué)通信工程學(xué)院2014級(jí)碩士研究生，研究方向?yàn)楣鈱W(xué)信息處理.

指導(dǎo)教師：田逢春(1963-)，男，重慶巴縣人，重慶大學(xué)通信工程學(xué)院教授，博士，研究方向?yàn)閳D像及生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理.

[責(zé)任編輯：任德香]