基于二波耦合的光学图像放大

张 丽，田逢春，罗 宇，胡又文，张文理

(重庆大学 通信工程学院，重庆 400044)

近代与综合实验

基于二波耦合的光学图像放大

张 丽，田逢春，罗 宇，胡又文，张文理

(重庆大学 通信工程学院，重庆 400044)

理论分析表明二波耦合效应在扩散机制下可实现光强的放大而不影响相位. 通过偏振态实验确定二波耦合光学图像放大的入射光最佳偏振态为P态，利用光爬行效应减小掺铁铌酸锂晶体进行二波耦合实验所引入的光散射噪声，并确定入射光辐照顺序以及入射光角度不小于20°. 根据经典的二波耦合实验方案实现了光学图像放大实验，最佳的实验条件为：入射绿光波长532 nm,入射角度32°～33°，入射信号光光强7.2 μW，泵浦光光强13.89 mW.

二波耦合；光学图像放大；光爬行效应；偏振态

1966年Bell实验室做LiNbO3晶体的激光倍频实验时首次发现非线性晶体的光折变效应. 受限于光学技术的发展，直到1979年Kuktharev等人才提出描述光折变效应理论基础的带输运模型，从而促使了光折变技术的飞速发展. 非线性晶体的光折变二波耦合效应应用非常广泛，如相干光放大[1-3]、实时全息存储[4-6]、图像处理[7]、光计算[8-9]、相位共轭器[10-11]、空间光调制器[12]等. 其中与染料激光放大、光参量放大和振幅调制光放大相比，二波耦合光放大具有增益大、稳定性高、噪声小、均匀性好等特点，近些年来在光学信息处理中得到了广泛应用. 国内外学者对光折变二波耦合实现低噪声、高增益光学图像放大进行了深入的研究，主要使用的光折变材料是钛酸钡(BaTiO3)[13]、钛酸铋(BTO)[14]和铌酸锶钡(SBN)[15]，而使用掺铁铌酸锂(LiNbO3∶Fe)实现低噪声、高增益二波耦合光放大的研究相对较少，其原因是LiNbO3∶Fe晶体存在着很强的散射噪声，会严重影响放大图像的质量，因此本文利用光爬行效应减小散射噪声以提高放大图像的质量[16]. 本文给出了LiNbO3∶Fe晶体实现二波耦合光学图像放大的实验条件，并对比不同的入射角度、入射光强比、入射波长条件下的实验结果，分析影响实验效果的因素.

1 二波耦合光放大理论

两入射光在光折变晶体内耦合形成干涉条纹，在干涉相长处产生光激发载流子，载流子的迁移、扩散将引起空间电荷场的变化，进而由电光效应引起折射率的空间调制，即写入体相位栅[6]. 体相位栅与干涉条纹之间存在着空间相移φ，如图1所示，该相移的大小取决于载流子的迁移机制，当其工作于扩散机制时，空间相移φ=π/2，当其工作于漂移机制时，空间相移φ=0.

图1 二波耦合示意图

本文采用的二波耦合光放大是同侧入射，其光强耦合方程为

(1)

(2)

(3)

其中，I1与I2分别为信号光与泵浦光的光强，α为晶体的吸收系数，n1为由Pockels效应引起的折射率变化，θ为布拉格角，λ为波长，γ′为光强耦合系数. 从式(1)～(3)可看出，2束入射光之间实现能量的转移依赖于光强耦合系数γ′，当光激发载流子的迁移机制为扩散作用时，体相位栅与干涉条纹间的空间相移φ=π/2，此时光强耦合系数最大，即2束入射光可实现最大的能量转移[17].

2束入射光的相位耦合方程为

(4)

(5)

(6)

其中，β为相位耦合系数. 由此可以看出，当体相位栅与干涉条纹的空间相移φ=π/2时，光强耦合达到最大，且相位耦合系数β=0，即在实现信号光放大的同时相位不发生变化.

2 二波耦合实验条件

2.1 入射光偏振态

根据二波耦合理论分析可知，2束入射光须是同偏振态，因此需要确定2束入射光的偏振态[18]. 下面将分析2种情况下的二波耦合效应：一是2束入射光的偏振态同为S态；二是2束入射光的偏振态同为P态.

具体实验参量如表1所示，表中实验结果如图2所示，其中d为晶体的厚度.

由实验结果可以看出，2束入射光的偏振态为P态时，二波耦合的响应时间较S态时明显缩短，因此为了实验顺利进行，采用2束入射光为P态的方式进行二波耦合光学图像放大实验.

表1 二波耦合偏振态实验参量

(a)S态

(b)P态

2.2 光爬行效应

使用LiNbO3∶Fe晶体进行二波耦合实验，泵浦光的前向散射光很严重，会影响图像放大的质量，因此利用光爬行效应减小散射光以保证放大图像的质量. 该方法主要是利用LiNbO3∶Fe晶体的厚度[19]和入射光斑的尺寸[20]实现前向散射光与爬行光之间的有效竞争，当入射角度足够大时，前向散射光会完全被抑制，能量全部转移到爬行光，此时实现了噪声的抑制[16].

根据以上分析，设计的光爬行效应实验光路如图3所示. 从35 mW的He-Ne激光器LD出射的光束(P偏振态)经反射镜M反射后，由透镜L将激光束进行聚焦，其焦点在LiNbO3∶Fe晶体D-LN表面，然后在晶体后面接收屏Re1上观察透射光束(前向散射光)的变化情况，接收屏Re2上观察晶体的近90°散射光. 实验中入射光爬行的过程中先向两侧逐渐散射，然后集中到右侧散射，而左侧的散射光逐渐减弱直至基本被抑制. 图4为竞争结束后接收屏Re1上观察到的光斑，分别为透射光斑(1)和远离入射光方向的前向散射光(右)，同时，在晶体的近90°方向上(Re2位置)观察到的结果如图5所示.

图3 光爬行效应实验光路图

图4 前向散射光实验图

图5 近90°散射光实验图

由上述实验结果可知，在进行二波耦合实现光学图像放大的实验中，合理地控制泵浦光和信号光的入射角度，可以使信号光的透射方向在泵浦光的左侧散射区域，因此当泵浦光完成竞争之后，该区域内的散射光基本被抑制，则保证信号光图像不被噪声淹没，实现了降低噪声的目的.

3 基于二波耦合的光学图像放大实验

根据上文的实验确定了二波耦合实现光学图像放大的实验条件，结合经典的实验方案设计二波耦合光学图像放大实验[21]，并且设置不同的实验条件分析对放大效果的影响.

3.1 光学实验平台设计

根据以上条件，使用实验室波长为532 nm的激光器设计实验光路图如图6所示.

对图6的实验光路进行如下分析：从激光器LD(波长532 nm,功率135 mW)输出的光束经半波片HWP改变偏振态为P态，随后入射到偏振分光棱镜PBS以保证透射光为P态，然后入射到分光棱镜BS1上，将BS1的反射光作为泵浦光，透射光作为信号光. 信号光经针孔滤波器SP(IS∶IP=1 000∶1)和透镜L1扩束、准直为平面波，此时通过光阑H1和胶片O(输入图像)来控制光斑的大小以及加载图像信息，信号光路中放置的偏振片P1和P2，前者为了控制信号光的光强大小，后者保证入射到晶体的光偏振态为P态. 输入图像经过透镜L2聚焦后打在LiNbO3∶Fe晶体D-LN上并且与泵浦光完全重合；BS1的反射光(泵浦光)经过反射镜M1、衰减片PF、偏振片P3和光阑H2后照射到LiNbO3∶Fe晶体D-LN上，其中反射镜M1用于调节泵浦光的入射角度，并使其与信号光完全重合，衰减片PF用于控制泵浦光的光强大小，偏振片P3用于控制泵浦光的偏振态为P态. 最后，在离LiNbO3∶Fe晶体D-LN 1倍焦距的信号光光路中放置透镜L3，通过CCD采集放大后的图像信息.

图6 光学图像放大实验光路图

3.2 实验中的注意事项

1)泵浦光和信号光偏振态须相同，同为P态.

2)泵浦光与信号光在晶体表面完全重合，且保证信号光光斑在泵浦光光斑的正中心.

3)信号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°，同时控制2束光的角度差在8°左右.

4)仅泵浦光照射晶体，使其在晶体内产生前向散射光与爬行光的竞争过程，当爬行结束后再辐照信号光.

5)实验结束后，对晶体内的体相位栅进行擦除，以阻止其对后续实验结果的影响. 采用均匀紫外光辐射晶体的方式，擦除时间设置为24 h.

3.3 实验结果

根据3.1和3.2所述的实验平台和实验操作步骤构建二波耦合实现光学图像放大的实验光路，针对不同的入射角度、入射光强以及入射波长，设置实验的初始条件见表2(D2为泵浦光光斑直径). 根据表2中的4组实验条件进行光学图像放大实验，得到的实验结果见图7～10.

表2 光学图像放大实验初始条件

(a)初始信号光图像

(b)2 min时信号光图像

(c)4 min时信号光图像

(a)初始信号光图像

(b)2 min时信号光图像

(c)4 min时信号光图像

(a)初始信号光图像

(b)2 min时信号光图像

(c)4 min时信号光图像

(a)初始信号光图像

(b)30 min时信号光图像

(c)60 min时信号光图像

3.4 实验数据处理与分析

为了更客观地分析上述实验结果，对4组数据进行绿色(或红色)分量提取、旋转剪切、图像尺寸、中值滤波等处理，使得实验结果图与输入图像保持一致，然后分别计算其信噪比和平均放大倍数，具体数据如表3所示.

表3 各组实验数据的信噪比与放大倍数

注：Rs/n1和Rs/n2分别为输入图片与灰度处理和中值滤波后图片的信噪比.

根据4组实验结果可以得出以下结论：

1)当入射角度不同时其放大效果不同，实验的最佳角度为32°～33°.

2)对于不同的泵浦光和信号光初始入射功率比，得到的放大效果也不相同，经实验验证最佳的入射光强为信号光7.2 μW、泵浦光13.89 mW.

3)入射波长不同时，其放大效果也不同. 实验中当光源从波长532 nm的绿光改为波长671 nm的红光后，其入射光的功率变大，光爬行效应的时间变长，而且二波耦合的实验周期也增加，这说明输入光的波长对二波耦合效应有较大影响.

综上所述，本实验平台初步实现了光学图像放大，并且得到了最佳的实验条件.

4 结 论

通过入射光偏振态实验确定了基于二波耦合的光学图像放大实验2束光的入射偏振态为P态，且利用泵浦光的爬行效应降低信号光方向上的散射噪声，从而实现了较为清晰的光学图像放大效果. 同时，通过实验对比不同入射角度、入射光强比、入射波长，分析各因素对二波耦合光学图像放大的影响，得出了最佳的实验条件.

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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

国家自然科学基金项目(No.61071190)；重庆市基础科学与前沿技术研究专项项目(No.cstc2015jcyjBX0042)

张 丽(1990-)，女，四川成都人，重庆大学通信工程学院2014级硕士研究生，研究方向为光学信息处理.

指导教师：田逢春(1963-)，男，重庆巴县人，重庆大学通信工程学院教授，博士，研究方向为图像及生物医学信号处理.

[责任编辑：任德香]