一种基于飞秒单脉冲干涉的瞬时二维光声波测量方法技术

本发明专利技术属于光学测量领域，公开一种基于飞秒单脉冲干涉的瞬时二维光声波测量方法，1）构建超快成像系统，实现锁模飞秒激光器、声光脉冲选择器、泵浦脉冲、探测脉冲和相机帧速率的同步；其特征在于，2）飞秒脉冲降频后功率放大，高重复频率的锁模飞秒激光进行降频，降频后的飞秒脉冲进行功率放大；3）光声波诱导产生模块形成光声波并滤除光背景噪声；4）采用马赫曾德尔干涉法实现参考光和测量光干涉，参考光进行高频调制，提高干涉条纹信噪比；5）在单次相机曝光时间内采集单脉冲干涉图像，利用傅里叶变换相位重构算法完成瞬时二维光声波测量。利用相机曝光与超短脉冲的时间同步，实验获得了亚皮秒量级时间分辨率的超快成像。

An Instantaneous Two-Dimensional Photoacoustic Wave Measurement Method Based on Femtosecond Monopulse Interference

【技术实现步骤摘要】
一种基于飞秒单脉冲干涉的瞬时二维光声波测量方法
本专利技术属于光学测量领域，尤其涉及一种基于飞秒单脉冲干涉的瞬时二维光声波测量方法。
技术介绍
超快激光诱导光声成像可以用于材料的非线性吸收和折射特性研究，生物物体的光谱成像和亚表面微电子损伤的无创检测，光声波通常在微小区域以声速快速传播，因此，高横向分辨率的大视场的光声波瞬时观测是一项极具挑战性的任务，迄今为止，由于缺乏高速二维传感器，光声波的表征一般是采用时空分辨率有限的一维压电或激光振动传感器。基于脉冲光反射或透射光的高速相机成像可以用来观察快速的物理现象，超短脉冲激光器的最新应用使人们观测到皮秒级甚至更快的超快光学成像，特别是通过泵浦-探测实验可以实现光子-物质相互作用观测。然而，目前可用的高速二维相机还不足以进行皮秒级泵探头成像，因此往往使用一维光电探测器，最先进的光电探测器响应时间已达到几皮秒。要实现超高时间分辨率二维测量，可以通过在网格布局中部署多个光电探测器或在目标区域上按顺序扫描单个光电探测器来扩展一维探测到二维成像，但其可实现的视场不大，且成像横向分辨率较低。同时，由于相机曝光时间的光背景噪声，基于短脉冲泵浦-探测成像的对比度较低，限制了超快动力学的成像质量，无法实现定量分析。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决这一问题，基于飞秒脉冲超快时域特性，提供一种基于飞秒单脉冲干涉的瞬时二维光声波测量方法，单脉冲干涉方案的时间分辨率可以达到250fs,相机每次曝光时间内只捕获一次单脉冲干涉条纹图像，同时利用二次谐波效应滤除光放大自发辐射背景噪声，电光相位调制提高条纹信噪比，利用傅里叶变换相位重构算法实现瞬时二维光声波的定量测量。为实现上述专利技术目的，本专利技术的技术方案是：一种基于飞秒单脉冲干涉的瞬时二维光声波测量方法，包括如下步骤，1)构建飞秒激光单脉冲干涉超快成像系统，实现锁模飞秒激光器、声光脉冲选择器、泵浦脉冲、探测脉冲和相机帧速率的同步；其特征在于，2)飞秒脉冲降频后功率放大，高重复频率的锁模飞秒激光进行降频，并对降频后的飞秒脉冲进行功率放大；3)光声波诱导产生模块形成光声波，利用非线性晶体滤除探测光光背景噪声；4)采用马赫曾德尔干涉法实现参考光和测量光的干涉，利用电光调制器对参考光进行高频调制，提高干涉条纹信噪比；5)瞬时二维光声波测量,在单次相机曝光时间内只捕获单脉冲干涉图像，利用傅里叶变换相位重构算法完成瞬时二维光声波测量。优选地，5)相机采集到的单脉冲干涉图像包含光声波的相位信息。优选地，所述飞秒单脉冲干涉瞬时二维光声波测量装置，包括锁模激光器降频放大模块1、光声波诱导产生模块26和单脉冲马赫曾德尔干涉模块27，从所述锁模激光器降频放大模块输出的飞秒脉冲经过降频放大后分为泵浦光和探测光，泵浦光入射光声波诱导产生模块光声波，利用非线性晶体的二次谐波效应，滤除探测光光背景噪声后通过光学延时，入射单脉冲马赫曾德尔干涉模块27。优选地，所述锁模激光器降频放大模块1，包括掺镱飞秒锁模激光器2、声光脉冲选择器3、掺镱激光放大器4、铷原子钟6和任意波形发生器5，所述铷原子钟6输出正弦信号分别作为掺镱飞秒锁模激光器2和任意波形发生器5的参考频率，所述掺镱飞秒锁模激光器2输出飞秒激光种子光源，通过光声脉冲选择器3，任意波形发生器5输出驱动信号7和相机触发信号8，驱动信号7控制声光脉冲选择器3的工作时间窗口，进行脉冲选择，利用掺镱激光放大器4对降频后的飞秒脉冲进行功率放大；同步锁模飞秒激光器重复频率、声光脉冲选择器、泵浦脉冲、探测脉冲和相机帧速率。优选地，光声波诱导产生模块26，包括分束棱镜9、泵浦光10和显微物镜11、二向色镜12，放大后的脉冲光被分束棱镜9分为两束，分别作为泵浦光10和探测光14，泵浦光通过由显微物镜11聚焦、通过二向色镜12入射丙酮溶液15产生光声波。优选地，单脉冲马赫曾德尔干涉模块，包括偏硼酸钡非线性晶体13、延时光路16、带通光滤波器18、分光棱镜一19、分光棱镜二23、反射镜21、电光调制器20、丙酮溶液22、显微物镜24和CMOS相机25，探测光经过偏硼酸钡非线性晶体13滤除光背景噪声后，通过延时光路16反射到反射镜17，经带通光滤波器18滤波被分光棱镜一19分成参考光和测量光，参考光经过电光调制器20进行调制提高干涉条纹信噪比后被反射镜21反射，依次通过无泵浦光诱导的丙酮溶液22、分光棱镜二23反射和显微物镜24后，入射CMOS相机25；利用带通光滤波器选取可见光波段激光，CMOS相机的单次曝光时间内只捕获单个脉冲的干涉图像。与现有技术相比较，本专利技术的有益效果是：本专利技术该方法首次利用普通相机实现了瞬时二维光声波测量。超快单脉冲干涉仪是高对比度、超快二维光学成像的有效工具。利用相机每次曝光时间(1ms)与超短脉冲(0.25ps)的时间同步，实验获得了亚皮秒量级时间分辨率的超快成像。与现有脉冲成像相比，非线性二次谐波滤波有效地抑制了脉冲中的放大自发辐射，提高了干涉条纹信噪比。通过泵浦探测实验定量测量了60.8MHz光声波在液体中传播，验证了二维超高速干涉成像能力，该方法在丙酮溶液中验证了测量结果的可行性。有望为不同的光子物质相互作用提供一种经济有效的新型超快成像方法。附图说明此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本专利技术的实施例，并与说明书一起用于解释本专利技术的原理。图1为本专利技术基于飞秒单脉冲干涉的瞬时二维光声波测量方法的结构图。图2为本专利技术基于飞秒单脉冲干涉的瞬时二维光声波测量方法的有背景噪声干涉图。图3为本专利技术基于飞秒单脉冲干涉的瞬时二维光声波测量方法的无背景噪声干涉图。图4为本专利技术基于飞秒单脉冲干涉的瞬时二维光声波测量方法的激光诱导光声波无背景噪声干涉图。图5为本专利技术基于飞秒单脉冲干涉的瞬时二维光声波测量方法的10ns延时相位重构图。图6为本专利技术基于飞秒单脉冲干涉的瞬时二维光声波测量方法的30ns延时相位重构图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。如图1-6所示，一种基于飞秒单脉冲干涉的瞬时二维光声波测量方法，包括如下步骤，1)构建飞秒激光单脉冲干涉超快成像系统，降低飞秒脉冲的重复频率，实现锁模飞秒激光器、声光脉冲选择器、泵浦脉冲、探测脉冲和相机帧速率的同步；2)使用声光脉冲选择器对高重复频率的锁模飞秒激光进行降频，并利用掺镱激光放大器对降频后的飞秒脉冲进行功率放大；3)高功率飞秒脉冲分成两束，分别作为泵浦光和探测光，泵浦光入射液体样品，光声波诱导产生模块形成光声波，利用非线性晶体的二次谐波效应滤除探测光光背景噪声；4)采用马赫曾德尔干涉法实现参考光和测量光的干涉，利用电光调制器对参考光进行高频调制，提高干涉条纹信噪比；5)瞬时二维光声波测量,采用铷原子钟同步锁模飞秒激光器重复频率、声光脉冲选择器驱动信号和相机帧速率，采用光路延时同步泵浦光和探测光的飞行时间，在单次相机曝光时间内采集捕获单脉冲的干涉图像，利用傅里叶变换相位重构算法实现瞬时二维光声波测量。优选地，5)相机采集到的单脉冲干涉图像包含光声波的相位信息。利用傅里叶变换相位重构算法对光声波进行重构，实现每幅干涉图的瞬时二维光声波测量，具体算法为：二维平面内点(x,y)的干涉强度可以表示为I(x,y)＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于飞秒单脉冲干涉的瞬时二维光声波测量方法，包括如下步骤，1）构建飞秒激光单脉冲干涉超快成像系统，实现锁模飞秒激光器、声光脉冲选择器、泵浦脉冲、探测脉冲和相机帧速率的同步；其特征在于，2）飞秒脉冲降频后功率放大，高重复频率的锁模飞秒激光进行降频，降频后的飞秒脉冲进行功率放大；3）光声波诱导产生模块形成光声波，利用非线性晶体滤除探测光光背景噪声；4）采用马赫曾德尔干涉法实现参考光和测量光的干涉，利用电光调制器对参考光进行高频调制，提高干涉条纹信噪比；5）在单次相机曝光时间内采集单脉冲干涉图像，利用傅里叶变换相位重构算法完成瞬时二维光声波测量。

【技术特征摘要】
1.一种基于飞秒单脉冲干涉的瞬时二维光声波测量方法，包括如下步骤，1）构建飞秒激光单脉冲干涉超快成像系统，实现锁模飞秒激光器、声光脉冲选择器、泵浦脉冲、探测脉冲和相机帧速率的同步；其特征在于，2）飞秒脉冲降频后功率放大，高重复频率的锁模飞秒激光进行降频，降频后的飞秒脉冲进行功率放大；3）光声波诱导产生模块形成光声波，利用非线性晶体滤除探测光光背景噪声；4）采用马赫曾德尔干涉法实现参考光和测量光的干涉，利用电光调制器对参考光进行高频调制，提高干涉条纹信噪比；5）在单次相机曝光时间内采集单脉冲干涉图像，利用傅里叶变换相位重构算法完成瞬时二维光声波测量。2.根据权利要求1所述基于飞秒单脉冲干涉的瞬时二维光声波测量方法，其特征在于：5）相机采集到的单脉冲干涉图像包含光声波的相位信息。3.根据权利要求1所述基于飞秒单脉冲干涉的瞬时二维光声波测量方法，其特征在于：所述飞秒单脉冲干涉瞬时二维光声波测量装置，包括锁模激光器降频放大模块（1）、光声波诱导产生模块（26）和单脉冲马赫曾德尔干涉模块（27），从所述锁模飞秒激光器降频放大模块输出的种子飞秒脉冲经过降频放大后分为泵浦光和探测光，泵浦光入射光声波诱导产生模块（26）形成光声波；利用非线性晶体的二次谐波效应，滤除探测光光背景噪声后通过光学延时，入射单脉冲马赫曾德尔干涉模块（27）。4.根据权利要求3所述基于飞秒单脉冲干涉的瞬时二维光声波测量方法，其特征在于：所述锁模激光器降频放大模块（1），包括掺镱飞秒锁模激光器（2）、声光脉冲选择器（3）、掺镱激光放大器（4）、铷原子钟（6）和任意波形发生器（5）和相机触发信号（8），所述铷原...

【专利技术属性】
技术研发人员：王婧，于连栋，陆洋，赵会宁，蒲松，孙雄鑫，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34