一种光学图像增强装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于准相位匹配的光参量图像增强装置，其中，信号光激光发射与接收模块（1），用于产生、发射信号光激光，并接收从成像目标（0）返回的图像信号；同步控制模块（2），用于控制泵浦激光模块（3）,使泵浦激光与所述图像信号同时经过信号光与泵浦光耦合模块（4），然后进入准相位匹配变频晶体及其调节模块（5）；准相位匹配变频晶体及其调节模块（5），用于使泵浦光与图像信号光发生准相位匹配，输出的图像为增强的信号光图像和/或新产生的共轭闲频光图像。本发明专利技术通过准相位匹配充分利用非线性介质的最大非线性系数的特点，显著提升光学图像的增益，有助于对微弱图像信号的探测。

【技术实现步骤摘要】
一种光学图像增强装置及方法
本专利技术涉及光学图像放大
，尤其涉及一种光学图像增强装置及方法。
技术介绍
光参量图像增强技术作为光参量放大(OpticalParametricAmplification,OPA)技术的一个重要应用方向，以其高的光学增益、高精度时间选通、可实现频率上转换等优点，在实验室生物、医学、化学分析与超快成像过程研究等方面已取得重要应用；同时在激光雷达、光学遥感、量子成像也具有重大应用价值。目前，光参量图像增强装置，均采用常规相位匹配技术实现信号光与泵浦光的相位匹配，而以临界相位匹配为代表的常规相位匹配技术，由于相位匹配条件必须要严格的角度或温度条件下达到，故不能应用到晶体二阶张量中的最大非线性系数。以KTP晶体为例，其二阶张量中最大非线性系数为d33，约16.0pm/V，而KTP在1064nm激光倍频中只能使用的有效非线性系数却仅有d24＝3.64pm/V和d15＝1.91pm/V，低的有效非线性系数等缺点，体现在光参量图像增强方面即是需要强的泵浦光强或更长的非线性晶体以得到高的图像增益。若在频率转换时能用到d33，转换效率可以有量级的提升。此外，现有相位匹配方案中无法避免双折射走离效应的影响，从而限制了非线性晶体长度与光学图像增强的空间均匀性。与此同时，由于接收角度带宽的限制，图像高频分量无法进行有效的增强，这样使常规相位匹配的分辨率较低，难以保证微弱图像信号增强之后的信噪比。准相位匹配(Quasi-Phasematch,QPM)技术早在1962年便已经由Armstrong和Bloembergen等提出，其利用周期性极化晶体提供适当的倒格矢补偿三波耦合过程中的相位失配量，使三波耦合转换效率得到大幅提升。由于当时工艺的限制，无法制备得到可用的晶体。20世纪90年代以来，随着材料科学与光学加工的不断进步，QPM技术开始在实验中得到应用。近年来，采用QPM技术实现三原色的激光，已经成为激光小型化与实用化的一个重要发展方向。但目前尚未有基于QPM的图像增强的报道。
技术实现思路
(一)技术问题本专利技术要解决的问题是光参量放大(OPA)的光学图像增强中的横向分辨率差、由于功率密度限制只能工作在皮秒以短的泵浦脉宽。(二)技术方案本专利技术提供一种光参量图像增强装置，该装置包括信号光激光发射与接收模块(1)、同步控制模块(2)、泵浦激光模块(3)、信号光与泵浦光耦合模块(4)、准相位匹配变频晶体及其调节模块(5)、图像信号选择模块(6)以及成像模块(7)，其中：信号光激光发射与接收模块(1)，用于产生、发射信号光激光，并接收从成像目标(0)返回的图像信号；同步控制模块(2)，用于控制泵浦激光模块(3),使泵浦激光与所述图像信号同时经过信号光与泵浦光耦合模块(4)，然后进入准相位匹配变频晶体及其调节模块(5)；准相位匹配变频晶体及其调节模块(5)，用于使泵浦光与图像信号光发生准相位匹配，实现信号光、泵浦光及与信号光频率相对应的共轭闲频光三者之间的能量耦合，经其输出的图像信号包括增强的信号光图像，以及在三波能量耦合过程中新产生的与信号光频率相对应的闲频光图像。可选的，该装置还包括:图像信号选择模块(6)，由依次设置的泵浦光与信号光分离耦合镜(600)成像镜组(601)和窄带滤波片(602)以及收集分离后的泵浦光的光束堆积器(603)组成,用于选择所述图像信号光或者闲频光，同时实现其与泵浦光的分离.成像模块(7)，由成像感光元件(700)、光电探测器以及图像重建装置组成，由自身时钟控制或由同步控制模块(2)触发，用于根据需要，对所选择的信号光或者闲频光进行成像。可选的，所述准相位匹配变频晶体及其调节模块(5)包括：周期性极化晶体(500)和温控元件(501)，所述周期性极化晶体(500)和温控元件(501)用于进行准相位匹配。可选的，所述准相位匹配变频晶体及调节模块(5)还包括：沿光学图像传播光路设置的成像调节元件(502)、水平与竖直位置调节元件(503)、晶体俯仰与摇摆角调节元件(504)。所述准相位匹配变频晶体及其调节模块(5)直接实现信号光的光参量放大，和/或利用光参量过程中产生与信号光共轭的闲频光实现信号光的频率上转换。可选的，所述的信号光激光发射与接收模块(1)包括：沿光路依次设置的信号光激光器(100),信号光发射元件(101)，信号光接收元件(102)。可选的，所述的泵浦激光模块(3)包括：泵浦光激光器(300),泵浦光整形元件(301)以及用于将泵浦光传输至准相位匹配变频晶体表面的泵浦光传输元件(302)。可选的，所述信号光激光器(100)与泵浦光激光器(300)是两台不同的激光器,或分别由同一台激光器的基频输出和其基频经非线性频率上转换得到的输出来提供，二者之间的电学时序同步控制由同步控制模块(2)来实现。可选的，所述同步控制模块(2)具体包括：电学延时装置(200)和/或光学延迟装置，其中电学延时装置(200)通过触发信号控制信号光激光器(100)与泵浦光激光器(300)的发射时间，使泵浦光发射的延迟时间与信号光发射与接收经历的时间相等，所述光学延迟装置具体包括反射元件(201)以及光学平移台(202)，用于实现信号光与泵浦光之间时间同步的微调。电学延迟装置与光学延迟装置可分别独立使用，也可联合使用。通过上述电学延迟装置(200)通过电学延迟方式使得信号光和泵浦光在时间上同步，而通过上述光学延迟装置控制信号光与泵浦光的光程，使得信号光和泵浦光在时间上同步，为了使得信号光与泵浦激光在时间上同步，可单独应用电学延迟装置(200)或光学延迟装置，也可联合使用电学延迟装置(200)和光学延迟装置。本专利技术还提供一种光参量图像增强方法，该方法包括：产生、发射信号光激光，并接收从成像目标(0)返回的图像信号，使图像信号成像到准相位匹配变频晶体上；控制发射泵浦激光，并使泵浦激光与所述图像信号同步到达准相位匹配变频晶体；调节晶体参数，使泵浦光与图像信号光通过准相位匹配实现能量的耦合，经准相位匹配后的图像信号包括增强的信号光图像，以及与信号光频率相对应的闲频光图像。(三)技术效果本专利技术通过准相位匹配充分利用非线性介质的最大非线性系数的特点，显著提升光学图像的增益，有助于对微弱图像信号的探测。附图说明图1为本专利技术提出的光参量图像增强装置的结构图；图2为本专利技术提出的一种光参量图像增强方法的流程图；图3为本专利技术提出的另一种光参量图像增强方法的流程图；图4为准相位匹配变频晶体及其调节模块(5)的结构图；图5为信号光激光发射与接收模块(1)的结构图；图6为本专利技术提出的一种用于泵浦光为355nm和信号光为532nm的准相位匹配的光学图像增强的装置；图7为本专利技术提出的一种用于泵浦光为355nm和信号光为1064nm的准相位匹配的光学图像增强的装置；图8为本专利技术提出的一种用于泵浦光为532nm和信号光为1550nm的准相位匹配的光学图像增强的装置。具体实施方式实施例1如图1所示，本专利技术提供一种光参量图像增强装置，该装置包括信号光激光发射模块(1a)与信号光激光接收模块(1b)，所述信号光激光发射模块(1a)与信号光激光接收模块(1b)组成信号光激光发射与接收模块(1)、同步控制模块(2)、泵浦激光模块(3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光参量图像增强装置，其特征在于，该装置包括信号光激光发射与接收模块（1）、同步控制模块（2）、泵浦激光模块（3）、信号光与泵浦光耦合模块（4）、准相位匹配变频晶体及其调节模块（5）、图像信号选择模块（6）以及成像模块（7），其中：信号光激光发射与接收模块（1），用于产生、发射信号光激光，并接收从成像目标（0）返回的图像信号；同步控制模块（2），用于控制泵浦激光模块（3）,使泵浦激光与所述图像信号同时经过信号光与泵浦光耦合模块（4），然后进入准相位匹配变频晶体及其调节模块（5）；准相位匹配变频晶体及其调节模块（5），用于使泵浦光与图像信号光发生准相位匹配，实现信号光、泵浦光及与信号光频率相对应的共轭闲频光三者之间的能量耦合，经其输出的图像信号包括增强的信号光图像，以及在三波能量耦合过程中新产生的与信号光频率相对应的闲频光图像。

【技术特征摘要】
1.一种光参量图像增强装置，其特征在于，该装置包括信号光激光发射与接收模块(1)、同步控制模块(2)、泵浦激光模块(3)、信号光与泵浦光耦合模块(4)、准相位匹配变频晶体及其调节模块(5)、图像信号选择模块(6)以及成像模块(7)，其中：信号光激光发射与接收模块(1)，用于产生、发射信号光激光，并接收从成像目标(0)返回的图像信号；同步控制模块(2)，用于控制泵浦激光模块(3),使泵浦激光与所述图像信号同时经过信号光与泵浦光耦合模块(4)，然后进入准相位匹配变频晶体及其调节模块(5)；准相位匹配变频晶体及其调节模块(5)，用于使泵浦光与图像信号光发生准相位匹配，实现信号光、泵浦光及与信号光频率相对应的共轭闲频光三者之间的能量耦合，经其输出的图像信号包括增强的信号光图像，以及在三波能量耦合过程中新产生的与信号光频率相对应的闲频光图像；图像信号选择模块(6)，由依次设置的泵浦光与信号光分离耦合镜(600)、成像镜组(601)、窄带滤波片(602)以及收集分离后的泵浦光的光束堆积器(603)组成,用于选择所述图像信号光或者闲频光，同时实现其与泵浦光的分离.成像模块(7)，由成像感光元件(700)、光电探测器以及图像重建装置组成，由自身时钟控制或由同步控制模块(2)触发，用于根据需要，对所选择的信号光或者闲频光进行成像。2.如权利要求1所述的光参量图像增强装置，其特征还在于：所述准相位匹配变频晶体及其调节模块(5)包括：周期性极化晶体(500)和温控元件(501)，所述周期性极化晶体(500)和温控元件(501)用于进行准相位匹配。3.如权利要求2所述的光参量图像增强装置，其特征还在于：所述准相位匹配变频晶体及调节模块(5)还包括：沿光学图像传播光路设置的成像调节元件(502)、水平与竖直位置调节元件(503)、晶体俯仰与摇摆角调节元件(504)。4.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晶，李小青，彭钦军，许祖彦，张景园，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11