一种基于双光子吸收的超快探测成像装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于双光子吸收的超快探测成像装置及方法，利用双光子吸收探测技术的特点，能够解决对于光源相干时间过短无法探测的问题，使用双光子吸收探测能够探测到真热光飞秒量级的涨落，同时结合空间光(振幅和位相)调制设备，利用DMD控制散斑的投射，实现对包含物体信息的光场的高阶关联函数的采样，具有开关速度快、高亮度、高对比度以及可靠性高等特点，使得光路简单，方便控制且高效；最后辅以相应的相位恢复算法实现对于复杂物体的快速且清晰的成像。能够有效的抵抗大气湍流、烟雾、浑浊液体等波动带来的波动，实现高质量的成像，因此本发明专利技术成像装置在遥感测绘、雷达等领域都将会有相当广泛地应用。

An ultra fast detection imaging device and method based on two-photon absorption

The invention discloses an ultra fast detection imaging device and method based on two-photon absorption. By using the characteristics of two-photon absorption detection technology, it can solve the problem that the coherent time of the light source is too short to be detected. By using two-photon absorption detection, it can detect the fluctuation of the femtosecond level of the true hot light. At the same time, combined with the spatial light (amplitude and phase) modulation device, DMD is used to control the speckle Projection, to realize the sampling of high-order correlation function of light field containing object information, has the characteristics of fast switching speed, high brightness, high contrast and high reliability, which makes the optical path simple, convenient to control and efficient; finally, it is supplemented by the corresponding phase recovery algorithm to achieve fast and clear imaging of complex objects. It can effectively resist the fluctuation caused by atmospheric turbulence, smoke, turbid liquid and other fluctuations, and realize high-quality imaging. Therefore, the imaging device of the invention will be widely used in remote sensing mapping, radar and other fields.

【技术实现步骤摘要】
一种基于双光子吸收的超快探测成像装置及方法
本专利技术属于光学成像与半导体材料应用的交叉领域，特别涉及到一种基于双光子吸收的超快探测成像装置及方法。
技术介绍
自从1956年HanburyBrown和Twiss发现了双光子聚束效应后，HBT实验被进行了广泛的研究，这对整个量子光学的发展起到了重大的作用。在量子成像的发展过程中，赝热光源被广泛的使用，它是用一束激光打在旋转的毛玻璃后产生的赝热光源模拟热光的特性，其相干时间的长短可以通过控制毛玻璃的转速来控制。然而我们在实际的实验中，或者推广到工程应用里面，很多光源的聚束效应并不能被直接获得，原因就是因为探测器的响应速度跟不上。我们知道很多光源，比如最容易获得的日光，或者卤素灯、LED光源等，它们的相干时间尺度在皮秒乃至飞秒量级，这大大超出了一般探测器的探测响应速度，使之无法分辨出光强涨落的细节，更无法探测到聚束效应，如果想要实现真热光的成像，那就更加困难了。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种基于双光子吸收的超快探测成像装置及方法，能够探测到真热光飞秒量级的涨落。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于双光子吸收的超快探测成像装置，包括设置在待测物体一侧的真热光源，以及在待测物体另一侧依次设置的空间光调制设备、带通滤波片和双光子吸收探测器，空间光调制设备和双光子吸收探测器连接用于进行仿真编码控制以及进行数据处理恢复图像的计算机。进一步的：空间光调制设备为空间光调制器或者数字微镜阵列。进一步的：空间光调制设备上加载有散斑。一种基于双光子吸收的超快探测成像方法，包括以下步骤：首先真热光打在待测物体上形成携带待测物体信息的光，携带待测物体信息的光投射到空间光调制设备上，经过反射，携带待测物体信息的光通过带通滤波片由双光子吸收探测器接收后传输至计算机，最后计算机对双光子吸收探测器传输过来的信号进行数据处理恢复图像，完成基于双光子吸收的超快探测成像。进一步的：真热光打在待测物体上，包含待测物体信息的干涉-衍射图样存在于远场的热光场的高阶关联函数之中，携带待测物体信息的光投射到编码的空间光调制设备上，在空间光调制设备表面的光场分布函数表示为：其中，E0表示的是真热光光场分布，其中x1和x0分别为空间光调制设备和真热光处的横向坐标位置，λ为真热光的波长，z表示的是真热光在自由空间中传播的距离；则在空间光调制设备上，光场的一阶关联函数能够表示为：其中，<…>表示的是系综平均，σ(x)表示的是热光场的狄拉克函数，表示的是物体透过率函数T(x)的傅里叶变换，当其中x1≠x1'时，这里的一阶关联函数将随着空间变化，能够体现出待测物体的空间分布信息。进一步的：空间光调制设备为数字微镜阵列，对数字微镜阵列进行编码，根据窗口总的像素点数目将窗口均等划分为若干段，标记为a1,a2,a3......an，每次都要将中间的a(1+n)/2通道打开，然后再依次通过计算机控制数字微镜阵列从a1通道到an通道的开合，从而使两束反射光携带不同分布特性的光斑I0(x0)和I0(x1)反射出去，依次进行数据的采集。进一步的：经过数字微镜阵列反射的光入射进高通滤波片，滤除能够导致双光子吸收探测器产生单光子探测的波段的光。进一步的：经过高通滤波片的光最后触发双光子吸收探测器，其热光的二阶关联函数表示为：其中是热光的一阶关联函数；令x1＝0，将公式(3)表示为公式(4)中第一项为背景项，第二项是关联项，其中sinc(x)＝sin(x)/x，它表示的是物体透过率函数T(x)的傅里叶变化，包含了物体的干涉衍射图样信息；将采集的数据，经过双光子探测符合系统后，经过关联运算归一化处理后得到：将采集的n次数据g(2)1(x,y),g(2)2(x,y)......,g(2)n(x,y)经过处理，通过图像恢复算法重构得到基于不同散斑场下的物体图像，恢复出待测物体图像。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术提出一种基于双光子吸收的超快探测成像装置，通过双光子吸收探测器，充分利用半导体材料里面双光子吸收这一个非线性过程，当频率满足能级跃迁过程时，光子会被吸收，其吸收速率使得双光子吸收探测能够在飞秒量级内捕获信号，从而实现对于真热光聚束效应的测量。解决现在对于真热光涨落过快，很难探测到真热光场二阶关联函数以及无法使用真热光光源进行抗扰动探测成像的问题。本专利技术提出一种基于双光子吸收的超快探测成像方法，充分利用双光子吸收探测技术的特点，能够解决对于光源相干时间过短无法探测的问题，使用双光子吸收探测能够探测到真热光飞秒量级的涨落；同时结合空间光(振幅和位相)调制设备，利用DMD控制散斑的投射，实现对包含物体信息的光场的高阶关联函数的采样，具有开关速度快、高亮度、高对比度以及可靠性高等特点，使得光路简单，方便控制且高效；最后辅以相应的相位恢复算法实现对于复杂物体的快速且清晰的成像。由于本专利技术只需要探测到光的强度信息，能够有效的抵抗大气湍流、烟雾、浑浊液体等波动带来的波动，实现高质量的成像，因此本专利技术也可以有效地抵抗大气湍流等波动带来的干扰。解决对于热光涨落过快无法探测的问题，因此本专利技术成像装置在遥感测绘、雷达等领域都将会有相当广泛地应用。附图说明图1是本专利技术基于双光子吸收的超快探测成像装置的结构框图。图中：1-真热光源，2-待测物体，3-空间光调制设备，4-带通滤波片，5-双光子吸收探测器，6-计算机。图2是数字微镜阵列(DMD)的编码图。图中：a1-通道1，a2-通道2，a3-通道3，……，a11-通道11。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术为了解决由于自然热光场强度涨落过快(10-15秒量级)，使用现有的技术手段无法探测存在于该光场中高阶关联函数中关于目标的信息，以及无法使用热光光源进行抗扰动探测成像的问题，提出了一种基于双光子吸收的超快探测成像装置及方法。参见图1，本专利技术装置包括真热光源1，待测物体2，空间光调制设备3，带通滤波片4，双光子吸收探测器5，计算机6。待测物体2，空间光调制设备3，带通滤波片4，双光子吸收探测器5依次设置在真热光源1后面。其中计算机6与空间光调制设备3和双光子吸收探测器5相连。真热光打在一个待测物体上，根据范西特-泽尼克定理(TheVanCittert-ZernikeTheorem)，包含物体信息的干涉-衍射图样存在于远场的热光场的高阶关联函数之中，然后携带物体信息的光投射到编码的DMD上，经过反射，光通过一个带通滤波片由双光子吸收探测器接收，最后计算机进行数据处理恢复图像。空间光调制设备3采用反射型空间光调制器(SLM)或者数字微镜阵列(DigitalMirrorDevice,DMD)，通过编码在空间光调制设备上加载不同分布的散斑，从而使反射光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双光子吸收的超快探测成像装置，其特征在于：包括设置在待测物体(2)一侧的真热光源(1)，以及在待测物体(2)另一侧依次设置的空间光调制设备(3)、带通滤波片(4)和双光子吸收探测器(5)，空间光调制设备(3)和双光子吸收探测器(5)连接用于进行仿真编码控制以及进行数据处理恢复图像的计算机(6)。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于双光子吸收的超快探测成像装置，其特征在于：包括设置在待测物体(2)一侧的真热光源(1)，以及在待测物体(2)另一侧依次设置的空间光调制设备(3)、带通滤波片(4)和双光子吸收探测器(5)，空间光调制设备(3)和双光子吸收探测器(5)连接用于进行仿真编码控制以及进行数据处理恢复图像的计算机(6)。


2.根据权利要求1所述的一种基于双光子吸收的超快探测成像装置，其特征在于：空间光调制设备(3)为空间光调制器或者数字微镜阵列。


3.根据权利要求1所述的一种基于双光子吸收的超快探测成像装置，其特征在于：空间光调制设备(3)上加载有散斑。


4.一种基于双光子吸收的超快探测成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
首先真热光打在待测物体(2)上形成携带待测物体信息的光，携带待测物体信息的光投射到空间光调制设备(3)上，经过反射，携带待测物体信息的光通过带通滤波片(4)由双光子吸收探测器(5)接收后传输至计算机(6)，最后计算机(6)对双光子吸收探测器(5)传输过来的信号进行数据处理恢复图像，完成基于双光子吸收的超快探测成像。


5.根据权利要求4所述的一种基于双光子吸收的超快探测成像方法，其特征在于：真热光打在待测物体(2)上，包含待测物体信息的干涉-衍射图样存在于远场的热光场的高阶关联函数之中，携带待测物体信息的光投射到编码的空间光调制设备(3)上，在空间光调制设备(3)表面的光场分布函数表示为：



其中，E0表示的是真热光光场分布，其中x1和x0分别为空间光调制设备(3)和真热光处的横向坐标位置，λ为真热光的波长，z表示的是真热光在自由空间中传播的距离；
则在空间光调制设备(3)上，光场的一阶关联函数能够表示为：



其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：周宇，罗胜，刘建彬，郑淮斌，徐卓，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61