一种弱相位物体飞秒级时间分辨成像装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种弱相位物体飞秒级时间分辨成像装置，包括探测单元和泵浦单元；飞秒激光光源发射光经过分束镜后，透射光作为探测光进入探测单元，反射光作为泵浦光进入泵浦单元；探测单元包括扩束系统、小孔、4f系统、涡旋滤波器和CCD探测器；探测光经过扩束系统得到光强分布均匀的扩束光束后经过小孔，再进入4f系统，4f系统的焦平面放置调制频谱信息的涡旋滤波器，4f系统出射光最后到达CCD探测器成像，弱相位物体置于入射小孔的扩束光束中；泵浦单元中飞秒级延时装置控制调整泵浦光路与探测光路之间的光程。装置应用于探测生物领域中的弱相位物体；实现弱相位物体在暗背景中的高对比度成像以及超快动态过程的成像探测。高对比度成像以及超快动态过程的成像探测。高对比度成像以及超快动态过程的成像探测。

【技术实现步骤摘要】
一种弱相位物体飞秒级时间分辨成像装置


[0001]本技术涉及一种成像技术，特别涉及一种弱相位物体飞秒级时间分辨成像装置。

技术介绍

[0002]涡旋光是一种在传输过程中等相位面呈现螺旋状的特殊光束，具有螺旋相位因子e
imθ
，其中，θ为方位角；m为拓扑荷数，也称为轨道角动量的量子个数；i为虚数单位。由于中心存在相位奇点，涡旋光呈现暗中空环形分布，即中心场振幅为零，光束截面上出现一个亮度为零的黑暗区域，称为光学涡旋。和普通的高斯光束相比，涡旋光具有保密性好、传输容量大、效率高、易于编解码等优点，在微纳加工、量子通信、光镊等方面具有广阔的应用前景。
[0003]傅里叶光学中，将空间滤波器放置在光学系统的空间频谱面上，改变空间频率的振幅和相位，可以改变物场的像。涡旋滤波指的是在频谱面引入带有螺旋相位因子的空间滤波器实现改变图像的一种空间滤波方式。1992年，S.N.Khonina等人在4f系统的频谱面引入透过率函数H(ρ,θ)＝e
iθ
，即拓扑荷数为1的空间滤波器，通过径向希尔伯特变换实现了各项均匀的图像边缘增强效果。2005年，Grover A swartzlander Jr提出了光学涡旋日冕仪技术【在先技术：G.Foo,D.M.Palacios,and G.A.Swartzlander,Optical vortex coronagraph,Optics letters(A).2005:30,3308
‑
3310】，该方法通过在4f系统的频谱面引入拓扑荷数为2的螺旋相位板，消除了来自传播轴上的亮光，但轴外暗淡行星或恒星的信号却并不减弱，该方法因具有高对比度成像的特性，较其它同类技术具有更大的优势。同时，理论和实验证明，相比m＝1的涡旋滤波器，使用m＝2的涡旋滤波器得到的中心暗核区域大，意味着能够实现更大范围的高对比度。
[0004]通过径向希尔伯特变换实现图像边缘增强虽然能在成像领域发挥一定的作用，但是它的低对比度特点显然限制了其在弱相位或弱信号成像方面的应用。

技术实现思路

[0005]针对目前已有的涡旋滤波成像的局限性问题，提出了一种弱相位物体飞秒级时间分辨成像装置，可应用于弱相位物体成像的光学涡旋日冕仪中，实现飞秒(1fs＝10
‑
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s)精度超快时间分辨能力的光学成像。
[0006]本技术的技术方案为：一种弱相位物体飞秒级时间分辨成像装置，包括探测单元和泵浦单元；飞秒激光光源发射光经过分束镜后，透射光作为探测光进入探测单元，反射光作为泵浦光进入泵浦单元；所述探测单元包括扩束系统、小孔、4f系统、涡旋滤波器和CCD探测器；探测光经过扩束系统得到光强分布均匀的扩束光束后经过小孔，再进入4f系统，4f系统的焦平面放置调制频谱信息的涡旋滤波器，4f系统出射光最后到达CCD探测器成像，所述弱相位物体置于入射小孔的扩束光束中；泵浦单元中飞秒级延时装置控制调整泵浦光路与探测光路之间的光程。
[0007]优选的，所述扩束系统由凹透镜和凸透镜组成，光斑扩束倍率由两个透镜的焦距决定，光经过扩束系统获得能量分布均匀的光斑。
[0008]优选的，所述4f系统由两个成像凸透镜组成，涡旋滤波器置于两成像透镜共焦面上。
[0009]优选的，所述涡旋滤波器为拓扑荷数等于
±
2的螺旋相位板、涡旋半波片或空间光调制器。
[0010]优选的，所述涡旋滤波器为涡旋半波片时，要求入射到涡旋滤波器的光是圆偏振光。
[0011]优选的，所述泵浦单元包括延时装置和聚焦透镜，延时装置由精度为fs级的电动平移台和其上放置的两个反射镜组成，泵浦光通过延时装置进行光程调整后进入聚焦透镜聚光。
[0012]优选的，所述4f系统由两个物镜组成，涡旋滤波器放置于两物镜共焦面上。
[0013]本技术的有益效果在于：本技术一种弱相位物体飞秒级时间分辨成像装置，基于涡旋滤波方式实现弱相位物体的超快时间分辨成像，属于频谱滤波的全新应用，面向弱相位物体，特别是弱相位物体，有望应用于探测生物领域中的弱相位物体，如生物细胞，透明生物等；本技术引入超快时间分辨系统，可实现对超快物理过程的时间分辨成像，拓展了本技术的应用领域；运用泵浦探测技术，通过调节两束光的相对光程精准控制两束光的相对延时，成像的时间分辨精度可达飞秒量级。
附图说明
[0014]图1为本技术弱相位物体飞秒级时间分辨成像装置结构示意图；
[0015]图2为本技术不加入涡旋滤波器调制时的小孔成像图；
[0016]图3为本技术加入涡旋滤波器后得到了暗背景的日冕效果图；
[0017]图4为本技术泵浦光和探测光在不同时间延时下的弱相位物体成像图。
具体实施方式
[0018]下面结合附图和具体实施例对本技术进行详细说明。本实施例以本技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0019]弱相位物体飞秒级时间分辨成像装置包括探测单元和泵浦单元两个部分；所述探测单元部分用于对入射面弱相位物体成像；所述泵浦单元部分为本技术光学系统提供超快时间分辨能力。在探测单元中加入涡旋滤波器，并在入射面引入弱相位物体，则可实现弱相位物体在暗背景中的高对比度成像；同时泵浦单元部分引入超快时间分辨光学延时装置，实现对弱相位物体的超快动态过程的成像探测。
[0020]图1为本技术弱相位物体飞秒级时间分辨成像装置结构示意图。装置包括飞秒激光光源1、分束镜2、反射镜3、反射镜4、反射镜5、聚焦透镜6、反射镜7、反射镜8、反射镜9、凹透镜10、凸透镜11、四分之一波片12、小孔14、成像透镜15、涡旋滤波器16、成像透镜17以及成像CCD18。图中A为泵浦光路，泵浦光路中包括延时装置和聚焦透镜6，延时装置由精密电动平移台和其上放置的两个反射镜3、4组成，泵浦光通过延时装置进行光程调整后进
入聚焦透镜6聚光：反射镜3和反射镜4组成；B为探测光路，探测光路中包括反射镜5、反射镜7、反射镜8、反射镜9、凹透镜10和凸透镜11组成的扩束系统、四分之一波片12、小孔14、两个成像透镜15和17组成的4f系统、涡旋滤波器16以及CCD18。飞秒激光源1的线偏振光束经过分束镜2后以不同的能量比例分成反射光和透射光。透射光为探测光，探测光经过多个反射镜补偿以此达成与泵浦光路的光程差后，依次通过凹透镜10和凸透镜11组成的扩束系统扩束，光斑扩束倍率由两个透镜的焦距决定，目的是获得能量分布均匀的光斑；扩束的线偏光经过四分之一波片12后变成圆偏振光(注：当涡旋滤波器为螺旋相位板时不需将线偏光变成圆偏振光)，再通过入瞳处小孔14，之后依次通过4f系统的成像透镜15、涡旋滤波器16和4f系统的成像透镜17，最后在CCD18上成像。在不引入弱相位物体13，且无泵浦光路情况下，CCD探测到的是暗背景。在四分之一波片12和小孔14之间引入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种弱相位物体飞秒级时间分辨成像装置，其特征在于，包括探测单元和泵浦单元；飞秒激光光源发射光经过分束镜后，透射光作为探测光进入探测单元，反射光作为泵浦光进入泵浦单元；所述探测单元包括扩束系统、小孔、4f系统、涡旋滤波器和CCD探测器；探测光经过扩束系统得到光强分布均匀的扩束光束后经过小孔，再进入4f系统，4f系统的焦平面放置调制频谱信息的涡旋滤波器，4f系统出射光最后到达CCD探测器成像，所述弱相位物体置于入射小孔的扩束光束中；泵浦单元中飞秒级延时装置控制调整泵浦光路与探测光路之间的光程。2.根据权利要求1所述弱相位物体飞秒级时间分辨成像装置，其特征在于，所述扩束系统由凹透镜和凸透镜组成，光斑扩束倍率由两个透镜的焦距决定，光经过扩束系统获得能量分布均匀的光斑。3.根据权利要求1或2所述弱相位物体飞秒级时间分辨成像装置，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁青青，刘一，黄霞，牟彦霏，范政权，张翔，张文星，陈泽尧，周华鑫，王睿加，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：新型
国别省市：