【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于中红外三维显微成像，具体涉及一种基于量子关联的中红外高分辨三维显微成像方法及系统。
技术介绍
1、三维成像技术在生物医学诊断、遥感、目标识别等应用中发挥着至关重要的作用。近年来，由于硬件的改进和成像结构的创新，三维成像技术得到了极大的发展，这大大提高了三维成像技术在多领域应用中的关键性能。特别是单光子水平的探测能力和皮秒级的超高时间分辨率可以通过高性能的光电探测器来实现，例如基于单光子雪崩二极管阵列、超导纳米线单光子探测器、条纹相机和电子倍增电荷耦合器件。然而，到目前为止，这些最先进的三维成像性能仅限于可见光或近红外区域。由于中红外波段的波长范围覆盖了分子的振转能级，能够直接反映物质的信息，并且能够通过减少光子散射而增加穿透深度。因此，迫切需要将三维成像波长扩展到中红外波段。
2、目前，中红外成像手段可以分为以下两类：一类是利用中红外探测器直接对样品进行成像。然而，中红外探测器件在探测灵敏度、暗噪声、信噪比等性能仍然远低于可见光和近红外波段的探测器。传统中红外探测器件基于热传感器。虽然热传感器可在非制冷条件下工作，但其响应时间长、像元尺寸大、探测效率低，探测灵敏度远不如单光子探测器，且易受热噪声影响。近年来，中红外半导体探测器得到了快速发展，得到了广泛应用。然而，中红外半导体光电探测器中的热载流子与探测器吸收带重叠，因此信噪比低且易受热噪声干扰，难以实现高灵敏探测。此外，阵列型中红外探测器的像元数量和探测效率限制了传统中红外成像的空间分辨率和探测灵敏度。另一类是基于频率上转换的中红外成像技术。单光子频率
3、综上，现有的阵列型中红外探测器的像元数量和探测效率限制了中红外成像的空间分辨率和探测灵敏度。此外，基于非线性频率上转换的中红外成像技术的空间分辨率受限于晶体通光孔径，若采用具有更大通光孔径的非线性晶体虽然可以有效提升空间分辨率，但这将会降低泵浦功率密度，从而进一步降低探测灵敏度。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种基于量子关联的中红外高分辨三维显微成像方法及系统，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种基于量子关联的中红外高分辨三维显微成像方法，包括基于单像素探测器的中红外成像技术，通过利用自发参量下转换过程产生关联光子对，其中的中红外信号光子对样品进行扫描成像，将样品的二维强度信息映射至非线性晶体中，并通过基于同步脉冲泵浦的频率上转换技术转换到可见光波段并由单像素探测器进行探测，同时对近红外预报光子进行探测，并与上转换后的信号光子进行关联符合测量，结合高精度时间分辨能力，实现高灵敏度的中红外三维显微成像。
4、一种基于量子关联的中红外高分辨三维显微成像系统，其特征在于：系统包括泵浦光源、半波片、偏振分束镜、半波片、透镜、第一ppln晶体、透镜、二向色镜、超导纳米线单光子探测器、半波片、偏振分束镜、四分之一波片、双轴振镜系统、物镜、样品、半波片、二向色镜、反射镜、刀锋直角棱镜反射镜、中空屋脊棱镜反射镜、一维位移平台、透镜、第二ppln晶体、透镜、滤光片、硅基雪崩光电二极管模块以及时间相关单光子计数器。
5、优选的，所述泵浦光源，为1030nm掺镱飞秒脉冲激光器，脉宽250fs，重复频率10mhz，输出功率24w。
6、优选的，所述半波片，用于改变泵浦光偏振方向。
7、优选的，所述偏振分束镜，通过与半波片联合使用以获得连续调节的分光比，其目的在于产生约99％反射的脉冲泵浦光用于中红外频率上转换过程，同时产生透射的脉冲泵浦光用于自发参量下转换过程。
8、优选的，所述半波片，用于改变经过半波片和偏振分束镜透射的泵浦光，使其满足第一ppln晶体的相位匹配条件。
9、优选的，所述的透镜，为紫外熔融石英平凸透镜，焦距30mm，用于将泵浦光聚焦至第一ppln晶体的中心；
10、优选的，所述第一ppln晶体，为周期极化铌酸锂晶体，长度10mm，极化周期为29.76μm，夹持于温控炉中，工作温度25℃，1030nm的泵浦光聚焦至晶体中通过自发参量下转换过程，产生频率关联和时间关联的3.4μm的中红外信号光和1478nm近红外预报光；
11、优选的，所述的透镜，为氟化钙平凸透镜，焦距30mm，用于将ppln晶体中通过自发参量下转换产生的中红外信号光和近红外预报光变为平行光。
12、优选的，所述二向色镜，用于将信号光和预报光在空间上分束，其中3.4μm中红外信号光透射，1478nm近红外预报光反射。
13、优选的，所述的超导纳米线单光子探测器，用于探测1478nm近红外预报光；输出的电脉冲信号用于输入时间相关单光子计数器作为触发信号；
14、优选的，所述半波片，为3.4μm半波片，具有λ/2的延迟量，用于调整中红外信号光的偏振方向为水平偏振方向，保证其透过偏振分束镜；
15、优选的，所述的偏振分束镜，用于实现3.4μm中红外信号光的透射，并与四分之一波片配合实现经样品反射后的、携带样品信息的中红外信号光由偏振分束镜反射。
16、优选的，所述四分之一波片，为3.4μm四分之一波片，具有λ/4的延迟量，用于将透过偏振分束镜的水平偏振方向的、未携带待测物体信息的中红外信号光，变为左旋偏振光。经过样品反射后，返回的中红外信号光相对于四分之一波片为右旋偏振光，通过四分之一波片后的携带样品信息的中红外信号光变为竖直偏振方向，经过偏振分束镜后被反射。
17、优选的，所述双轴振镜系统，由两个镀有银膜的反射镜组成，通过与物镜配合，实现中红外信号光在样品上的二维扫描。
18、优选的，所述中红外硒化锌物镜，用于将中红外信号光聚焦至样品表面，并收集经样品反射的中红外信号光。
19、优选的，所述三维待测样品，能够对中红外入射光反射，样品表面不同深度将导致反射的中红外信号光脉冲的不同时间延时。
20、优选的，所述半波片，为3.4μm半波片，具有λ/2的延迟量，用于调整将经由本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于量子关联的中红外高分辨三维显微成像方法，其特征在于，包括基于单像素探测器的中红外成像技术，通过利用自发参量下转换过程产生关联光子对，其中的中红外信号光子对样品进行扫描成像，将样品的二维强度信息映射至非线性晶体中，并通过基于同步脉冲泵浦的频率上转换技术转换到可见光波段并由单像素探测器进行探测，同时对近红外预报光子进行探测，并与上转换后的信号光子(和频光子)进行关联符合测量，结合高精度时间分辨能力，实现高灵敏度的中红外三维显微成像。
2.根据权利要求1所述的一种基于量子关联的中红外高分辨三维显微成像系统，其特征在于：系统包括泵浦光源(1)、半波片(2)、偏振分束镜(3)、半波片(4)、透镜(5)、第一PPLN晶体(6)、透镜(7)、二向色镜(8)、超导纳米线单光子探测器(9)、半波片(10)、偏振分束镜(11)、四分之一波片(12)、双轴振镜系统(13)、物镜(14)、样品(15)、半波片(16)、二向色镜(17)、反射镜(18)、刀锋直角棱镜反射镜(19)、中空屋脊棱镜反射镜(20)、一维位移平台(21)、透镜(22)、第二PPLN晶体(23)、透镜(24)
3.根据权利要求2所述的一种基于量子关联的中红外高分辨三维显微成像系统，其特征在于：所述泵浦光源(1)产生的1030nm飞秒脉冲光源在第一PPLN晶体(6)中产生自发参量下转换过程，在非线性晶体中，一个泵浦光子湮灭的同时将产生一对关联光子对，分别为中红外波段3.4μm的信号光子和近红外波段1478nm的预报光子，这一过程满足能量守恒和准相位匹配条件(动量守恒)其中ωj(j＝s,h,p)分别为信号光子、预报光子和泵浦光子的频率，nj(ωj)为对应的折射率，为普朗克常量，Δk为相位失配量，c0为真空中的光速，Λ1为第一块PPLN晶体(6)的极化周期，为29.76μm，成像测量借助于光子对的时间关联与频率关联特性，测量过程中能够对环境噪声的扰动进行有效抑制，PPLN晶体中产生的中红外信号光子和近红外预报光子在空间上分开后，预报光子直接被超导纳米线单光子探测器(9)探测，并提供触发电信号给时间相关单光子计数器用于符合测量；
4.根据权利要求2所述的一种基于量子关联的中红外高分辨三维显微成像，其特征在于：所述双轴振镜系统(13)控制中红外信号光子，中红外光子经过物镜聚焦于样品的表面，振镜中的两个反射镜分别控制X方向和Y方向的扫描，因此可实现XY两个方向的二维顺序扫描，并收集来自样品表面的反射光进入频率上转换部分，扫描顺序和步长均可以改变，并可根据需要选择更为合适的中红外物镜以实现更高的空间分辨率。
5.根据权利要求2所述的一种基于量子关联的中红外高分辨三维显微成像，其特征在于：利用脉冲光源在包括但不限于周期极化铌酸锂晶体(PPLN)、周期性极化磷酸氧钛钾晶体(PPKTP)或硫镓银晶体(AgGaS2)中通过自发参量下转换过程产生关联光子对(信号光子和预报光子)，其中的信号光子位于中红外波段，通过对PPLN或PPKTP晶体的极化周期和工作温度的设计，或改变AgGaS2的相位匹配角，可以在晶体的通光范围内设计不同的中红外波长，以满足不同的成像需要。
6.根据权利要求2所述的一种基于量子关联的中红外高分辨三维显微成像，其特征在于：扫描过程中，每个扫描点都需要调节一维电动位移平台或手动位移平台，以满足泵浦脉冲与经过样品表面不同纵向深度返回的中红外信号光子脉冲在时域上的同步。
7.根据权利要求2所述的一种基于量子关联的中红外高分辨三维显微成像，其特征在于：所述关联光子对中的中红外信号光子在扫描成像后经过频率上转换到可见光探测器进行探测，关联光子对中的预报光子由另一个单光子探测器进行探测，两者进行符合测量，该过程构成了量子扫描成像。
...【技术特征摘要】
1.一种基于量子关联的中红外高分辨三维显微成像方法，其特征在于，包括基于单像素探测器的中红外成像技术，通过利用自发参量下转换过程产生关联光子对，其中的中红外信号光子对样品进行扫描成像，将样品的二维强度信息映射至非线性晶体中，并通过基于同步脉冲泵浦的频率上转换技术转换到可见光波段并由单像素探测器进行探测，同时对近红外预报光子进行探测，并与上转换后的信号光子(和频光子)进行关联符合测量，结合高精度时间分辨能力，实现高灵敏度的中红外三维显微成像。
2.根据权利要求1所述的一种基于量子关联的中红外高分辨三维显微成像系统，其特征在于：系统包括泵浦光源(1)、半波片(2)、偏振分束镜(3)、半波片(4)、透镜(5)、第一ppln晶体(6)、透镜(7)、二向色镜(8)、超导纳米线单光子探测器(9)、半波片(10)、偏振分束镜(11)、四分之一波片(12)、双轴振镜系统(13)、物镜(14)、样品(15)、半波片(16)、二向色镜(17)、反射镜(18)、刀锋直角棱镜反射镜(19)、中空屋脊棱镜反射镜(20)、一维位移平台(21)、透镜(22)、第二ppln晶体(23)、透镜(24)、滤光片(25)、硅基雪崩光电二极管模块(26)以及时间相关单光子计数器(27)；
3.根据权利要求2所述的一种基于量子关联的中红外高分辨三维显微成像系统，其特征在于：所述泵浦光源(1)产生的1030nm飞秒脉冲光源在第一ppln晶体(6)中产生自发参量下转换过程，在非线性晶体中，一个泵浦光子湮灭的同时将产生一对关联光子对，分别为中红外波段3.4μm的信号光子和近红外波段1478nm的预报光子，这一过程满足能量守恒和准相位匹配条件(动量守恒)其中ωj(j＝s,h,p)分别为信号光子、预报光子和泵浦光子的频率，nj(ωj)为对应的折射率，为普朗克常量，δk为相位失配量，c0为真空中的光速，λ1为第一块ppln晶体(6)的极化周期，...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈昱，蔡羽洁，程琳，王啸瀛，武愕，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：
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