本发明涉及一种成像技术，特别涉及一种基于涡旋滤波实现弱相位物体飞秒级时间分辨成像装置。
背景技术：
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eimθ，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。
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)＝eiθ，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，groveraswartzlanderjr提出了光学涡旋日冕仪技术【在先技术：g.foo,d.m.palacios,andg.a.swartzlander,opticalvortexcoronagraph,opticsletters(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。
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。
技术实现要素：
针对目前已有的涡旋滤波成像的局限性问题，提出了一种基于涡旋滤波实现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＝10-15s)精度超快时间分辨能力的光学成像。
本发明的技术方案为：一种基于涡旋滤波实现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；在探测单元中加入涡旋滤波器引入几何相位，并在探测光入射面引入弱相位物体，实现弱相位物体在暗背景中的高对比度成像；泵浦单元引入飞秒时间分辨光学延时装置，控制调整泵浦光路与探测光路之间的光程，实现对弱相位物体的时间分辨，实现对弱相位物体的超快动态过程的成像探测。
优选的，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系统的焦平面放置涡旋滤波器，引入涡旋相位因子调制频谱信息，4f系统出射后最后到达ccd探测器，所述弱相位物体置于入射小孔的扩束光束中。
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。
优选的，所述4f系统由两个成像凸透镜组成，涡旋滤波器放置于两成像透镜共焦面上。
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。
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。
优选的，所述经过拓扑荷数等于±2的涡旋滤波器，最终暗背景成像面上的输出光场表达式为：
其中r为小孔半径，e2(r,θ)为极坐标表示的出射的光场，小孔内的光场均为零，小孔外的光场呈1/r2分布。
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。
本发明的有益效果在于：本发明基于涡旋滤波实现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；本发明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，拓展了本发明的应用领域；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
图1为本发明基于涡旋滤波实现弱相位物体飞秒级时间分辨成像装置结构示意图；
图2为本发明不加入涡旋滤波器调制时的小孔成像图；
图3为本发明加入涡旋滤波器后得到了暗背景的日冕效果图；
图4为本发明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
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明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，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
基于涡旋滤波实现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发明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。
图1为本发明基于涡旋滤波实现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之间引入弱相位物体13后，可在前述暗背景中探测到弱相位物体。分束镜2的反射光为泵浦光，泵浦光经过延迟光路后通过聚焦透镜6对光进行聚焦，在焦点处泵浦光与弱相位物体13作用，控制泵浦光路与探测光路之间的光程，可控制两者之间的延时，从而在前述暗背景中探测到相互作用后弱相位物体随时间的变化，即实现对相位型物体的时间分辨，进而研究其超快动力学物理机制。
下面是实施例参数，本实施例采用钛蓝宝石飞秒激光源，中心波长796nm。本实施例的弱相位物体采用飞秒激光聚焦于空气形成的等离子体丝作为研究对象。等离子体丝是飞秒强激光在空气中传输时，在自聚焦效应和电离生成的等离子体散焦作用以及其他诸多物理效应的共同作用下生成，此时，飞秒激光的能量达到动态平衡并形成细长等离子体细丝。等离子体丝能引起折射率的微弱变化，是理想的弱相位物体。
飞秒激光源1出射的中心波长796nm，脉冲宽度35fs，重复频率1khz，水平偏振的脉冲光入射到反射率75％，透射率25％的分束镜2分成反射光和透射光。透射光经过多个反射镜以补偿与泵浦光路a的光程差，之后经过焦距为-10cm的凹透镜10和焦距为40cm的凸透镜11得到扩大的光束，此处光斑直径扩大了4倍。本实施例采用涡旋半波片作为滤波器，因此需要将线偏光转化为圆偏振光。扩束的线偏光进入四分之一波片变成圆偏振光，再通过直径为2mm的小孔14。之后圆偏振光进入4f系统，依次通过焦距30cm的成像透镜15，涡旋拓扑荷数m＝2的涡旋半波片(涡旋滤波器16)，焦距30cm的成像物镜17和像素大小为3.69μm×3.69μm的成像ccd18。其中，应尽量使得弱相位物体13和小孔14在同一个物平面以获得更好的成像效果；涡旋半波片放置于成像透镜15和17的共焦面上调制频谱信息(不要求这两个成像透镜的焦距相同)。当不引入弱相位物体，且无涡旋半波片的情况下，ccd18探测到的是普通的小孔成像，如图2所示；在不引入弱相位物体，加入涡旋半波片的情况下，小孔在4f系统的焦平面频谱信息被调制，此时在成像面上ccd18探测到类日冕成像图，如图3所示，小孔内光强为0，探测光被衍射到小孔外部。当引入弱相位物体，即等离子体丝时，则在成像面ccd18上探测到光丝图，如图4所示，为不同延时下的光丝图。等离子体丝的形成光路为：飞秒激光经分束镜2反射，再依次经过泵浦光路a的延时装置和聚焦透镜6，最后在透镜6的焦点处形成等离子体丝。本实施例采用精度为33fs的电动平移台延时装置(平移台最小步长为0.005mm，由于入射和返回两次经过延时线，所以最小步长提供两束光之间的光程差为0.005mm*2，除以空气中的光速3*108m/s，得到泵浦探测两光束之间的延时的精度为33fs。)，可在软件上设置平移台的步长以控制泵浦光路a和探测光路b之间的光程差，进而改变它们之间的延时；聚焦透镜6焦距为10cm。引入弱相位物体等离子体丝并同时使a和b两路光路的光程相等时，ccd18原本探测到的暗背景中会出现一条亮纹，亮纹是由于等离子体引入了折射率变化量，改变了探测光入射面的相位，此时可视为探测光路对等离子体这一弱相位物体成像。进一步地，调节泵浦光路和探测光路之间的光程差，可以探测到等离子体的动态形成过程以及形成后的衰变过程。图4是探测光和泵浦光的时间延时分别为1.163ps、1.578ps、2.076ps和2.574ps时的等离子体丝像，演示了等离子体光丝的形成过程和演变过程。
采用涡旋半波片作为涡旋滤波器16是由于圆偏光入射到涡旋半波片后能够引入几何相位，使得出射光携带螺旋相位因子。圆偏振光通过涡旋半波片得到涡旋光可用光场的琼斯矩阵表达：
从式子(1)得出，圆偏振光入射到涡旋半波片16后的输出光场携带了螺旋相位因子ei2α，变成涡旋光，且偏振状态变成反向的圆偏振。引入螺旋相位因子ei2α调制4f系统频谱面信息后，直径为2mm的小孔最终在成像面上的输出光场为：
其中r为小孔半径，e2(r,θ)为极坐标表示的出射的光场。从该表达式可以看出，小孔内的光场均为零，小孔外的光场呈1/r2分布。光强衍射到小孔外部，获得图3的暗背景。
涡旋拓扑荷数m＝ 2或者-2均可，分别表示涡旋光光束相位绕中心轴逆时针旋转还是顺时针旋转，因此最终暗背景成像面上的输出光场为：
图1中，若使用等离子体光丝作为弱相位物体，聚焦透镜6可以是其它焦距，形成等离子体光丝即可；若使用其他弱相位物体，激光能量足以与弱相位物体发生作用时可不需要聚焦透镜6。4f系统的成像透镜15和成像透镜17可以替换成两个物镜，此时系统的成像分辨率更高。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。涡旋滤波器需要放置在4f系统的共焦面处，即频谱面位置，其中，若使用涡旋半波片，要求入射到涡旋滤波器的光是圆偏振光。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
1.一种基于涡旋滤波实现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；在探测单元中加入涡旋滤波器引入几何相位，并在探测光入射面引入弱相位物体，实现弱相位物体在暗背景中的高对比度成像；泵浦单元引入飞秒时间分辨光学延时装置，控制调整泵浦光路与探测光路之间的光程，实现对弱相位物体的时间分辨，实现对弱相位物体的超快动态过程的成像探测。
2.根据权利要求1所述基于涡旋滤波实现弱相位物体飞秒级时间分辨成像装置，其特征在于，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系统的焦平面放置涡旋滤波器，引入涡旋相位因子调制频谱信息，4f系统出射后最后到达ccd探测器，所述弱相位物体置于入射小孔的扩束光束中。
3.根据权利要求2所述基于涡旋滤波实现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。
4.根据权利要求2或3所述基于涡旋滤波实现弱相位物体飞秒级时间分辨成像装置，其特征在于，所述4f系统由两个成像凸透镜组成，涡旋滤波器放置于两成像透镜共焦面上。
5.根据权利要求4所述基于涡旋滤波实现弱相位物体飞秒级时间分辨成像装置，其特征在于，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。
6.根据权利要求5所述基于涡旋滤波实现弱相位物体飞秒级时间分辨成像装置，其特征在于，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。
7.根据权利要求5所述基于涡旋滤波实现弱相位物体飞秒级时间分辨成像装置，其特征在于，所述经过拓扑荷数等于±2的涡旋滤波器，最终暗背景成像面上的输出光场表达式为：
其中r为小孔半径，e2(r,θ)为极坐标表示的出射的光场，小孔内的光场均为零，小孔外的光场呈1/r2分布。
8.根据权利要求1所述基于涡旋滤波实现弱相位物体飞秒级时间分辨成像装置，其特征在于，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。
技术总结