專利名稱：合成孔徑飛秒脈沖數(shù)字全息記錄裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超短激光脈沖數(shù)字全息技術(shù)，特別是一種提高分辨率和增大視場(chǎng)的合 成孔徑飛秒脈沖數(shù)字全息記錄裝置。
背景技術(shù)：
隨著高讀取速度和高分辨率成像器件CCD (電荷耦合器件)或CMOS (金屬氧化物 半導(dǎo)體)的發(fā)展，數(shù)字全息技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于顯微成像、圖像識(shí)別和加密等技術(shù)領(lǐng)域。 近來(lái)，數(shù)字全息技術(shù)在超短脈沖領(lǐng)域的應(yīng)用，得到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。通過(guò)數(shù)字全息和泵 浦探測(cè)技術(shù)，可以研究超短激光脈沖與物質(zhì)中的一些超快瞬態(tài)現(xiàn)象，比如激光誘導(dǎo)熔化、材 料表面燒蝕和透明材料內(nèi)部的光學(xué)擊穿等。利用超短脈沖數(shù)字全息技術(shù)，還可以進(jìn)行深度 分辨和生物樣品的測(cè)量等等。但是，超短激光脈沖全息存在著不足之處。當(dāng)激光脈沖寬度變得非常短時(shí)，由于 有限的脈沖寬度限制了脈沖激光在空間和時(shí)間上的相干性，使得兩脈沖激光相交后的干涉 區(qū)，只限制在重疊區(qū)很小的一部分。如夾角為θ的兩束相交脈沖激光光束的干涉區(qū)域?yàn)?br> (sine/2Γ1，其中，c為光速，τ為脈沖寬度，例如脈沖寬度為90fs，夾角為5°的兩束 脈沖激光光束的干涉區(qū)域大約只有600 μ m。干涉條紋的數(shù)目不依賴兩干涉脈沖激光的夾角 而變化，其為2c τ/λ，其中λ為光波長(zhǎng)，例如用90fs脈寬，SOOnm波長(zhǎng)的脈沖記錄，其全息 圖的干涉條紋數(shù)只有60左右，這嚴(yán)重的降低了全息圖再現(xiàn)像的分辨率和視場(chǎng)。為了消除超 短脈沖激光的弱相干性，Z. Ansari等人利用色散棱鏡產(chǎn)生傾斜脈沖來(lái)消除弱相干性見在 先技術(shù) 1 :z. Ansari et al，Opt. Lett. 6，334 (2001)；Α. Α. Maznev 等人利用光柵的衍射級(jí) 次使兩脈沖激光干涉，從而消除超短脈沖激光短相干的限制見在先技術(shù)2 :A. A. Maznev et al, Opt. Lett. 17，1378(1998)。但這些技術(shù)都存在著一些不足，利用棱鏡或者光柵來(lái)消除 弱相干性，同時(shí)改變了超短激光脈沖的脈寬，使脈沖寬度展寬了。使用高分辨全息光柵作為 分束及色散元件，只是通過(guò)濾波技術(shù)來(lái)降低對(duì)飛秒激光的單色性要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述在先技術(shù)的不足，提出了一種合成孔徑飛 秒脈沖數(shù)字全息記錄裝置，該裝置可提高飛秒激光數(shù)字全息再現(xiàn)像的分辨率和視場(chǎng)。本發(fā)明的基本構(gòu)思是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制微動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)使脈沖激光的干涉區(qū)域在 CCD探測(cè)器的不同位置上移動(dòng)。CCD探測(cè)器記錄多幅干涉區(qū)域在不同位置處的子全息圖，然 后利用數(shù)字圖像處理技術(shù)合成一幅數(shù)字全息圖，以獲得高分辨率的數(shù)字全息再現(xiàn)像。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下—種合成孔徑飛秒脈沖數(shù)字全息記錄裝置，特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括激光光源，第一 半透半反鏡、第二半透半反鏡、第一全反射鏡、第二全反射鏡、第三全反射鏡和第四全反射 鏡、電動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)、待測(cè)樣品、探測(cè)器和計(jì)算機(jī)，上述各元部件的位置關(guān)系如下飛秒激光從所述的激光光源出射后，經(jīng)第一半透半反鏡分成反射的物光束和透射
3的參考光束，所述的參考光束經(jīng)第一全反射鏡和第二半透半反鏡反射后進(jìn)入探測(cè)器，所述 的物光束經(jīng)第二全反射鏡、第三全反射鏡和第四全反射鏡反射，透過(guò)待測(cè)樣品，經(jīng)第二半透 半反鏡透射后進(jìn)入探測(cè)器，所述的物光束和參考光束在探測(cè)器中相遇干涉形成全息圖，所 述的第二和第三全反射鏡放置在一個(gè)電動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)上，組成一個(gè)可變延遲器。所述的電動(dòng) 微動(dòng)平臺(tái)和探測(cè)器與計(jì)算機(jī)連接。所述的飛秒激光光源的實(shí)施例是一臺(tái)激光器，脈寬為90fs，輸出功率大于250mW， 帶寬為大于50nm，輻射波長(zhǎng)為780nm-840nm，中心波長(zhǎng)為800nm，重復(fù)頻率為76MHz的鈦寶石
激光系統(tǒng)。所述的第一半透半反鏡和第二半透半反鏡均是一塊寬光譜介質(zhì)膜的半透半反鏡。所述的第一全反射鏡、第二全反射鏡、第三全反射鏡、第四全反射鏡均是鍍銀全反 射鏡；所述的第二全反射鏡和第三全反射鏡固定在電動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)上，組成一個(gè)延遲裝置。所述的電動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)為一步進(jìn)精度為幾十納米，可以沿固定方向精密移動(dòng)，并可 重復(fù)定位的平臺(tái)。所述的待測(cè)樣品為透明狀態(tài)的透射型樣品。所述的探測(cè)器是一個(gè)對(duì)780nm-840nm具有靈敏光譜響應(yīng)的CXD探測(cè)器。所述的計(jì)算機(jī)是一臺(tái)能實(shí)時(shí)重構(gòu)飛秒數(shù)字全息圖的計(jì)算機(jī)。所述的合成孔徑飛秒脈沖數(shù)字全息記錄裝置的基本操作步驟為所述的飛秒激 光從所述的激光光源出射后，經(jīng)第一半透半反鏡分成兩束光，即物光束和參考光束，其中所 述的參考光束經(jīng)第一全反射鏡和第二半透半反鏡反射后進(jìn)入探測(cè)器，所述的物光束經(jīng)第二 反射鏡、第三反射鏡和第四反射鏡反射，透過(guò)待測(cè)樣品，經(jīng)第二半透半反鏡透射后進(jìn)入探測(cè) 器，所述的物光束和參考光束在探測(cè)器中相遇干涉形成全息圖。所述的第二和第三全反射 鏡放置在一個(gè)電動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)上，組成一個(gè)可變延遲器。所述的電動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)和探測(cè)器與計(jì) 算機(jī)連接。所述的計(jì)算機(jī)控制微動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)可使脈沖激光的干涉區(qū)域在CCD探測(cè)器的不 同位置方向上移動(dòng)。所述的探測(cè)器記錄多幅干涉區(qū)域在不同位置處的子全息圖，然后利用 數(shù)字圖像處理技術(shù)合成一幅數(shù)字全息圖，由計(jì)算機(jī)通過(guò)衍射算法進(jìn)行數(shù)字重構(gòu)，最終獲得 高分辨率的數(shù)字全息再現(xiàn)像。本發(fā)明的有益效果是當(dāng)飛秒激發(fā)器輻射的激光脈沖光束經(jīng)第一半透半反鏡分束成兩束光后，一束作為 參考光，一束作為記錄物光束。其中物光束經(jīng)過(guò)電動(dòng)可變延遲器后，使物光束與參考光之間 產(chǎn)生一定的時(shí)間延遲，通過(guò)不同的時(shí)間延遲使物光與參考光在探測(cè)器中的干涉區(qū)域沿某一 方向移動(dòng)。利用CCD探測(cè)器記錄在不同干涉區(qū)域的一組子全息圖，用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)重構(gòu)飛秒 數(shù)字全息圖，有效地增大所記錄全息圖的干涉面積，提高了空間帶寬積，提高了飛秒脈沖數(shù) 字全息再現(xiàn)像的分辨率，增大了視場(chǎng)。并且上述過(guò)程中，沒有用到棱鏡或光柵等器件，沒有改變脈沖激光的脈寬，避免了 光路的復(fù)雜性。


圖1是本發(fā)明合成孔徑飛秒脈沖數(shù)字全息記錄裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1_激光光源、2-第一半透半反鏡、3-第一全反射鏡、4-第二全反射鏡、5-第
4三全反射鏡、6-第四全反射鏡、7-電動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)、8-待測(cè)樣品、9-第二半透半反鏡、10-探測(cè) 器、11-計(jì)算機(jī)。圖2是合成孔徑飛秒脈沖數(shù)字再現(xiàn)處理示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明的合成孔徑飛秒脈沖數(shù)字全息記錄裝置如圖1所示，由圖可見，本發(fā)明合 成孔徑飛秒脈沖數(shù)字全息記錄裝置，包括激光光源1，第一半透半反鏡2、第二半透半反鏡 9、第一全反射鏡3、第二全反射鏡4、第三全反射鏡5和第四全反射鏡6、電動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)7、待 測(cè)樣品8、探測(cè)器10和計(jì)算機(jī)11，上述各元部件的位置關(guān)系如下飛秒激光從所述的激光光源1出射后，經(jīng)第一半透半反鏡2分成兩束光，即物光束 和參考光束，其中所述的參考光束經(jīng)第一全反射鏡3和第二半透半反鏡9反射后進(jìn)入探測(cè) 器10，所述的物光束經(jīng)第二全反射鏡4、第三全反射鏡5和第四全反射鏡6反射后，透過(guò)待 測(cè)樣品8，經(jīng)第二半透半反鏡9透射后進(jìn)入探測(cè)器10，所述的物光束和參考光束在探測(cè)器10 中相遇干涉形成全息圖。所述的第二全反射鏡4和第三全反射鏡5放置在一個(gè)電動(dòng)微動(dòng)平 臺(tái)7上，組成一個(gè)可變延遲器。所述的電動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)7和探測(cè)器10與所述的計(jì)算機(jī)11連 接。在本實(shí)施例中所述的飛秒激光光源1是一臺(tái)激光器，脈寬為90fs，輸出功率大于250mW，帶寬為 大于50nm，輻射波長(zhǎng)為780nm-840nm，中心波長(zhǎng)為800nm，重復(fù)頻率為76MHz的鈦寶石激光系統(tǒng)。所述的第一半透半反鏡2和第二半透半反鏡9均是一塊寬光譜介質(zhì)膜的半透半反
^Mi ο所述的第一全反射鏡3、第二全反射鏡4、第三全反射鏡5、第四全反射鏡6均是鍍 銀全反射鏡；所述的第二全反射鏡4和第三全反射鏡5固定在電動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)7上，組成一個(gè) 延遲裝置。所述的電動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)7為步進(jìn)精度為幾十納米，可以沿固定方向精密移動(dòng)，并可 重復(fù)定位的平臺(tái)。所述的待測(cè)樣品為8透明狀態(tài)的透射型樣品。所述的探測(cè)器10是一個(gè)對(duì)780nm-840nm具有靈敏光譜響應(yīng)的CXD探測(cè)器。所述的計(jì)算機(jī)11是一臺(tái)能實(shí)時(shí)重構(gòu)飛秒數(shù)字全息圖的計(jì)算機(jī)。本發(fā)明合成孔徑飛秒脈沖數(shù)字全息記錄裝置的工作原理和基本過(guò)程是飛秒激光從所述的激光光源1出射后，經(jīng)第一半透半反鏡2分成兩束光，即物光束 和參考光束，其中所述的參考光束經(jīng)第一全反射鏡3和第二半透半反鏡9反射后，作為干涉 記錄中的參考光進(jìn)入探測(cè)器10 ；所述的物光束經(jīng)第二全反射鏡4、第三全反射鏡5和第四全 反射鏡6反射后，透過(guò)待測(cè)樣品8形成攜帶有樣品信息的物光束，經(jīng)第二半透半反鏡9透射 后進(jìn)入探測(cè)器10，所述的攜帶有樣品信息的物光束和參考光束在探測(cè)器10中相遇干涉形 成全息圖。所述的第二全反射鏡4和第三全反射鏡5放置在一個(gè)電動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)7上，組成一
5個(gè)可變延遲器。所述的攜帶有樣品信息的物光束經(jīng)過(guò)電動(dòng)可變延遲器后，使物光束與參考 光之間產(chǎn)生一定的時(shí)間延遲，通過(guò)不同的時(shí)間延遲可使物光與參考光在探測(cè)器10中的干 涉區(qū)域沿一水平方向移動(dòng)。所述的CXD探測(cè)器10記錄在不同干涉區(qū)域的多幅子全息圖，數(shù)字化后存入計(jì)算機(jī) 11，然后利用數(shù)字圖像處理可合成一幅數(shù)字全息圖，由計(jì)算機(jī)11通過(guò)衍射算法進(jìn)行數(shù)字重 構(gòu)，最終獲得高分辨率的數(shù)字全息再現(xiàn)像，從而有效地增大所記錄全息圖的干涉面積，提高 其空間帶寬積，進(jìn)而提高了數(shù)字全息再現(xiàn)像的分辨率，增大了視場(chǎng)。數(shù)字全息圖由計(jì)算機(jī)11來(lái)實(shí)時(shí)重構(gòu)，本發(fā)明中所用的重構(gòu)方法為現(xiàn)有的數(shù)字全 息再現(xiàn)算法參見E. Cuche et al, Appl. Opt. 39,4070(2000)，其數(shù)字再現(xiàn)過(guò)程如圖2所 示將合成的全息圖經(jīng)傅里葉變換后，得到全息圖的頻譜分布。然后，經(jīng)濾波處理后得到只 包含有待測(cè)物體信息的+1級(jí)頻譜。最后，經(jīng)逆傅里葉變換后，重構(gòu)得到了待測(cè)物體的變化 fn息ο本發(fā)明的合成孔徑飛秒脈沖數(shù)字全息記錄裝置，利用合成孔徑技術(shù)有效地增大所 記錄全息圖的干涉面積，提高其空間帶寬積，進(jìn)而提高了飛秒脈沖數(shù)字全息再現(xiàn)像的分辨 率，增大了視場(chǎng)。并且該裝置只通過(guò)一個(gè)精密電動(dòng)微動(dòng)臺(tái)來(lái)改變物光與參考光之間的時(shí)間 延遲，記錄不同干涉區(qū)域的多幅子全息圖，來(lái)提高再現(xiàn)像的分辨率和增大視場(chǎng)，沒有用到棱 鏡或光柵等器件，沒有改變飛秒脈沖激光的脈寬，避免了裝置的復(fù)雜性。
權(quán)利要求
一種合成孔徑飛秒脈沖數(shù)字全息記錄裝置，包括激光光源(1)，其特征在于還包括第一半透半反鏡(2)、第二半透半反鏡(9)、第一全反射鏡(3)、第二全反射鏡(4)、第三全反射鏡(5)和第四全反射鏡(6)、電動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)(7)、待測(cè)樣品(8)、探測(cè)器(10)和計(jì)算機(jī)(11)，上述各元部件的位置關(guān)系如下飛秒激光從所述的激光光源(1)出射后，經(jīng)第一半透半反鏡(2)分成反射的物光束和透射的參考光束，所述的參考光束經(jīng)第一全反射鏡(3)和第二半透半反鏡(9)反射后進(jìn)入所述的探測(cè)器(10)，所述的物光束經(jīng)第二全反射鏡(4)、第三全反射鏡(5)和第四全反射鏡(6)反射，透過(guò)待測(cè)樣品(8)，經(jīng)第二半透半反鏡(9)透射后進(jìn)入所述的探測(cè)器(10)，所述的物光束和參考光束在探測(cè)器(10)中相遇干涉形成全息圖，所述的第二全反射鏡(4)和第三全反射鏡(5)放置在所述的電動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)(7)上，組成一個(gè)可變延遲器，所述的電動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)(7)和探測(cè)器(10)與所述的計(jì)算機(jī)(11)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成孔徑飛秒脈沖數(shù)字全息記錄裝置，其特征在于所述的飛 秒激光光源(1)是一臺(tái)激光器，脈寬為90fs，輸出功率大于250mW，帶寬為大于50nm，輻射波 長(zhǎng)為780nm-840nm，中心波長(zhǎng)為800nm，重復(fù)頻率為76MHz的鈦寶石激光系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成孔徑飛秒脈沖數(shù)字全息記錄裝置，其特征在于所述的第 一半透半反鏡(2)和第二半透半反鏡(9)均是一塊寬光譜介質(zhì)膜的半透半反鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成孔徑飛秒脈沖數(shù)字全息記錄裝置，其特征在于所述的第 一全反射鏡(3)、第二全反射鏡(4)、第三全反射鏡(5)、第四全反射鏡(6)均是鍍銀全反射 鏡；所述的第二全反射鏡(4)和第三全反射鏡(5)固定在電動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)上(7)，組成一個(gè)延 遲裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成孔徑飛秒脈沖數(shù)字全息記錄裝置，其特征在于所述的電 動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)(7)為一步進(jìn)精度為幾十納米，可以沿固定方向精密移動(dòng)，并可重復(fù)定位的平臺(tái)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成孔徑飛秒脈沖數(shù)字全息記錄裝置，其特征在于所述的待 測(cè)樣品(8)為透明狀態(tài)的透射型樣品。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成孔徑飛秒脈沖數(shù)字全息記錄裝置，其特征在于所述的探 測(cè)器(10)是一個(gè)對(duì)780nm-840nm具有靈敏光譜響應(yīng)的C⑶探測(cè)器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成孔徑飛秒脈沖數(shù)字全息記錄裝置，其特征在于所述的計(jì) 算機(jī)(11)是一臺(tái)能實(shí)時(shí)重構(gòu)飛秒數(shù)字全息圖的計(jì)算機(jī)。
全文摘要
一種合成孔徑飛秒脈沖數(shù)字全息記錄裝置，特點(diǎn)在于通過(guò)一個(gè)精密電動(dòng)微動(dòng)臺(tái)改變物光與參考光之間的時(shí)間延遲，利用探測(cè)器記錄不同干涉區(qū)域的多幅子全息圖，用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)重構(gòu)待測(cè)樣品的飛秒數(shù)字全息圖，有效地增大所記錄全息圖的干涉面積，提高了空間帶寬積，提高了飛秒脈沖數(shù)字全息再現(xiàn)像的分辨率，增大了視場(chǎng)。
文檔編號(hào)G11B7/0065GK101916570SQ20101021773
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者周常河, 朱林偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所