[实用新型]一种弱相位物体飞秒级时间分辨成像装置

说明书

本实用新型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。

技术领域

本实用新型涉及一种成像技术，特别涉及一种弱相位物体飞秒级时间分辨成像装置。

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。

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 vortexcoronagraph,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。

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。

发明内容

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^-15s)精度超快时间分辨能力的光学成像。

本实用新型的技术方案为：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。

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。