專利名稱：飛秒脈沖全息層析裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是關(guān)于一種飛秒脈沖全息技術(shù)，特別是一種飛秒脈沖全息層析裝置，它能應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)等諸多技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自從二十世紀(jì)九十年代以來，激光技術(shù)得到了長足的發(fā)展。如今可直接從單一的激光光源中獲得脈寬小于10fs、1012W量級的飛秒激光脈沖。這些超高功率飛秒激光脈沖被聚焦后，激光強(qiáng)度可以高于1020W/cm2，它相當(dāng)于將所有照射到地球上的太陽輻射聚焦到針尖大小的小孔上所獲得的光強(qiáng)度。由于激光器的規(guī)模主要取決于脈沖的能量水平，利用飛秒超短脈沖，相對較小的激光裝置就可以提供極高峰值功率的脈沖。整套激光裝置可安裝在一個(gè)常規(guī)的光學(xué)平臺(tái)上，其聚焦后的電場強(qiáng)度足以剝離原子內(nèi)層的電子，從而使人類有了可以徹底改變和控制物質(zhì)中電子的運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)而改變物質(zhì)性質(zhì)和狀態(tài)的能力。而且，許多傳統(tǒng)的物理概念將受到極大的沖擊，給天體物理、材料科學(xué)、等離子體物理、激光核聚變、原子核物理、非線性光學(xué)、相對論物理、凝聚態(tài)物理、激光物理、加速器物理、高能物理及其它應(yīng)用學(xué)科帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
高功率超快飛秒激光器的發(fā)展，特別是飛秒激光器的商品化，也給全息術(shù)帶來了新的機(jī)遇。采用飛秒激光脈沖紀(jì)錄全息圖研究各種超快過程，已取得了許多有意義的結(jié)果。然而一個(gè)令人不滿的結(jié)果是，這些飛秒激光器的線寬都在5nm以上，并且脈沖越短，線寬越寬，所能紀(jì)錄到的干涉條紋總數(shù)往往少于100條，這些結(jié)果都大大影響了全息圖的數(shù)值孔徑角和分辨率。
我們知道全息具有三維重構(gòu)特性，需要在各個(gè)方向都得到近似相同的分辨率。如果將一個(gè)物體的透過率函數(shù)分解為不同的空間頻率成份，當(dāng)一束波矢量為K0的平面波入射時(shí)，會(huì)與某個(gè)波長為K的周期結(jié)構(gòu)相互作用而產(chǎn)生彈性散射，根據(jù)布拉格法則，我們可以得到縱向分辨率為δE≈λsin2α≈δxλsinα]]>從上式可以看到，在數(shù)值孔徑sinα約等于1時(shí)，縱向分辨率δE與縱向分辨率δx相等，而在實(shí)際條件下，由于飛秒脈沖全息圖的數(shù)值孔徑角很小，因此，飛秒脈沖全息縱向分辨率很差。
現(xiàn)在我們來討論一下層析成像。層析成像亦稱計(jì)算機(jī)斷層掃描或投影圖像重現(xiàn)術(shù)等，簡稱CT(Computer Tomography)。用一句簡單的話來說，就是借助物體的多重投影，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)來恢復(fù)物體的三維圖像。由于從投影數(shù)據(jù)還原三維結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行大量的數(shù)值計(jì)算，因此這一技術(shù)從一開始就與計(jì)算機(jī)緊密相連，并被稱為計(jì)算機(jī)輔助斷層成像技術(shù)，簡稱CT。近年來，它的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)范疇，已涉及材料科學(xué)、信息科學(xué)及許多工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，并正向人們顯示它巨大的潛在的多學(xué)科的應(yīng)用前景。
CT的成像方法完全不同于常規(guī)攝影成像。普通攝影是將三維空間的圖像投影到一個(gè)二維平面上，即圖像上每一點(diǎn)是被測物體沿著觀察方向的線積分。因此從一張普通的照片得不到物體的深度分布信息，因?yàn)楦魃疃鹊膱D像疊合在一起，使圖像模糊不清。
層析特別是X-CT，解決了醫(yī)學(xué)對肌體逐層成像的問題。它能將衰減系數(shù)在千分之五的差異區(qū)分出來，所以具有高密度分辨率，可以清楚地辨別腫瘤、血塊、壞死組織等。由于近代計(jì)算機(jī)技術(shù)和光學(xué)信息處理技術(shù)的發(fā)展，使得層析成像技術(shù)獲得更廣泛的應(yīng)用。
層析成像的物理原理是基于光線與物質(zhì)的相互作用。光線通過吸收系數(shù)為μ，厚度為1的介質(zhì)，其衰減應(yīng)遵守比爾(Beer)定律。
這種成像技術(shù)存在兩個(gè)缺點(diǎn)1、為了重建圖像，物體要進(jìn)行多次曝光，這對于敏感的生物樣品而言，可能會(huì)對樣品結(jié)構(gòu)造成破壞；2、由于不可避免的衍射效應(yīng)，圖像恢復(fù)時(shí)會(huì)造成誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題在于克服在先技術(shù)的不足，提供一種飛秒脈沖全息層析裝置。
本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思是由于飛秒全息受到脈沖光源線寬的限制，再現(xiàn)時(shí)，圖像縱向分辨率很低，基本上都是二維圖像。如果我們記錄下不同角度下的全息圖并再現(xiàn)之，得到二維圖像，再利用CT技術(shù)就可以進(jìn)行三維重建。實(shí)際上，在光源具有一定的時(shí)間及空間相干性的條件下，帶有衍射條紋的CT投影圖就是一幅全息圖?？梢娺@兩種技術(shù)的結(jié)合可以揚(yáng)長避短，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，是一種很有前景的X射線三維顯微成像技術(shù)[參見在先技術(shù)Mc Nulty I，Nucl.Meth.，1994，A347170～176]。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下一種飛秒脈沖全息層析裝置，包括飛秒激光器，其特點(diǎn)是還有第一半透半反射膜板、第一反射鏡、由全反射膜板組成的光學(xué)延遲線、第二全反射膜板、待測樣品、第二半透半反射膜板、探測器、計(jì)算器和三維平臺(tái)，其位置關(guān)系是所述的待測樣品置放在三維平臺(tái)上，沿飛秒激光器發(fā)出的激光束的前進(jìn)方向設(shè)有第一半透半反射膜板，激光束經(jīng)第一半透半反射膜板被分成透射光束和反射光束，其透射光束經(jīng)第一反射鏡、光學(xué)延遲線、第二半透半反射膜板到達(dá)探測器上，其反射光束經(jīng)第二全反射膜板、待測樣品、第二半透半反射膜板，和透射光束在探測器上相遇干涉構(gòu)成全息圖，再送計(jì)算器。
所說的飛秒激光器，是一臺(tái)輸出脈寬為120飛秒、單脈沖能量為10納焦耳、波長為800nm、譜寬為10nm的鈦寶石激光器，可在市場上購買得到的。
所說的半透半反射膜板是一塊45°透過50％、反射50％的介質(zhì)膜板。
所說的全反射膜板是一塊45°入射的全反射介質(zhì)膜板。
所說的待測樣品，是一個(gè)位相物體，所謂位相物體它不對入射光吸收，只引起位相延遲。待測樣品放在一個(gè)三維平臺(tái)上，可以自由地轉(zhuǎn)動(dòng)和前后平動(dòng)。
所說的探測器是一個(gè)電荷耦合器，用來記錄飛秒全息圖。
所說的計(jì)算器是一臺(tái)用來重構(gòu)飛秒全息圖的終端顯示器。
所說的三維平臺(tái)可以左右、上下轉(zhuǎn)動(dòng)，還能進(jìn)行前后平動(dòng)的工作臺(tái)，可在市場上購到。
當(dāng)飛秒激光器運(yùn)轉(zhuǎn)之后，入射到第一半透半反射膜板上，分成強(qiáng)度相等的兩束光透射光束A和反射光束B。A光束經(jīng)過第一全反射膜板后，進(jìn)入到由全反射膜板構(gòu)成的光學(xué)延遲中，然后入射到第二半透半反射膜板上，到達(dá)探測器。B光束經(jīng)第二全反射膜板、待測樣品、第二半透半反射膜板，和A光束在探測器上相遇，并干涉構(gòu)成全息圖。全息圖上的干涉條紋間距與A、B光束間的夾角相關(guān)。當(dāng)完成一次拍攝以后，信息存儲(chǔ)在計(jì)算器中，然后移動(dòng)平臺(tái)5μm，由于飛秒激光器帶寬高達(dá)10nm，因此調(diào)整光學(xué)延遲線，保證A光束和B光束等光程，再拍攝第二張全息圖。如此重復(fù)進(jìn)行約10次左右，即在不同的樣品截面處拍攝10張全息圖，分別將每一張全息圖在不同的角度下重構(gòu)，就可以獲得一個(gè)樣品截面處的投影數(shù)據(jù)。這樣采用CT重構(gòu)方法就可以獲得飛秒脈沖全息層析的三維圖形。
本實(shí)用新型的技術(shù)效果本實(shí)用新型與在先技術(shù)相比，本實(shí)用新型飛秒脈沖全息層析裝置可以高分辨率地記錄和重構(gòu)超快動(dòng)態(tài)過程，特別是使用了光學(xué)延遲線，可以提高縱向分辨率，把飛秒激光寬帶的劣勢變成優(yōu)勢，將在超快生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)中獲得及其廣泛的應(yīng)用。


圖1為本實(shí)用新型的飛秒脈沖全息層析成像裝置原理圖。
具體實(shí)施方式
先請參閱圖1，圖1為本實(shí)用新型的飛秒脈沖全息層析成像裝置原理圖。由圖可見，本實(shí)用新型一種飛秒脈沖全息層析裝置，包括飛秒激光器1，其特征在于還有第一半透半反射膜板2、第一全反射膜板3、由全反射膜板4、5、6、7組成的光學(xué)延遲線、第二全反射膜板8、待測樣品9、第二半透半反射膜板10、探測器11、計(jì)算器12和三維平臺(tái)13，其位置關(guān)系是所述的待測樣品9置放在三維平臺(tái)13上，沿飛秒激光器1發(fā)出的激光束的前進(jìn)方向設(shè)有第一半透半反射膜板2，激光束經(jīng)該第一半透半反射膜板2被分成透射光束和反射光束，其透射光束經(jīng)第一全反射膜板3、光學(xué)延遲線和第二半透半反射膜板10反射到探測器11上，其反射光束經(jīng)第二全反射膜板8、待測樣品9、第二半透半反射膜板10射到探測器11與上述透射光束在探測器11干涉并形成干涉全息圖，再送計(jì)算器12。
所說的飛秒激光器1，是一臺(tái)輸出脈寬為120飛秒、單脈沖能量為10納焦耳、波長為800nm、譜寬為10nm的鈦寶石激光器，可在市場上購買得到的。
所說的半透半反射膜板2，10，是一塊45°透過50％、反射50％的介質(zhì)膜板。
所說的全反射膜板是一塊45°入射的全反射介質(zhì)膜板，其中全反射膜板4，5，6，7構(gòu)成一個(gè)光學(xué)延遲線。
所說的待測樣品9是一個(gè)位相物體，所謂位相物體它不對入射光吸收，只引起位相延遲。待測樣品9放在一個(gè)三維平臺(tái)13上，可以自由地轉(zhuǎn)動(dòng)和前后平動(dòng)。
所說的探測器11，是一個(gè)電荷耦合器，用來記錄飛秒全息圖。
所說的計(jì)算器12是一臺(tái)用來重構(gòu)飛秒全息圖的終端顯示器。
所說的三維平臺(tái)13可以左右、上下轉(zhuǎn)動(dòng)，還能進(jìn)行前后平動(dòng)的工作臺(tái)，可在市場上購到。
其工作過程如下當(dāng)飛秒激光器1運(yùn)轉(zhuǎn)之后，入射到第一45°半透半反射膜板2上，分成強(qiáng)度相等的兩束光透射光束A和反射光束B。A光束經(jīng)過第一全反射膜板3以后，進(jìn)入到由全反射膜板4，5，6，7構(gòu)成的光學(xué)延遲線中，然后入射到第二半透半反射膜板10上，反射到探測器11。B光束經(jīng)第二全反射膜板8，經(jīng)待測樣品9，第二半透半反射膜板10，和A光束在探測器11上相遇，并干涉構(gòu)成全息圖。全息圖上的干涉條紋間距與A、B光束間的夾角相關(guān)。當(dāng)完成一次拍攝以后，信息存儲(chǔ)在計(jì)算器12中，然后移動(dòng)平臺(tái)5μm，由于飛秒激光器1帶寬高達(dá)10nm，調(diào)整光學(xué)延遲線，保證A光束和B光束等光程，再拍攝第二張全息圖。如此重復(fù)進(jìn)行約10次左右，即在不同的樣品截面處拍攝10張全息圖，分別將每一張全息圖在不同的角度下重構(gòu)，就可以獲得一個(gè)樣品截面處的投影數(shù)據(jù)。這樣采用CT重構(gòu)方法就可以獲得飛秒脈沖全息層析的三維圖形。
權(quán)利要求1.一種飛秒脈沖全息層析裝置，包括飛秒激光器(1)，其特征在于還有第一半透半反射膜板(2)、第一反射鏡(3)、由全反射膜板(4、5、6、7)組成的光學(xué)延遲線、第二全反射膜板(8)、待測樣品(9)、第二半透半反射膜板(10)、探測器(11)、計(jì)算器(12)和三維平臺(tái)(13)，其位置關(guān)系是所述的待測樣品(9)置放在三維平臺(tái)(13)上，沿飛秒激光器(1)發(fā)出的激光束的前進(jìn)方向設(shè)有第一半透半反射膜板(2)，激光束經(jīng)第一半透半反射膜板(2)被分成透射光束和反射光束，其透射光束經(jīng)第一反射鏡(3)、光學(xué)延遲線和第二半透半反射膜板(10)投射至探測器(11)上，其反射光束經(jīng)第二全反射膜板(8)、待測樣品(9)和第二半透半反射膜板(10)透射到探測器(11)上與透射光束干涉構(gòu)成的全息圖，再送計(jì)算器(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒脈沖全息層析裝置，其特征在于所述的飛秒激光器(1)是一臺(tái)輸出脈寬為120飛秒、單脈沖能量為10納焦耳、波長為800nm、譜寬為10nm的鈦寶石激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒脈沖全息層析裝置，其特征在于所述的半透半反射膜板(2，10)是一塊45°透過50％、反射50％的介質(zhì)膜板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒脈沖全息層析裝置，其特征在于所述的探測器(11)是一個(gè)電荷耦合器。
專利摘要一種飛秒脈沖全息層析裝置，包括飛秒激光器，其特點(diǎn)是還有第一半透半反射膜板、第一反射鏡、由全反射膜板組成的光學(xué)延遲線、第二全反射膜板、待測樣品、第二半透半反射膜板、探測器、計(jì)算器和三維平臺(tái)，其位置關(guān)系是所述的待測樣品置放在三維平臺(tái)上，沿飛秒激光器發(fā)出的激光束的前進(jìn)方向設(shè)有第一半透半反射膜板，激光束經(jīng)第一半透半反射膜板被分成透射光束和反射光束，其透射光束經(jīng)第一反射鏡、光學(xué)延遲線、第二半透半反射膜板到達(dá)探測器上，其反射光束經(jīng)第二全反射膜板、待測樣品、第二半透半反射膜板，和透射光束在探測器上相遇干涉構(gòu)成全息圖，再送計(jì)算器。本實(shí)用新型可以高分辨率地記錄和重構(gòu)超快動(dòng)態(tài)過程。
文檔編號(hào)G03H1/00GK2699340SQ20032012243
公開日2005年5月11日 申請日期2003年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月15日
發(fā)明者陳建文, 高鴻奕, 朱化鳳, 謝紅蘭, 李儒新, 徐至展 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所