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、圖像識別和加密等技術(shù)領(lǐng)域。 近來，數(shù)字全息技術(shù)在超短脈沖領(lǐng)域的應(yīng)用，得到人們越來越多的關(guān)注。通過數(shù)字全息和泵 浦探測技術(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，由于 有限的脈沖寬度限制了脈沖激光在空間和時間上的相干性，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，例如用90fs脈寬，SOOnm波長的脈沖記錄，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。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 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消除 弱相干性，同時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，只是通過濾波技術(shù)來降低對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。本發(fā)明的基本構(gòu)思是通過計(jì)算機(jī)控制微動平臺的移動使脈沖激光的干涉區(qū)域在 CCD探測器的不同位置上移動。CCD探測器記錄多幅干涉區(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、電動微動平臺、待測樣品、探測器和計(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，透過待測樣品，經(jīng)第二半透 半反鏡透射后進(jìn)入探測器，所述的物光束和參考光束在探測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電動微動平臺上，組成一個可變延遲器。所述的電動 微動平臺和探測器與計(jì)算機(jī)連接。所述的飛秒激光光源的實(shí)施例是一臺激光器，脈寬為90fs，輸出功率大于250mW， 帶寬為大于50nm，輻射波長為780nm-840nm，中心波長為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微動平臺上，組成一個延遲裝置。所述的電動微動平臺為一步進(jìn)精度為幾十納米，可以沿固定方向精密移動，并可 重復(fù)定位的平臺。所述的待測樣品為透明狀態(tài)的透射型樣品。所述的探測器是一個對780nm-840nm具有靈敏光譜響應(yīng)的CXD探測器。所述的計(jì)算機(jī)是一臺能實(shí)時重構(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，透過待測樣品，經(jīng)第二半透半反鏡透射后進(jìn)入探測 器，所述的物光束和參考光束在探測器中相遇干涉形成全息圖。所述的第二和第三全反射 鏡放置在一個電動微動平臺上，組成一個可變延遲器。所述的電動微動平臺和探測器與計(jì) 算機(jī)連接。所述的計(jì)算機(jī)控制微動平臺的移動可使脈沖激光的干涉區(qū)域在CCD探測器的不 同位置方向上移動。所述的探測器記錄多幅干涉區(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)過電動可變延遲器后，使物光束與參考光之間 產(chǎn)生一定的時間延遲，通過不同的時間延遲使物光與參考光在探測器中的干涉區(qū)域沿某一 方向移動。利用CCD探測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。并且上述過程中，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-電動微動平臺、8-待測樣品、9-第二半透半反鏡、10-探測 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)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。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、電動微動平臺7、待 測樣品8、探測器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 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，透過待 測樣品8，經(jīng)第二半透半反鏡9透射后進(jìn)入探測器10，所述的物光束和參考光束在探測器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放置在一個電動微動平 臺7上，組成一個可變延遲器。所述的電動微動平臺7和探測器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是一臺激光器，脈寬為90fs，輸出功率大于250mW，帶寬為 大于50nm，輻射波長為780nm-840nm，中心波長為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固定在電動微動平臺7上，組成一個 延遲裝置。所述的電動微動平臺7為步進(jìn)精度為幾十納米，可以沿固定方向精密移動，并可 重復(fù)定位的平臺。所述的待測樣品為8透明狀態(tài)的透射型樣品。所述的探測器10是一個對780nm-840nm具有靈敏光譜響應(yīng)的CXD探測器。所述的計(jì)算機(jī)11是一臺能實(shí)時重構(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，透過待測樣品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)入探測器10，所述的攜帶有樣品信息的物光束和參考光束在探測器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放置在一個電動微動平臺7上，組成一
5個可變延遲器。所述的攜帶有樣品信息的物光束經(jīng)過電動可變延遲器后，使物光束與參考 光之間產(chǎn)生一定的時間延遲，通過不同的時間延遲可使物光與參考光在探測器10中的干 涉區(qū)域沿一水平方向移動。所述的CXD探測器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。數(shù)字全息圖由計(jì)算機(jī)11來實(shí)時重構(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 包含有待測物體信息的+1級頻譜。最后，經(jīng)逆傅里葉變換后，重構(gòu)得到了待測物體的變化 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。并且該裝置只通過一個精密電動微動臺來改變物光與參考光之間的時間 延遲，記錄不同干涉區(qū)域的多幅子全息圖，來提高再現(xiàn)像的分辨率和增大視場，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)、電動微動平臺(7)、待測樣品(8)、探測器(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，透過待測樣品(8)，經(jīng)第二半透半反鏡(9)透射后進(jìn)入所述的探測器(10)，所述的物光束和參考光束在探測器(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)放置在所述的電動微動平臺(7)上，組成一個可變延遲器，所述的電動微動平臺(7)和探測器(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)是一臺激光器，脈寬為90fs，輸出功率大于250mW，帶寬為大于50nm，輻射波 長為780nm-840nm，中心波長為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)固定在電動微動平臺上(7)，組成一個延 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 動微動平臺(7)為一步進(jìn)精度為幾十納米，可以沿固定方向精密移動，并可重復(fù)定位的平臺。
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 測器(10)是一個對780nm-840nm具有靈敏光譜響應(yīng)的C⑶探測器。
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)是一臺能實(shí)時重構(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)在于通過一個精密電動微動臺改變物光與參考光之間的時間延遲，利用探測器記錄不同干涉區(qū)域的多幅子全息圖，用計(jì)算機(jī)實(shí)時重構(gòu)待測樣品的飛秒數(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。
文檔編號G11B7/0065GK101916570SQ20101021773
公開日2010年12月15日 申請日期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 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所