基于超快激光的高时间分辨全息偏振显微成像系统及方法

摘要

本发明公开了基于超快激光的高时间分辨全息偏振显微成像系统及方法，光源系统产生超短激光脉冲，经过四分之一波片后被调制成圆偏振光，时间延迟系统将入射激光脉冲分成两个延迟时间可调的探测子脉冲，两个探测子脉冲通过衍射系统后，经过分光镜分两路分别进入干涉系统的样品光路和参考光路，分别得到物光波和参考光波；参考光波和物光波经过第三分光镜后在记录平面叠加，叠加后的光场由与光源系统同步的记录系统来记录，得到包含两个不同时刻的物光波各正交偏振分量的复振幅信息的时间分辨偏振全息图；采用全息图的处理方法对时间分辨偏振全息图进行处理，得到两个不同时刻透过超快变化样品的物波各正交偏振分量的复振幅信息。

说明书

技术领域

本发明涉及基于超快激光的高时间分辨全息偏振显微成像系统及方法。

背景技术

近几十年来，随着超快激光技术的发展，基于超快激光的高时间分辨成像技术成为了研究超快现象的一个重要手段。到目前为止，常见的时间分辨成像技术主要包括时间分辨阴影成像，相衬显微，光谱干涉测量，波前传感和数字全息等。这些方法各有各的优缺点，时间分辨阴影成像只能记录物光波透过样品后的衍射强度图样，不能给出样品的相位信息；相衬显微镜能记录超快过程中样品折射率的变化，而不能给出样品透过率的变化；光谱干涉测量可以同时对样品的透过率和折射率进行定量测量，其缺点是其空间分辨率只有一维；波前传感技术可以同时获得物波的二维振幅和相位信息，但是其图像分辨率不够高。相比较而言，数字全息(DH)成为了研究超快现象的一种比较有效的方法。Papazoglou等人利用同轴DH技术对飞秒激光与透明材料的相互作用过程进行了测量。Balciunas等人提出了一种基于马赫-曾德干涉仪光路的时间分辨离轴DH技术，并利用该方法对水中的飞秒激光成丝现象进行了研究。此外，Wang等人提出了一种角分复用DH技术，该技术的优点是可以用一个全息图记录超快过程中三个不同时刻的复振幅分布。然而，以上这些DH技术只能研究各向同性材料(如水和空气等)中的超快现象。事实上，大多数透明材料都是偏振敏感的，例如功能晶体和生物样品。此外，各向同性材料被聚焦的飞秒激光辐照后也会产生人工双折射现象，例如熔融石英。Colomb等人提出了一种基于离轴DH的偏振显微方法，但是该方法只能对静态的物体进行偏振测量和成像。到目前为止，还没有一种能对超快现象进行时间分辨偏振测量和成像的方法。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供基于超快激光的高时间分辨全息偏振显微成像系统及方法，该方法不仅可以实现超快现象的偏振成像，还能在一次测量中同时记录超快过程中两个不同时刻的偏振信息。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于超快激光的高时间分辨全息偏振显微成像系统，包括：

光源系统，用于产生超短激光脉冲，经过四分之一波片后被调制成圆偏振光，并发送给时间延迟系统；

时间延迟系统，用于将入射激光脉冲分成两个延迟时间可调的探测子脉冲，两个探测子脉冲通过衍射系统后，再经过分光镜分两路分别进入干涉系统的样品光路和参考光路；

在样品光路，通过第一空间滤波器滤波后，只保留从衍射系统出射的零级衍射光，零级衍射光通过第一偏振片后作为照明光入射到动态样品上，透过动态样品后得到包含样品两个不同时刻复振幅的物光波；

在参考光路，通过第三空间滤波器滤波后，只保留从衍射系统出射的四束一级衍射光，再经过第二偏振片或第三偏振片处理，得到参考光波；

参考光波和物光波经过第三分光镜后在记录平面叠加，叠加后的光场由与光源系统同步的记录系统来记录，得到包含两个不同时刻的物光波各正交偏振分量的复振幅信息的时间分辨偏振全息图；

计算机处理系统，用于采用离轴全息图的处理方法对时间分辨偏振全息图进行处理，得到在两个不同时刻透过超快变化样品的物光波各正交偏振分量的复振幅信息。

所述光源系统，包括：超短脉冲激光器和四分之一波片；所述超短脉冲激光器用于产生超短激光脉冲，四分之一波片将超短激光脉冲调制成圆偏振光。

所述时间延迟系统，包括：第一分光镜，所述第一分光镜连接两条支路：第一支路和第二支路；

第一条支路包括依次连接的第一反光镜和第二反光镜；其中，第一反光镜与第一分光镜连接；第二反光镜与衍射系统连接；

第二条支路包括依次连接的第三反光镜和第四反光镜；其中，第三反光镜与第一分光镜连接；第四反光镜与衍射系统连接。

所述衍射系统，包括：两个取向成45度的正交光栅：第一正交光栅和第二正交光栅；其中，第一正交光栅的第一侧与第二反光镜连接，第一正交光栅的第二侧与干涉系统连接；所述第二正交光栅的第一侧与第四反光镜连接，第二正交光栅的第二侧与干涉系统连接。

所述干涉系统，包括：第二分光镜，所述第二分光镜分别连接两条支路：样品光路和参考光路；

样品光路，包括：依次连接的第一空间滤波器、第五反光镜、第一偏振片、第一透镜、第二空间滤波器、第二透镜、动态样品、显微物镜和第三分光镜；

参考光路，包括：依次连接的第二分光镜、第三透镜、第三空间滤波器、第六反光镜、第四透镜和第三分光镜；所述第三空间滤波器为四针孔滤波器，在四针孔滤波器的针孔位置上覆盖了两个偏振方向正交的第二偏振片和第三偏振片，其中两个针孔位置覆盖第二偏振片，另外两个针孔位置覆盖第三偏振片；

所述第二分光镜分别与第一正交光栅的第二侧和第二正交光栅的第二侧连接；

所述第三分光镜与记录系统连接。

所述第二分光镜的作用是：将进入干涉系统的脉冲激光分成物光和参考光；

所述第三分光镜的作用是：实现物光和参考光汇聚后出射。

所述样品光路的照明光由第一正交光栅和第二正交光栅的两个零级衍射光组成，所述照明光的偏振方向由第一偏振片来控制。

所述参考光通过第三空间滤波器滤波的过程中，第三空间滤波器是四针孔空间滤波器，四针孔空间滤波器只让每个正交光栅相互垂直的一级衍射光中的两束通过。

所述参考光经过第二偏振片或第三偏振片处理过程中，来自两个探测脉冲的两束光经过第二偏振片后变成水平偏振的线偏振光；另外两束光经过第三偏振片变成垂直偏振的线偏振光。

所述记录系统，包括：图像传感器，所述图像传感器与第三分光镜连接，所述图像传感器还与计算机处理系统连接。

所述计算机处理系统，包括：

快速傅里叶变换模块：用于对时间分辨偏振全息图进行快速傅里叶变换，变换到空间频域；

空间滤波模块：用于从全息图的空间频域中分别提取包含物光波信息的四个空间频谱分量；

快速傅里叶逆变换模块：用于对提取的空间频谱分量进行快速傅里叶逆变换，获得所需要的物光波各正交偏振分量的复振幅分布。

基于超快激光的高时间分辨全息偏振显微成像方法，包括如下步骤：

由脉冲激光器产生的超短激光脉冲，首先通过四分之一波片，再经过时间延迟系统后，变成两个延迟时间可调的探测子脉冲，两个探测子脉冲通过衍射系统后，再经过分光镜分两路分别进入干涉系统的样品光路和参考光路；

在样品光路，通过第一空间滤波器滤波后，只保留从衍射系统出射的零级衍射光，零级衍射光通过第一偏振片后作为照明光入射到动态样品上，透过动态样品后得到包含样品两个不同时刻透射特性的物光波；

在参考光路，通过第三空间滤波器滤波后，只保留从衍射系统出射的四束一级衍射光，再经过第二偏振片或第三偏振片处理，得到参考光波；

参考光波和物光波经过第三分光镜后在记录平面叠加，叠加后的光场由与光源系统同步的图像传感器来记录，得到包含两个不同时刻的透射物光波各正交偏振分量的复振幅信息的时间分辨偏振全息图；

采用全息图的处理方法对时间分辨偏振全息图进行处理后，得到两个不同时刻透过超快变化样品的物光波各正交偏振分量的复振幅信息。

所述全息图的处理方法为：

对时间分辨偏振全息图进行快速傅里叶变换，变换到空间频域；

从全息图的空间频域中分别提取包含物波信息的四个空间频谱分量；

对提取的空间频谱分量进行快速傅里叶逆变换，获得所需要的物光波各正交偏振分量的复振幅分布。

所述复振幅信息，包括：振幅和相位。

本发明的有益效果：

本发明提出了基于超快激光的高时间分辨全息偏振显微成像系统及方法。与其它时间分辨技术相比较，该方法不仅可以实现超快现象的高时间分辨偏振成像，还能在一次测量中同时记录超快过程中两个不同时刻的偏振信息。基于该系统，我们成功地对超快激光与两种典型偏振敏感材料(线性偏振片和云母片)的超快相互作用过程进行了动态表征。实验结果证明，本发明为超快过程的偏振测量和成像提供了一种有效的手段，对于那些无法进行重复性测量的实验更有应用价值和实际意义。

附图说明

图1高时间分辨全息偏振显微成像系统示意图；

图2用于表征超快激光诱导超快现象的实验系统示意图；

图3(a)-图3(l)线性偏振片在不同时刻的振幅和相位分布图像；

图4(a)-图4(l)云母片在不同时刻的振幅和相位分布图像。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

图1高时间分辨全息偏振显微成像系统示意图。QWP，四分之一波片；BS1–BS3，分光镜；M1–M6，反光镜；P1-P3，偏振片；CG1-CG2，正交光栅；PF1-PF3，空间滤波器；L1-L4，透镜；MO，显微物镜；CCD，图像传感器；Obj，动态物体。

图2用于表征超快激光诱导超快现象的实验系统示意图。QWP，四分之一波片；BS1–BS3，分光镜；M1–M6，反光镜；P1-P3，偏振片；CG1-CG2，正交光栅；PF1-PF3，空间滤波器；L1-L4，透镜；MO，显微物镜；CCD，图像传感器；Obj，动态物体。图3(a)-图3(l)在不同时刻透过一个线性偏振片样品的物波各正交偏振分量的复振幅(包括振幅和相位)分布图像。图3(a)-(d)泵浦前通过样品的物波各正交偏振分量的振幅和相位分布；图3(e)-(h)当时间延迟为0.2ns时，通过样品的物波各正交偏振分量的振幅和相位分布；图3(i)-(l)当时间延迟为1.8ns时，通过样品的物波各正交偏振分量的振幅和相位分布。图中带箭头的白色虚线表示泵浦脉冲在样品中的传播方向。

图4(a)-图4(l)透过一个云母片样品的物波各正交偏振分量在不同时刻的振幅和相位分布图像。图4(a)-(d)泵浦前通过样品的物波各正交偏振分量的振幅和相位分布；图4(e)-(h)当时间延迟为0.1ns时，通过样品的物波各正交偏振分量的振幅和相位分布；图4(i)-(l)当时间延迟为1.7ns时，通过样品的物波各正交偏振分量的振幅和相位分布。

图1给出了时间分辨全息偏振显微成像方法的原理图，该方法的主要步骤包括：由脉冲激光器产生的超短激光脉冲首先通过一个四分之一波片，再经过一个时间延迟系统后，变成两个延迟时间可调的探测子脉冲。这两个探测脉冲通过衍射系统后，再经分光镜分为两路分别进入干涉系统的样品光路和参考光路。在样品光路，通过针孔滤波后，只保留从衍射系统出射的零级衍射光，通过偏振片后作为照明光入射到动态样品上，透过样品后得到包含样品两个不同时刻信息的物光波。在参考光路，通过一个四针孔空间滤波器进行滤波，只保留从衍射系统出射的四束一级衍射光，再经过偏振处理过程，作为参考光波。参考光波和物光波经过分光镜后在记录平面叠加，叠加后的光场由一个与光源系统同步的图像传感器来记录，得到包含两个不同时刻的物光波各正交偏振分量的复振幅信息的时间分辨偏振全息图。利用本发明的全息图处理方法对该时间分辨偏振全息图进行计算机处理后就可得到超快过程中样品在两个不同时刻透过样品的物波各正交偏振分量的复振幅信息。

本系统主要包含光源系统、时间延迟系统、衍射系统、干涉系统、记录系统和计算机处理系统。所述的光源系统，由一个超短脉冲激光器和一个四分之一波片构成，用来产生脉冲圆偏振光。所述的时间延迟系统，主要由一个分光镜和两个时间延迟线构成。所述的衍射系统，由两个取向成45度的二维正交光栅组成。所述的干涉系统，是一个马赫-曾德干涉系统，包含一对分光镜和一对反光镜，其中一个分光镜的作用将进入干涉系统的脉冲激光分成物光和参考光；另一个分光镜实现物光和参考光的汇聚出射。所述的样品光路的照明光，由两个二维光栅的两个零级衍射光组成，其偏振方向由一个偏振片来控制。所述的参考光滤波过程，是指通过四针孔空间滤波器对进入参考光路的光进行滤波，只让每个正交光栅相互垂直的一级衍射光中的两束通过。所述的偏振处理过程，是让从四针孔空间滤波器出射的光经过两个正交偏振片的过程，其中两束光经过偏振片后变成水平偏振的线偏振光，另外两束光经过另一偏振片变成垂直偏振的线偏振光。所述的计算机处理系统对全息图的处理方法主要包含三个步骤：(1)对时间分辨偏振全息图进行快速傅里叶变换，把它转换到空间频域。(2)从全息图的空间频谱中分别提取包含物波信息的四个空间频谱分量。(3)对提取的空间频谱分量进行快速傅里叶逆变换，便可获得所测物光波各正交偏振分量的复振幅分布。

接下来，我们将对图1所示实验系统做进一步的说明。由脉冲激光器产生的超短激光脉冲通过一个四分之一波片QWP后被调制成圆偏振光，再经分光镜BS1分成两个子脉冲，然后这两个子脉冲分别通过由反光镜M1、M2组成的时间延迟线1和反光镜M3、M4组成的时间延迟线2，便可产生两个延迟时间可调的探测脉冲。这两个探测脉冲先后分别通过二维正交光栅CG1和CG2，再经分光镜BS2分成两路：一路是物波光路，另一路是参考光路。在物波光路中设置了一个滤波器PF1，该滤波器只允许从光栅CG1和光栅CG2出射的零级衍射光先后通过；透过滤波器PF1的光经过偏振片P1后照射到动态样品上，透过样品后得到包含样品两个不同时刻信息的物光波。在参考光路中设置了一个四针孔空间滤波器PF3，该滤波器将来自光栅CG1和光栅CG2的零级衍射光遮挡住，只允许光栅CG1和光栅CG2一级衍射光中的四束光通过，作为记录时间分辨偏振全息图的参考光，其中两束参考光和是来自正交光栅CG1，另两束参考光和来自于正交光栅CG2。假设光栅CG2的空间取向相对光栅CG1旋转45度，四针孔滤波器PF3上的四个滤波针孔的空间分布可按如图1中的放大部分所示设置。同时，在四针孔滤波器PF3的四个滤波针孔位置上还设置了两个正交的线偏振片P2和P3，通过偏振片P2和P3后四束参考光变成了两组正交线偏振光，例如参考光和变成水平偏振的线偏振光，参考光和变成垂直偏振的线偏振光。物波光路中的光经过滤波器PF1、反光镜M5、偏振片P1、透镜L1、低通滤波器PF2、透镜L2、待测动态样品Obj、显微物镜MO和分光镜BS3后到达记录平面。参考光路中的光经过透镜L3、四针孔偏振滤波器PF3、反光镜M6、透镜L4和分光镜BS3后达到记录平面。这四个参考光和物光波经过分光棱镜后在记录平面叠加，叠加后的光场由一个与超快激光系统同步的外触发CCD来记录，得到包含两个不同时刻的物光波各正交偏振分量的复振幅信息的时间分辨偏振全息图。由于在实际测量中，两个测量脉冲之间的时间延迟Δτ要大于脉冲激光的脉宽，因此物光波各正交偏振分量只能和来自同一个测量脉冲的参考光的同向正交偏振分量发生干涉。所以，CCD记录平面上总的光强I可以表示为，

其中，和表示来自第一个探测脉冲的物光波的两个正交偏振分量的复振幅；和是来自第二个探测脉冲的物光波的两个正交偏振分量的复振幅，这两个脉冲之间的时间延迟为Δτ＝t₂-t₁。四个参考光的复振幅和可以写成，

其中，ξ₁,ξ₂,η₁和η₂分别是四个参考光在记录平面上的空间频率分量。公式(1)可以进一步简化为，

其中，

和

公式(3)-(5)中的上标(*)表示复数的共轭运算，Y₀是零级项，Y_1x,Y_1y,Y_2x和Y_2y是时间分辨偏振全息图的四个一级衍射项，其可以分别利用对离轴全息图再现的空间滤波算法来提取。具体再现步骤如下：(1)对时间分辨偏振全息图进行快速傅里叶变换，把它转换到空间频域。(2)通过对空间频谱进行空间滤波来分别提取公式(5)中所表示的四项所对应的空间频谱分量。(3)对提取的空间频谱分量进行快速傅里叶逆变换，便可获得所测物光波各正交偏振分量的复振幅分布和

为了验证上述方法的可行性，我们利用该方法对偏振敏感材料在超快激光激发下产生的动态变化过程进行了实验测量，实验光路如图2所示。与图1所示装置不同的地方只是增加了一束照射到待测样品上的激发脉冲激光。实验所用的超快激光光源为一商用皮秒激光器(Ekspla PL2250)，该激光器可同时输出波长为532nm和1064nm的两种单脉冲激光，其输出超快激光脉冲的宽度(FWHM)为30ps；实验中测量系统所用的光源为从该皮秒激光器发出波长为532nm的脉冲激光，照射到待测样品上的激发光为从同一皮秒激光器发出的另一波长为1064nm的脉冲激光；所用二维正交光栅为150线/毫米的相位型光栅；采用的图像传感器像素数为2048×2048，像素尺寸为5.2um×5.2um。

第一个待测样品为为一150um厚的线偏振片，其偏振方向与水平方向的夹角为60度。图3(a)-图3(l)给出了不同时刻透过样品的物光波各正交偏振分量的复振幅分布。从图3(a)-3(d)中可以看出，泵浦前透过样品的物波各正交偏振分量的振幅是明显不一样的，而相位几乎是一样的，这与线偏振片的特性是一致的。图3(e)-3(l)给出了两个不同的时间延迟情况下透过样品物波各正交偏振分量的振幅和相位分布。当时间延迟为0.2ns时，振幅图像中出现了一个明显的暗区，这表明在聚焦区域内温度的迅速上升导致了内部压力的快速增长从而产生了冲击波，如图3(e)和3(f)所示。从图3(e)和3(f)可以看出，条状暗区的长度大约为150um，这恰好等于脉冲在样品中横向传播的距离。当时间延迟为1.8ns时，条形暗区的范围变的更大了，这正是由于冲击波的传播所引起的，如图3(i)和3(j)所示。

第二个待测样品为20um厚的云母片，除了延迟时间外，采用与第一个测试样品相同的实验条件。图4(a)-图4(l)给出了在不同时刻透过样品的物波各正交偏振分量的复振幅分布。从图4(a)-4(d)可以看出，透过样品的两个正交偏振分量的振幅和相位分布都有着明显的不同，这正是由于云母片的双折射性质所造成的。从图4(e)-4(l)中同样观察到了超快过程中冲击波的产生和传播现象。从图4(i)-4(l)可以看出，透过样品的两个正交偏振分量的振幅和相位分布都是明显不同的，这表明超快过程中样品2的透射率和折射率变化都是各向异性的。

综上，本发明提出了基于超快激光的时间分辨全息偏振显微成像系统及方法，基于该系统，我们成功地对皮秒激光与两种典型偏振敏感材料(线性偏振片和云母片)的相互作用过程进行了动态表征，并在实验上成功地观测到了冲击波的产生和传播现象。如果将实施例中的皮秒激光换成飞秒激光，基于本发明还可以对超快过程中的更早期现象(亚皮秒量级)如自由电子产生和晶格加热等超快过程进行动态表征。与以往的时间分辨技术相比较，该方法不仅可以实现超快现象的偏振测量，还能在一次测量中同时记录超快过程中两个不同时刻的偏振图像。与以往的偏振全息测量系统相比较，该系统更加简单可靠。因此，该发明为超快过程的偏振测量和成像提供了一种有效的手段，对于那些无法进行重复性测量的实验更有实用价值。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。