專利名稱：飛秒脈沖全息層析裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及飛秒脈沖全息，特別是一種飛秒脈沖全息層析裝置，它能應用于生物、醫(yī)學和材料科學等諸多技術領域。
背景技術：
自從二十世紀九十年代以來，激光技術得到了長足的發(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，激光強度可以高于1020W/cm2，它相當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常規(guī)的光學平臺上，其聚焦后的電場強度足以剝離原子內層的電子，從而使人類有了可以徹底改變和控制物質中電子的運動，并進而改變物質性質和狀態(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、等離子體物理、激光核聚變、原子核物理、非線性光學、相對論物理、凝聚態(tài)物理、激光物理、加速器物理、高能物理及其它應用學科帶來新的機遇和挑戰(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，也給全息術帶來了新的機遇。采用飛秒激光脈沖紀錄全息圖研究各種超快過程，已取得了許多有意義的結果。然而一個令人不滿的結果是，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，所能紀錄到的干涉條紋總數(shù)往往少于100條，這些結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特性，需要在各個方向都得到近似相同的分辨率。如果將一個物體的透過率函數(shù)分解為不同的空間頻率成份，當一束波矢量為K0的平面波入射時，會與某個波長為K的周期相互作用而產生彈性散射，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，縱向分辨率δE與橫向分辨率δx相等，而在實際條件下，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。層析成像亦稱計算機斷層掃描、投影圖像重現(xiàn)術等，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，采用計算機技術來恢復物體的三維圖像。由于從投影數(shù)據(jù)還原三維結構需要進行大量的數(shù)值計算，因此這一技術從一開始就與計算機緊密相連，并被稱為計算機輔助斷層成像技術，簡稱CT。近年來，它的應用遠遠超過醫(yī)學和生命科學范疇，已涉及材料科學、信息科學以及許多工業(yè)應用領域，并正向人們顯示它巨大的潛在的多學科應用前景。
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二維平面上，即圖像上每一點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，并且各深度的圖像疊合在一起，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。由于近代計算機技術和光學信息處理技術的發(fā)展，使得層析成像技術可獲得更廣泛的應用。
層析成像的物理原理是基于光線與物質的相互作用。光線通過吸收系數(shù)為μ厚度為l的介質，其衰減應遵守比爾(Beer)定律。
這種成像技術存在兩個缺點1、為了重建圖像，物體要進行多次曝光，這對于敏感的生物樣品而言，可能會對樣品結構造成破壞。
2、由于不可避免的衍射效應，圖像恢復時造成的誤差。

發(fā)明內容
為了克服在先技術的不足，提供一種飛秒脈沖全息層析成像裝置，以達到高分辨率地記錄和重構超快動態(tài)過程，提高縱向分辨率，把飛秒激光寬帶的劣勢變成優(yōu)勢，以獲得在超快生物醫(yī)學和材料科學中廣泛的應用。
本發(fā)明的構思是由于飛秒全息受到脈沖光源線寬的限制，再現(xiàn)時，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技術就可以進行三維重建。實際上，在光源具有一定的時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。可見這兩種技術的結合可以揚長避短，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[參見在先技術Mc Nulty I，Nucl.Meth.，1994，A347170～176]。
本發(fā)明的技術解決方案如下一種飛秒脈沖全息層析裝置，包括飛秒鈦寶石激光器，其特征在于還包括一分束器、6塊全反射鏡，其中4塊全反射鏡構成一個光學延遲線，一塊半透半反鏡、待測樣品、三維平臺、探測器和計算機，上述各元部件的位置關系如下在飛秒鈦寶石激光器的激光輸出光路上設該分束器，將輸入的激光分成強度相等的兩束光A和B，A光束經過第一45°全反射鏡以后，進入到光學延遲線，然后經45°半透半反射鏡反射而到達探測器；B光束經第二45°全反射鏡反射到處于三維平臺上的待測樣品，透過45°半透半反射鏡和A光束在所述探測器上相遇，并干涉構成全息圖，最后輸入一臺用于將飛秒二維全息圖重構成三維飛秒全息圖的計算機。
所述的飛秒鈦寶石激光器，是一臺輸出脈寬為5-150飛秒、單脈沖能量為1-1000納焦耳的、波長為780-830nm、譜寬為5-30nm的鈦寶石激光器。
所述的探測器是一個用來記錄飛秒全息圖的電荷耦合器。
所說的半透半反射鏡，，是一塊45°透過50％、反射50％的介質膜板。
所說的全反射鏡是一塊45°入射的全反射介質膜板，其中全反射膜板，構成一個光學延遲線。
所說的待測樣品，是一個位相物體，所謂位相物體它不對入射光吸收，只引起位相延遲。樣品放在一個三維平臺上，可以自由地轉動和前后平動。
所說的探測器，是一個電荷耦合器，用來記錄飛秒全息圖。
所說的計算器是一臺用于將飛秒二維全息圖重構成三維飛秒全息圖的計算機。
所說的三維平臺可以左右、上下轉動，還能進行前后平動的工作臺，可在市場上購到。
本發(fā)明的工作過程大致如下當飛秒激光器運轉之后，入射到分束器，分成強度相等的兩束光A和B。A光束經過45°全反射鏡以后，進入到由全反射鏡構成的光學延遲中，然后入射到45°半透半反射鏡上，到達探測器。B光束經45°全反射鏡，入射到待測樣品，經分束器45°半透半反射鏡和A束在探測器上相遇，并干涉構成全息圖。全息圖上的干涉條紋間距與A、B束間夾角相關。當完成一次拍攝以后，信息存儲在計算機中。然后移動平臺，由于飛秒激光器帶寬高達5-30nm，因此調整光學延遲線，保證A光束和B光束等光程，再拍攝第二張全息圖。如此重復進行約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，就可以獲得一個樣品截面處的投影數(shù)據(jù)。這樣采用CT重構方法就可以獲得飛秒脈沖全息層析的三維圖形。
本發(fā)明的技術效果如下與在先技術相比本發(fā)明的飛秒脈沖全息層析裝置可以高分辨率地記錄和重構超快動態(tài)過程，特別是使用了光學延遲線，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)學和材料科學中獲得及其廣泛的應用。


圖1為本發(fā)明的飛秒脈沖全息層析成像裝置原理圖。
具體實施例方式
圖1是本發(fā)明的飛秒脈沖全息層析裝置原理圖，也是本發(fā)明的實施例的結構框圖，由圖可見，本發(fā)明飛秒脈沖全息層析裝置，包括飛秒鈦寶石激光器1，其特征在于還包括分束器2、6塊全反射鏡，其中4塊全反射鏡4、5、6、7構成一個光學延遲線，一塊半透半反鏡10、待測樣品9、三維平臺13、探測器11和計算機12，上述各元部件的位置關系如下在飛秒鈦寶石激光器1的激光輸出光路上設該分束器2，將輸入激光分成強度相等的兩束光A和B，A光束經過第一45°全反射鏡3以后，進入到光學延遲線4、5、6、7，然后經45°半透半反射鏡上10反射而到達探測器11；B光束經經第二45°全反射鏡8反射到處于三維平臺13上的待測樣品9，透過45°半透半反射鏡10和A光束在探測器11上相遇，并干涉構成全息圖，輸入一臺用于將二維飛秒全息圖重構成三維飛秒全息圖的計算機12。
所說的飛秒激光器1，是一臺輸出脈寬為120飛秒、單脈沖能量為10納焦耳的、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。
所說的半透半反射鏡10是一塊45°透過50％、反射50％的介質膜板。
所說的全反射鏡3，4，5，6，7，8，是一塊45°入射的全反射介質膜板，其中全反射鏡4，5，6，7構成一個光學延遲線。
所說的待測樣品9是一個位相物體，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放在一個三維平臺13上，可以自由地轉動和前后平動。
所說的探測器11是一個電荷耦合器，用來記錄飛秒全息圖。
所說的三維平臺13可以左右、上下轉動，還能進行前后平動的工作臺，可在市場上購到。
本發(fā)明飛秒脈沖全息層析裝置工作原理和基本過程是當飛秒激光器運轉之后，入射到45°半透半反射鏡2上，分成強度相等的兩束光A和B。A束經過45°全反射鏡3以后，進入到由全反射鏡4，5，6，7構成的光學延遲中，然后入射到45°半透半反射鏡10上，到達探測器11。B束光經45°全反射鏡，入射到樣品9，經45°半透半反射鏡10和A束在探測器上相遇，并干涉構成全息圖。全息圖上的干涉條紋間距與A、B束間夾角相關。當完成一次拍攝以后，信息存儲在計算器中，然后移動平臺5μm，由于飛秒激光器帶寬高達10nm，因此調整光學延遲線，保證A束和B束等光程，再拍攝第二張全息圖。如此重復進行約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，就可以獲得一個樣品截面處的投影數(shù)據(jù)。這樣采用CT重構方法就可以獲得飛秒脈沖全息層析的三維圖形。
權利要求
1.一種飛秒脈沖全息層析裝置，包括飛秒鈦寶石激光器(1)，其特征在于還包括分束器(2)、6塊全反射鏡，其中4塊全反射鏡(4、5、6、7)構成一個光學延遲線，半透半反鏡(10)、待測樣品(9)、三維平臺(13)、探測器(11)和計算機(12)，上述各元部件的位置關系如下在飛秒鈦寶石激光器(1)的激光輸出光路上設該分束器(2)，將輸入光束分成強度相等的兩束光A和B，A光束經過第一45°全反射鏡(3)以后，進入到光學延遲線(4、5、6、7)，然后經45°半透半反射鏡上(10)反射而到達探測器(11)；B光束經經第二45°全反射鏡(8)反射到處于三維平臺(13)的待測樣品(9)上，透過45°半透半反射鏡(10)和A光束在探測器(11)上相遇，并干涉構成全息圖，輸入一臺用于將飛秒二維全息圖重構成三維飛秒全息圖的計算機(12)。
2.根據(jù)權利要求1所述的飛秒脈沖全息層析裝置，其特征在于所述的飛秒鈦寶石激光器(1)是一臺輸出脈寬為5-150飛秒、單脈沖能量為1-1000納焦耳的、波長為780-830nm、譜寬為5-30nm的鈦寶石激光器。
3.根據(jù)權利要求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)是一個用來記錄飛秒全息圖的電荷耦合器。
全文摘要
一種飛秒脈沖全息層析裝置，包括飛秒鈦寶石激光器，其特征在于還包括一分束器、6塊全反射鏡，其中4塊全反射鏡構成一個光學延遲線，一塊半透半反鏡、待測樣品、三維平臺、探測器和計算機，上述各元部件的位置關系如下在飛秒鈦寶石激光器的激光輸出光路上設該分束器，將輸入的激光分成強度相等的兩束光A和B，A光束經過第一45°全反射鏡以后，進入到光學延遲線，然后經45°半透半反射鏡反射而到達探測器；B光束經第二45°全反射鏡反射到處于三維平臺上的待測樣品，透過45°半透半反射鏡和A光束在所述探測器上相遇，并干涉構成全息圖，最后輸入一臺用于將飛秒二維全息圖重構成三維飛秒全息圖的計算機。
文檔編號G03H1/08GK1560705SQ20041001672
公開日2005年1月5日 申請日期2004年3月4日 優(yōu)先權日2004年3月4日
發(fā)明者陳建文, 高鴻奕, 李儒新, 徐至展 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所