一种双光学频率梳线性光谱编码成像方法与流程

本发明属于超快光学技术领域，具体涉及一种双光学频率梳线性光谱编码成像方法。

背景技术：

进入80年代，非光学类扫描探针显微术特别是原子力显微镜的出现可以将成像的分辨率推进到纳米量级的精度,不同类型的显微镜结构层出不穷，但这些显微技术或者穿透深度很小，或者只能给出物体表面的信息，并在不同程度上存在系统结构复杂、成像检测环境要求苛刻等问题。很难在同时实现多种信号的同时测量。同时传统光学显微镜的刷新速度直接被ccd、cmos等光电器件的帧数限制，难以实现高速测量。这些限制都是传统显微镜传统难以克服的缺点。

另一方面超快激光技术，特别是光学频率梳在近几年飞速发展。激光这一具有良好相干性、方向性与能量密度的工具运用于光学显微成像，可以为活体生物样品提供重要的光学信息(如偏振态、折射率、光谱等)，并进行无损伤性生物活体探测。同时其高峰值功率，低平均功率的飞秒脉冲激光。可用于光学成像的非线性效应很多，如：双光子吸收、二次谐波(shg)、三次谐波(thg)、相干反斯托克斯拉曼散射(cars)、克尔效应等。但是传统的激光成像系统多为单点测量同时通过运动部件完成对待测样品的多维扫描，难以实现图像快速测量和多种信息的快速提取。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有成像技术中的不足而提供的一种双光学频率梳线性光谱编码成像方法，该方法能同时得到待测样品的形貌图像、反射率图像和绝对距离。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种双光学频率梳线性光谱编码成像方法，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：光学频率梳重复频率锁定

两台光学频率梳的激光脉冲，经光电探测器提取重复频率的电信号，与标准射频参考信号混频，低通滤波后得到重复频率抖动的相位误差信号，由伺服反馈电路控制反馈元件，锁定重复频率；锁定后，两台光学频率梳的重复频率分别为fr和fr+△fr；

步骤2：图像光谱编码

两台光学频率梳发出的光分别为信号光和参考光；信号光经偏振分束器分为探测光和参考光，参考光直接与本振光进行双光学频率梳外差干涉产生参考干涉脉冲信号；探测光注入光谱编码成像器，经色散原件，光谱成分在空间展开，由成像透镜组聚焦于待测样品表面；经过待测样品编码后；反射光原路返回，再次经过光谱编码成像器；光谱成分空间重合，最后与本振光进行双光学频率梳外差干涉产生探测干涉脉冲信号；

步骤3：图像解码和重建

参考干涉脉冲信号和探测干涉脉冲信号分别经过光电二极管、低通滤波、射频放大、数据采集后，再由快速傅里叶变换还原光谱信息；在波包络线相位漂移造成的频谱移动，用互相关算法从提取参考信号频谱移动量补偿探测信号；解码实现样品一维图像的高分辨率重建，相位提取和绝对距离测量；一维线性位移平台移动样品，扫描得到样品的三维形貌图像和二维反射率图像。

所述的双光学频率梳外差干涉是指两台光学频率梳的重复频率分别为fr和fr+△fr,重复频率差δfr；两台光学频率梳在空间重合干涉，产生以重复频率差δfr为刷新频率的干涉脉冲；干涉脉冲的频谱与光谱一一对应，其转换系数

所述光学频率梳的光源采用被动锁模方式，为非线性旋转偏振锁模、可饱和吸收镜锁模、克尔透镜锁模或碳纳米管锁模。

所述两台光学频率梳的光谱拥有相同的中心波长，且可以工作波长在紫外、可见光、近红外或中红外波段。

所述的两台光学频率梳的反馈元件为压电陶瓷调节、电光晶体调节、声光晶体调节锁定或泵浦电流。

所述的光谱编码成像器由色散原件和成像透镜组组成，探测光的光谱经过色散元件在空间展开，不同光谱成分有不同的发散角度，经过透镜组光谱成分于待测样品表面聚焦成一条直线，同一波长聚焦于空间的同一点；光谱成分和空间位置形成映射关系；经过待测样品，光谱被待测样品编码。

所述的色散元件是但不限定为透射光栅，反射光栅和棱镜。

所述的绝对距离测量通过参考干涉脉冲和探测干涉脉冲的延时计算而得，具体算法是但不限定为时间飞行法和相位差法。

所述的数据采集，其采样率需大于光学频率梳的重复频率fr。

本发明的优点是：

使用双光学频率梳测量技术和光谱编码技术，基于单个光电二极管实现待测样品的一维反射率、深度信息和绝对距离的同时快速提取。测量设备简单，信息丰富，高精度，速度快。

一维图像的刷新速度由重复频率差δf决定，通过改变δf提高了刷新速度，由传统的hz量级提高到khz量级。使用ghz量级的超高重复频率光学频率梳，可以获得mhz量级的刷新速度，实现高速瞬态过程的精确测量；

光路中无运动机械部件，极大的提升了光路的稳定性和寿命，测量的可重复性好，受环境干扰小，便于系统安装部署；

引入参考光，在射频上消除两个光学频率梳载波包络相位漂移带来的误差。参考信号与探测信号做比较直接得到每个点的反射率，消除光谱各点强度不一带来的问题。降低测量过程对光梳光源相干性的要求，简化锁定系统；

双光学频率梳外差干涉技术能够同时得到待测样品的反射率强度和相位信息，不需要添加其他光学元件，改变光路，这是常规光学显微镜不具备的能力；同时光梳的频率成分达到10⁶量级，为超分辨成像奠定了基础；

光学频率梳的频率间隔一般在几百mhz到ghz，脉冲宽度在飞秒量级，具有高峰值功率和低平均功率的特点，能够最大限度的减少激光对生物细胞伤害的同时产生不同的非线性效应，在非线性生物光谱成像领域拥有广泛的应用前景；

利用双光频率梳外差干涉技术将光频信息下转换到射频频段，探测简单且精度高，一维扫描测量三维的信息，有效降低扫描维度，提高成像速度；

光源基于光学频率梳，具有宽光谱同时成像的优势，同时具有光谱测量的能力；

可拓展性强，本发明对光源的工作波段无要求，可以根据不用应用领域拓展到可见，红外，紫外和中红外波段。

附图说明

图1为实施本发明的系统框图；

图2为本发明实施例1流程图；

图3为本发明实施例2流程图；

图4为本发明实施例3流程图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

参阅图1，实施本发明的系统包括双光学频率梳模块100、分光模块400、参考臂200、光谱编码器300、合束模块500、信号检测模块600及数据采集处理模块700。

本发明各图中实线代表光路，虚线代表电路。

实施例1

参阅图2，信号光源光学频率梳101、本振光源光学频率梳102的重复频率同时与外界原子钟103锁定；光学频率梳101产生的信号光经过偏振分束器401分为参考光和探测光；参考光经过四分之一波片201、反射镜201，再次经过四分之一波片201，透过偏振分束器401与探测光合束。探测光经过四分之一波片301进入光谱编码成像器。光谱编码成像器由透射光栅302和显微物镜303组成。光谱被透射光栅302空间展开，通过显微物镜303聚焦于待测样品304。包含待测样品信息的反射光反向经过光谱编码成像器；空间展开的光谱再次重合，再次经过四分之一波片301由偏振分束器401反射再次和参考光合束。信号光与本振光经过一个半透半反镜502合束，旋转二分之一波片501控制本振光在偏振分束器601的分光比。由偏振分束器将601分为探测光、本振光和参考光、本振光。再分别由透镜602、603聚焦在光电探测器604、605，外差干涉产生下转换的射频的探测信号与参考信号。两路信号分别经低通滤波器606、607、放大器608、609后接入数据采集卡701，计算机702进行数据处理。扫描样品实现高精度三维表面形貌、二维反射率图像和绝对距离测量。

本实施例两台光学频率梳101和102均为由半导体激光器ld泵浦的脉冲激光发生源，其激光谐振腔内需具有可调节腔长的反馈元件。两台光学频率梳光源101、102输出激光的中心波长决定于激光谐振腔内的增益介质，可根据待测样品基本光学响应特性选择合适的种子源。

为满足系统双光学频率梳相干光学成像的要求，需使两台光学频率梳101、102输出脉冲的重复频率信号具有差值，该差值一般在hz至khz量级。

数据采集卡701的采集频率大于光学频率梳101、102的重复频率fr，并使用原子钟103作为外参考。

两台光学频率梳的载波包络相位没有完全锁定，故两台光学频率梳的外差干涉的信号会在频域产生抖动和漂移。调整参考臂与探测臂等长，则参考臂与测量比载波包络相位的漂移完全同步。使用互相关算法，计算出参考臂射频漂移量，就能得到测量臂的漂移量，消除载波包络相位漂移带来的抖动，矫正图像畸变。信号的时域间隔换算后即得到待测样品的绝对距离。信号频谱强度和参考频谱相除，就能得到待测样品的表面反射图样。参考信号与探测信号的频谱相位相减后微分，计算出待测样品的表面形貌。

实施例2

参阅图3，信号光源光学频率梳101、本振光源光学频率梳102的重复频率同时与外界原子钟103锁定；光学频率梳101产生的信号光经过偏振分束器401分为参考光和探测光；参考光经过四分之一波片201、反射镜201，再次经过四分之一波片201，透过偏振分束器401与探测光合束。探测光经过四分之一波片301进入光谱编码成像器。光谱编码成像器由棱镜305和显微物镜303组成。光谱被棱镜305空间展开，通过显微物镜303聚焦于待测样品304。透过待测样品的光经过共轭物镜306和反射镜307。待测样品信息的光再次经过光谱编码成像器；空间展开的光谱再次重合，再次经过四分之一波片301由偏振分束器401反射再次和参考光合束。信号光与本振光经过一个半透半反镜502合束，旋转二分之一波片501控制本振光在偏振分束器601的分光比。由偏振分束器将601分为探测光、本振光和参考光、本振光。再分别由透镜602、603聚焦在光电探测器604、605，外差干涉产生下转换的射频的探测信号与参考信号。两路信号分别经低通滤波器606、607、放大器608、609后接入数据采集卡701，计算机702进行数据输处理，计算反射率图像，相位和距离。扫描样品实现高精度三维表面形貌、二维反射率图像和绝对距离测量。

本实施例两台光学频率梳101和102均为由半导体激光器ld泵浦的脉冲激光发生源，其激光谐振腔内需具有可调节腔长的反馈元件。两台光学频率梳光源101、102输出激光的中心波长决定于激光谐振腔内的增益介质，可根据待测样品基本光学响应特性选择合适的种子源。

为满足系统双光学频率梳相干光学成像的要求，需使两台光学频率梳101、102输出脉冲的重复频率信号具有差值，该差值一般在hz至khz量级。

数据采集卡701的采集频率大于光学频率梳101、102的重复频率fr，并使用原子钟103作为外参考。

两台光学频率梳的载波包络相位没有完全锁定，故两台光学频率梳的外差干涉的信号会在频域产生抖动和漂移。调整参考臂与探测臂等长，则参考臂与测量比载波包络相位的漂移完全同步。使用互相关算法，计算出参考臂射频漂移量，就能得到测量臂的漂移量，消除载波包络相位漂移带来的抖动，矫正图像畸变。信号的时域间隔换算后即得到待测样品的绝对距离。信号频谱强度和参考频谱相除，就能得到待测样品的表面反射图样。参考信号与探测信号的频谱相位相减后微分，计算出待测样品的表面形貌。

实施例3

参阅图4，信号光源光学频率梳101、本振光源光学频率梳102的重复频率同时与外界原子钟103锁定；光学频率梳101的信号光和光学频率梳102的本振光同时注入合束器502。经过合束器502后，分为探测光和参考光，两束光同时包含光学频率梳101的信号光和光学频率梳102的本振光。参考光经过补偿光纤，使得参考光的光程与探测光光程接近相等。参考光直接进入光电探测器605。探测光通过光纤环形镜308，准直器309，进行光谱编码成像。光谱编码成像器由透射光栅302和显微物镜303组成，透射光栅302将光谱成分在空间展开，由显微物镜303聚焦于待测样品304表面。待测样品的反射光再次经过原光路，光谱空间重合。探测光进入准直器308，由光纤环形镜308至光电探测器604。双光学频率梳的外差干涉信号经探测转换为电信号，分别经过低通滤波器606、607，放大器608、609由数据采集卡701采集信号，使用计算机702重建待测样品的反射强度图样和相位图样，并计算样品的表面形貌。

两台光学频率梳101和102均为由半导体激光器泵浦的脉冲激光发生源，其激光谐振腔内需具有可调节腔长的反馈元件。两台光学频率梳101、102输出激光的中心波长决定于激光谐振腔内的增益介质，可根据待测样品基本光学响应特性选择合适的种子源。

为满足系统双光学频率梳相干光学成像的要求，需使两台光学频率梳101、102输出脉冲的重复频率信号具有微小差值，该差值一般在khz至hz量级。

数据采集卡的采集频率应大于光学频率梳的重复频率，并使用原子钟作为外参考。

如图4所示，两台光学频率梳的载波包络相位没有完全锁定，故两台光学频率梳的相干的信号会在频域产生漂移，每个相干脉冲，频域的位置漂移。调整参考臂与探测臂等长，则参考臂与测量比载波包络相位的漂移完全同步。使用自相关算法，计算出参考臂射频漂移量，就能得到测量臂的漂移量，消除载波包络相位漂移带来的抖动，重建图像。扫描样品实现高精度三维表面形貌和二维反射率图像。