专利名称：合成孔径飞秒脉冲数字全息记录装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及超短激光脉冲数字全息技术，特别是一种提高分辨率和增大视场的合 成孔径飞秒脉冲数字全息记录装置。
背景技术：
随着高读取速度和高分辨率成像器件CCD (电荷耦合器件)或CMOS (金属氧化物 半导体)的发展，数字全息技术已经被广泛应用于显微成像、图像识别和加密等技术领域。 近来，数字全息技术在超短脉冲领域的应用，得到人们越来越多的关注。通过数字全息和泵 浦探测技术，可以研究超短激光脉冲与物质中的一些超快瞬态现象，比如激光诱导熔化、材 料表面烧蚀和透明材料内部的光学击穿等。利用超短脉冲数字全息技术，还可以进行深度 分辨和生物样品的测量等等。但是，超短激光脉冲全息存在着不足之处。当激光脉冲宽度变得非常短时，由于 有限的脉冲宽度限制了脉冲激光在空间和时间上的相干性，使得两脉冲激光相交后的干涉 区，只限制在重叠区很小的一部分。如夹角为θ的两束相交脉冲激光光束的干涉区域为
(sine/2Γ1，其中，c为光速，τ为脉冲宽度，例如脉冲宽度为90fs，夹角为5°的两束 脉冲激光光束的干涉区域大约只有600 μ m。干涉条纹的数目不依赖两干涉脉冲激光的夹角 而变化，其为2c τ/λ，其中λ为光波长，例如用90fs脉宽，SOOnm波长的脉冲记录，其全息 图的干涉条纹数只有60左右，这严重的降低了全息图再现像的分辨率和视场。为了消除超 短脉冲激光的弱相干性，Z. Ansari等人利用色散棱镜产生倾斜脉冲来消除弱相干性见在 先技术 1 :z. Ansari et al，Opt. Lett. 6，334 (2001)；Α. Α. Maznev 等人利用光栅的衍射级 次使两脉冲激光干涉，从而消除超短脉冲激光短相干的限制见在先技术2 :A. A. Maznev et al, Opt. Lett. 17，1378(1998)。但这些技术都存在着一些不足，利用棱镜或者光栅来消除 弱相干性，同时改变了超短激光脉冲的脉宽，使脉冲宽度展宽了。使用高分辨全息光栅作为 分束及色散元件，只是通过滤波技术来降低对飞秒激光的单色性要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术的不足，提出了一种合成孔径飞 秒脉冲数字全息记录装置，该装置可提高飞秒激光数字全息再现像的分辨率和视场。本发明的基本构思是通过计算机控制微动平台的移动使脉冲激光的干涉区域在 CCD探测器的不同位置上移动。CCD探测器记录多幅干涉区域在不同位置处的子全息图，然 后利用数字图像处理技术合成一幅数字全息图，以获得高分辨率的数字全息再现像。本发明的技术解决方案如下—种合成孔径飞秒脉冲数字全息记录装置，特点在于其构成包括激光光源，第一 半透半反镜、第二半透半反镜、第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜和第四全反射 镜、电动微动平台、待测样品、探测器和计算机，上述各元部件的位置关系如下飞秒激光从所述的激光光源出射后，经第一半透半反镜分成反射的物光束和透射
3的参考光束，所述的参考光束经第一全反射镜和第二半透半反镜反射后进入探测器，所述 的物光束经第二全反射镜、第三全反射镜和第四全反射镜反射，透过待测样品，经第二半透 半反镜透射后进入探测器，所述的物光束和参考光束在探测器中相遇干涉形成全息图，所 述的第二和第三全反射镜放置在一个电动微动平台上，组成一个可变延迟器。所述的电动 微动平台和探测器与计算机连接。所述的飞秒激光光源的实施例是一台激光器，脉宽为90fs，输出功率大于250mW， 带宽为大于50nm，辐射波长为780nm-840nm，中心波长为800nm，重复频率为76MHz的钛宝石
激光系统。所述的第一半透半反镜和第二半透半反镜均是一块宽光谱介质膜的半透半反镜。所述的第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜、第四全反射镜均是镀银全反 射镜；所述的第二全反射镜和第三全反射镜固定在电动微动平台上，组成一个延迟装置。所述的电动微动平台为一步进精度为几十纳米，可以沿固定方向精密移动，并可 重复定位的平台。所述的待测样品为透明状态的透射型样品。所述的探测器是一个对780nm-840nm具有灵敏光谱响应的CXD探测器。所述的计算机是一台能实时重构飞秒数字全息图的计算机。所述的合成孔径飞秒脉冲数字全息记录装置的基本操作步骤为所述的飞秒激 光从所述的激光光源出射后，经第一半透半反镜分成两束光，即物光束和参考光束，其中所 述的参考光束经第一全反射镜和第二半透半反镜反射后进入探测器，所述的物光束经第二 反射镜、第三反射镜和第四反射镜反射，透过待测样品，经第二半透半反镜透射后进入探测 器，所述的物光束和参考光束在探测器中相遇干涉形成全息图。所述的第二和第三全反射 镜放置在一个电动微动平台上，组成一个可变延迟器。所述的电动微动平台和探测器与计 算机连接。所述的计算机控制微动平台的移动可使脉冲激光的干涉区域在CCD探测器的不 同位置方向上移动。所述的探测器记录多幅干涉区域在不同位置处的子全息图，然后利用 数字图像处理技术合成一幅数字全息图，由计算机通过衍射算法进行数字重构，最终获得 高分辨率的数字全息再现像。本发明的有益效果是当飞秒激发器辐射的激光脉冲光束经第一半透半反镜分束成两束光后，一束作为 参考光，一束作为记录物光束。其中物光束经过电动可变延迟器后，使物光束与参考光之间 产生一定的时间延迟，通过不同的时间延迟使物光与参考光在探测器中的干涉区域沿某一 方向移动。利用CCD探测器记录在不同干涉区域的一组子全息图，用计算机实时重构飞秒 数字全息图，有效地增大所记录全息图的干涉面积，提高了空间带宽积，提高了飞秒脉冲数 字全息再现像的分辨率，增大了视场。并且上述过程中，没有用到棱镜或光栅等器件，没有改变脉冲激光的脉宽，避免了 光路的复杂性。
图1是本发明合成孔径飞秒脉冲数字全息记录装置结构示意图。图中1_激光光源、2-第一半透半反镜、3-第一全反射镜、4-第二全反射镜、5-第
4三全反射镜、6-第四全反射镜、7-电动微动平台、8-待测样品、9-第二半透半反镜、10-探测 器、11-计算机。图2是合成孔径飞秒脉冲数字再现处理示意图。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。本发明的合成孔径飞秒脉冲数字全息记录装置如图1所示，由图可见，本发明合 成孔径飞秒脉冲数字全息记录装置，包括激光光源1，第一半透半反镜2、第二半透半反镜 9、第一全反射镜3、第二全反射镜4、第三全反射镜5和第四全反射镜6、电动微动平台7、待 测样品8、探测器10和计算机11，上述各元部件的位置关系如下飞秒激光从所述的激光光源1出射后，经第一半透半反镜2分成两束光，即物光束 和参考光束，其中所述的参考光束经第一全反射镜3和第二半透半反镜9反射后进入探测 器10，所述的物光束经第二全反射镜4、第三全反射镜5和第四全反射镜6反射后，透过待 测样品8，经第二半透半反镜9透射后进入探测器10，所述的物光束和参考光束在探测器10 中相遇干涉形成全息图。所述的第二全反射镜4和第三全反射镜5放置在一个电动微动平 台7上，组成一个可变延迟器。所述的电动微动平台7和探测器10与所述的计算机11连 接。在本实施例中所述的飞秒激光光源1是一台激光器，脉宽为90fs，输出功率大于250mW，带宽为 大于50nm，辐射波长为780nm-840nm，中心波长为800nm，重复频率为76MHz的钛宝石激光系统。所述的第一半透半反镜2和第二半透半反镜9均是一块宽光谱介质膜的半透半反
^Mi ο所述的第一全反射镜3、第二全反射镜4、第三全反射镜5、第四全反射镜6均是镀 银全反射镜；所述的第二全反射镜4和第三全反射镜5固定在电动微动平台7上，组成一个 延迟装置。所述的电动微动平台7为步进精度为几十纳米，可以沿固定方向精密移动，并可 重复定位的平台。所述的待测样品为8透明状态的透射型样品。所述的探测器10是一个对780nm-840nm具有灵敏光谱响应的CXD探测器。所述的计算机11是一台能实时重构飞秒数字全息图的计算机。本发明合成孔径飞秒脉冲数字全息记录装置的工作原理和基本过程是飞秒激光从所述的激光光源1出射后，经第一半透半反镜2分成两束光，即物光束 和参考光束，其中所述的参考光束经第一全反射镜3和第二半透半反镜9反射后，作为干涉 记录中的参考光进入探测器10 ；所述的物光束经第二全反射镜4、第三全反射镜5和第四全 反射镜6反射后，透过待测样品8形成携带有样品信息的物光束，经第二半透半反镜9透射 后进入探测器10，所述的携带有样品信息的物光束和参考光束在探测器10中相遇干涉形 成全息图。所述的第二全反射镜4和第三全反射镜5放置在一个电动微动平台7上，组成一
5个可变延迟器。所述的携带有样品信息的物光束经过电动可变延迟器后，使物光束与参考 光之间产生一定的时间延迟，通过不同的时间延迟可使物光与参考光在探测器10中的干 涉区域沿一水平方向移动。所述的CXD探测器10记录在不同干涉区域的多幅子全息图，数字化后存入计算机 11，然后利用数字图像处理可合成一幅数字全息图，由计算机11通过衍射算法进行数字重 构，最终获得高分辨率的数字全息再现像，从而有效地增大所记录全息图的干涉面积，提高 其空间带宽积，进而提高了数字全息再现像的分辨率，增大了视场。数字全息图由计算机11来实时重构，本发明中所用的重构方法为现有的数字全 息再现算法参见E. Cuche et al, Appl. Opt. 39,4070(2000)，其数字再现过程如图2所 示将合成的全息图经傅里叶变换后，得到全息图的频谱分布。然后，经滤波处理后得到只 包含有待测物体信息的+1级频谱。最后，经逆傅里叶变换后，重构得到了待测物体的变化 fn息ο本发明的合成孔径飞秒脉冲数字全息记录装置，利用合成孔径技术有效地增大所 记录全息图的干涉面积，提高其空间带宽积，进而提高了飞秒脉冲数字全息再现像的分辨 率，增大了视场。并且该装置只通过一个精密电动微动台来改变物光与参考光之间的时间 延迟，记录不同干涉区域的多幅子全息图，来提高再现像的分辨率和增大视场，没有用到棱 镜或光栅等器件，没有改变飞秒脉冲激光的脉宽，避免了装置的复杂性。
权利要求
一种合成孔径飞秒脉冲数字全息记录装置，包括激光光源(1)，其特征在于还包括第一半透半反镜(2)、第二半透半反镜(9)、第一全反射镜(3)、第二全反射镜(4)、第三全反射镜(5)和第四全反射镜(6)、电动微动平台(7)、待测样品(8)、探测器(10)和计算机(11)，上述各元部件的位置关系如下飞秒激光从所述的激光光源(1)出射后，经第一半透半反镜(2)分成反射的物光束和透射的参考光束，所述的参考光束经第一全反射镜(3)和第二半透半反镜(9)反射后进入所述的探测器(10)，所述的物光束经第二全反射镜(4)、第三全反射镜(5)和第四全反射镜(6)反射，透过待测样品(8)，经第二半透半反镜(9)透射后进入所述的探测器(10)，所述的物光束和参考光束在探测器(10)中相遇干涉形成全息图，所述的第二全反射镜(4)和第三全反射镜(5)放置在所述的电动微动平台(7)上，组成一个可变延迟器，所述的电动微动平台(7)和探测器(10)与所述的计算机(11)连接。
2.根据权利要求1所述的合成孔径飞秒脉冲数字全息记录装置，其特征在于所述的飞 秒激光光源(1)是一台激光器，脉宽为90fs，输出功率大于250mW，带宽为大于50nm，辐射波 长为780nm-840nm，中心波长为800nm，重复频率为76MHz的钛宝石激光系统。
3.根据权利要求1所述的合成孔径飞秒脉冲数字全息记录装置，其特征在于所述的第 一半透半反镜(2)和第二半透半反镜(9)均是一块宽光谱介质膜的半透半反镜。
4.根据权利要求1所述的合成孔径飞秒脉冲数字全息记录装置，其特征在于所述的第 一全反射镜(3)、第二全反射镜(4)、第三全反射镜(5)、第四全反射镜(6)均是镀银全反射 镜；所述的第二全反射镜(4)和第三全反射镜(5)固定在电动微动平台上(7)，组成一个延 迟装置。
5.根据权利要求1所述的合成孔径飞秒脉冲数字全息记录装置，其特征在于所述的电 动微动平台(7)为一步进精度为几十纳米，可以沿固定方向精密移动，并可重复定位的平台。
6.根据权利要求1所述的合成孔径飞秒脉冲数字全息记录装置，其特征在于所述的待 测样品(8)为透明状态的透射型样品。
7.根据权利要求1所述的合成孔径飞秒脉冲数字全息记录装置，其特征在于所述的探 测器(10)是一个对780nm-840nm具有灵敏光谱响应的C⑶探测器。
8.根据权利要求1所述的合成孔径飞秒脉冲数字全息记录装置，其特征在于所述的计 算机(11)是一台能实时重构飞秒数字全息图的计算机。
全文摘要
一种合成孔径飞秒脉冲数字全息记录装置，特点在于通过一个精密电动微动台改变物光与参考光之间的时间延迟，利用探测器记录不同干涉区域的多幅子全息图，用计算机实时重构待测样品的飞秒数字全息图，有效地增大所记录全息图的干涉面积，提高了空间带宽积，提高了飞秒脉冲数字全息再现像的分辨率，增大了视场。
文档编号G11B7/0065GK101916570SQ20101021773
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月2日 优先权日2010年7月2日
发明者周常河, 朱林伟 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所