CN102662237B - 可控小光程差干涉系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种可控小光程差干涉系统，主要由四部分组成，包括光收集部分，实现分光的空间光调制器，向空间光调制器传输控制信息的电脑和记录干涉图案的光敏器件。光收集部分把收集到的光入射到空间光调制器上，电脑控制空间光调制器把入射光分成两部分光，光敏器件记录两部分光的干涉图案。本发明的主要特征是分光时空间光调制器同时模拟两个性质一样的器件，使得两束光之间的光程差小。通过改变其中一个器件的参数，灵活控制两束光之间光程差的大小。

Description

可控小光程差干涉系统

技术领域

本发明涉及一种光束的分光干涉系统，特别是对宽带光，例如荧光的干涉系统，属于光学领域。

背景技术

干涉是一种在信息记录和精密测量中常用的光学技术。由于激光的高相干性，激光相干技术已经有很好的发展和应用。然而，对于宽带光这种弱相干光，目前还难以得到对比度高的干涉图案。主要原因是宽带宽引起的相干长度短。两束光干涉的一个关键点是，光程差要小于所用光源的相干长度。所述的光程差，是指两束光干涉之前在真空中传播的路程之差。所述的相干长度由光源的中心波长λ和带宽Δλ决定，为λ²/Δλ。对于激光这种窄带光，由于Δλ很小，相干长度很长(通常为几十厘米)，易实现干涉。但是对于带宽有几十纳米的宽带光来讲，相干长度通常在微米量级，这时需要在微米量级精确控制两束光的光程差使之小于相干长度，才能观察到干涉。

常用的宽带光干涉方法是把一束光分成两束后，让两束光在不同路径上分开传播一定路程后，再耦合到一起观察干涉情况[Quantitative FRETmeasurement by high-speed fluorescence excitation and emissionspectrometer，Vol.18，No.18，OPTICS EXPRESS]。这种方法的光路调节部分复杂，首先需要人工调节两个路径的光程差到毫米甚至更高的精度，再借助精密螺旋杆或PZT等器件来精确调节两束光的光程差。尽管可以借助精密器件，但是人工调节时，由于看不见干涉条纹，很难知道是否调节正确，所以人工调节部分有相当大的难度。

Joseph Rosen提出的通过空间光调制器把一束光分成两束光[Non-scanning motionless fluorescence three-dimensionalholographic microscopy，Nature Photonics，VOL 2，2008]，并让它们在同一路径上传播的方法可以实现较小的光程差，去除了高难度的人工调节部分。但是这种方法的特点是空间光调制器同时模拟一个透镜和一面平面反射镜，一束光是球面波，另一束参考光是平面波。由于这时的光程差还不是足够小且不能灵活控制，通常要求透镜的焦距很大或者光敏探测器只能在距离球面波焦面很远(几百毫米)的位置记录干涉图案。当宽带光，例如在生物学中普遍用到的荧光，是一种弱信号时，大焦距引起的长距离传播会减弱信号强度。且球面波在焦面处的强度最强，在距离焦面较远的地方探测，信号强度被进一步减弱。

由上可知，需要一种光程差小且可控的干涉系统来满足各种带宽的光源干涉。

发明内容

为了克服现有干涉系统光程差不是足够小和不能灵活控制的不足，本发明打破了传统的用平面波作为参考光的思想，利用球面波作为参考光(另一束光也是球面波)，提供了一种易于实现宽带光干涉的光学系统，系统的特征是光程差小且可控，系统是基于空间光调制器分光实现。

空间光调制器分光是通过同时模拟两个性质一样的器件(如两个透镜)，把一束入射光分成两束，且它们在同一路径上传播，因此不再需要耦合器件将两束光耦合到一起。本发明的特点在分光部分，分光时把一束光分成两束性质一样的光束，如两束球面波，实现小的光程差；通过设置其中一束光的特征参数，可以灵活的控制光程差的大小，实现两束光之间的干涉。

为了实现本发明的技术效果，本发明提供的可控小光程差干涉系统，包括空间光调制器、光敏探测器和光收集部分，光收集部分收集的光束入射到空间光调制器上，空间光调制器同时模拟两个性质类似或相同的器件将光束分成两束光，两束光在光敏探测器上的光程差小于相干长度，进而形成干涉图案并被光敏探测器记录。

优选地，上述空间光调制器模拟的为两个透镜。

优选地，上述两个透镜焦距分别为f1和f2，两束光是两束球面波，两束球面波分别汇聚到两个点A和B。

优选地，当上述入射光为平面波时，点A和B与所述空间光调制器之间的距离分别是焦距f1和f2。

优选地，上述系统还包括电脑，所述空间光调制器为相位型，模拟的为两个透镜，空间光调制器的相位信息为：

$\mathrm{\φ}=\mathrm{angle}\left\{\exp \right[\frac{\mathrm{ik}}{2f_1}({x_s}^2+{y_s}^2)]+\exp [\frac{\mathrm{ik}}{2f_2}({x_s}^2+{y_s}^2)\left]\right\}---\left(1\right)$

其中exp[ik(x_s ²+y_s ²)/(2f)]是焦距为f的透镜的函数，φ表示相位，angle表示取复数的相角，exp表示指数函数，k是波数，f1和f2分别是两个透镜的焦距，xs和ys是空间光调制器平面的坐标。

优选地，在上述电脑中根据公式(1)计算出相位且根据空间光调制器的相位调制函数

g＝f(φ)                 (2)

把相位信息转换成灰度信息输入空间光调制器中，即可同时产生两个焦距分别为f1和f2的透镜。

优选地，上述两束光在光敏探测器上的最大光程差为：

$\mathrm{\Δl}(d,f_1,f_2)=d|\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{Ls}}{f_{10}}\right)}^2}-\sqrt{1+{\left[\frac{\mathrm{Ls}(f_{10}-d)}{f_{10}(f_{20}-d)}\right]}^2}|---\left(3\right)$

其中，当d≤2f1f2/(f1+f2)时，f10＝min{f1，f2}，f20＝max{f1，f2}；其他情况下f10＝max{f1，f2}，f20＝min{f1，f2}；d是空间光调制器与光敏探测器之间的距离，Ls是空间光调制器的半尺寸，f1和f2的定义与式(1)相同。

优选地，上述两束光在光敏探测器上的最大光程差为Δ1，其中Δ1与d、以及两个特征参数f1和f2有关，固定d和其中一个特征参数(如f1)的取值，改变另一个特征参数(如f2)的取值，可以改变最大光程差，进而影响光敏探测器(5)观察到的干涉图案的对比度。

本发明提供的可控小光程差干涉系统是通过分光时空间光调制器同时模拟两个性质一样的器件，使得两束光之间的光程差小。通过改变其中一个器件的参数，灵活控制两束光之间光程差的大小。本发明的实现不局限于两束光之间的干涉，还涵盖空间光调制器同时模拟多个器件，把一束入射光分成多束光干涉的情况。

附图说明

图1是本发明空间光调制器分光示意图；

图2是本发明系统结构示意图；

图3是本发明使用方法的影响示意图；

图4是本发明实施例的干涉图案示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述，附图中相同的标号和标示表示相同的元件。

本发明主要是分光和对分光进行控制，分光示意图如图1所示，本发明系统结构示意如图2所示。光收集部分6收集的光束1入射到分光器空间光调制器2上，空间光调制器同时模拟两个性质一样的器件，如两个透镜或者两个光栅等，把入射光束1分成两束光(3，4)。在本实施例中，空间光调制器模拟的两个性质相同的器件是两个透镜，这时两束光束(3，4)是两束球面波，它们的特征参数是焦距。所述两束球面波光分别汇聚到点A和B处。如果上述入射光1是平面波，点A和B与空间光调制器2之间的距离分别是空间光调制器同时模拟的两个透镜的焦距f1和f2，f1和f2就是两束光的特征参数。相位型空间光调制器同时模拟所述两个焦距为别为f1和f2的透镜时，所需的相位信息为：

$\mathrm{\φ}=\mathrm{angle}\left\{\exp \right[\frac{\mathrm{ik}}{2f_1}({x_s}^2+{y_s}^2)]+\exp [\frac{\mathrm{ik}}{2f_2}({x_s}^2+{y_s}^2)\left]\right\}---\left(1\right)$

其中exp[ik(x_s ²+y_s ²)/(2f)]是焦距为f的透镜的函数，φ表示相位，angle表示取复数的相角，exp表示指数函数，k是波数，f1和f2分别是两个透镜的焦距，xs和ys是空间光调制器平面的坐标。在电脑7中根据公式(1)计算出相位且根据空间光调制器的相位调制函数

g＝f(φ)               (2)

把相位信息转换成灰度信息输入空间光调制器中，就能同时产生两个焦距分别为f1和f2的透镜。空间光调制器的相位调制函数是器件固有的，一般由制造商提供或者用户自己测量得到。

空间光调制器2分成的两束光在光敏探测器5上的光程差如果小于相干长度，干涉图案就可以被光敏探测器5记录。记录整个光束的干涉图案要求最大光程差小于相干长度，否则只有光程差小于相干长度的光束部分区域能被干涉记录。两束光在光敏探测器5上的最大光程差为：

$\mathrm{\Δl}(d,f_1,f_2)=d|\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{Ls}}{f_{10}}\right)}^2}-\sqrt{1+{\left[\frac{\mathrm{Ls}(f_{10}-d)}{f_{10}(f_{20}-d)}\right]}^2}|---\left(3\right)$

其中，当d≤2f1f2/(f1+f2)时，f10＝min{f1，f2}，f20＝max{f1，f2}；其他情况下f10＝max{f1，f2}，f20＝min{f1，f2}；d是空间光调制器2与光敏探测器5之间的距离，Ls是空间光调制器的半尺寸，f1和f2的定义与式(1)相同。

根据公式(3)可知，最大光程差Δ1与d、f1和f2有关。为了观察改变两个特征参数f1和f2之间的关系时，最大光程差的变化，首先固定其中一个特征参数f1的取值和d的取值，例如f1＝336mm，d＝287mm，观察改变另一束光的特征参数f2对最大光程差的影响。图3是根据公式(3)画出的f1＝336mm，d＝287mm时，最大光程差Δ1随着f2的变化。从图3可以看出，通过改变f2的取值，可以控制最大光程差Δ1的大小并使其小于光源的相干长度。所以本发明也可用于实现不同带宽光源的干涉。图3的实施例中光源中心波长λ为524nm，带宽Δλ为24nm，所以相干长为11.44um，在图中用虚线表示。可以看出对于此光源，当f2的取值为212.9mm＜f2＜247.8mm以及321.2mm＜f2＜361.1mm时都可以实现两束光之间的干涉。

为了观察减小最大光程差后的干涉效果，图4给出了在图3中一个参数点8：f2＝347mm时的实验干涉图案，从图4可以看出尽管光源是宽带荧光(相干长为11.44um)，依然可以清晰的看见两束球面波干涉时的环形干涉图案。

由上可知，本发明提出通过空间光调制器2同时模拟两个性质一样的器件，把一束光1分成两束沿同一路经传播的性质一样的光束(3，4)，得到小的光程差。且通过设置其中一束光的特征参数可以控制光程差的大小。

本发明涉及的一种光程差小且可控的干涉系统，其实现不局限于两束光之间的干涉，应涵盖空间光调制器同时模拟多个器件，把一束入射光分成多束光干涉的情况。

以上所述，仅是用以说明本发明的具体实施案例，并非用以限定本发明的可实施范围，举凡本领域熟练技术人员在未脱离本发明所指示的精神与原理下所完成的一切等效改变或修饰，仍应由本发明权利要求的范围所覆盖。

Claims (7)

1.一种可控小光程差干涉系统，包括空间光调制器（2）、光敏探测器（5）、光收集部分（6）和电脑（7），其特征在于：所述光收集部分（6）收集的光束（1）入射到空间光调制器（2）上，空间光调制器（2）同时模拟两个性质类似或相同的器件将光束（1）分成两束光（3、4），两束光（3、4）在光敏探测器（5）上的光程差小于相干长度，进而形成干涉图案并被光敏探测器（5）记录；

所述空间光调制器（2）为相位型，模拟的为两个透镜，空间光调制器（2）的相位信息为：

       （1）

其中exp[ik(x_s ²+y_s ²)/(2f)]是焦距为f的透镜的函数，φ表示相位，angle表示取复数的相角，exp表示指数函数，k是波数，f1和f2分别是两个透镜的焦距，xs和ys是空间光调制器平面的坐标；

在所述电脑（7）中根据公式（1）计算出相位且根据空间光调制器的相位调制函数

g = f (φ)         （2）

把相位信息转换成灰度信息输入空间光调制器中，即可同时产生两个焦距分别为f1和f2的透镜。

2.如权利要求1所述的可控小光程差干涉系统，其特征在于所述空间光调制器（2）模拟的为两个透镜。

3.如权利要求1所述的可控小光程差干涉系统，其特征在于所述空间光调制器（2）模拟的为两个光栅。

4.如权利要求2所述的可控小光程差干涉系统，其特征在于：所述两个透镜焦距分别为f1和f2，两束光（3、4）是两束球面波，两束球面波分别汇聚到两个点A和B。

5.如权利要求4所述的可控小光程差干涉系统，其特征在于：当所述入射光（1）为平面波时，点A和B与所述空间光调制器（2）之间的距离分别是焦距f1和f2。

6.一种根据权利要求1所述的可控小光程差干涉系统的使用方法，其特征在于： 所述两束光在光敏探测器（5）上的最大光程差为：

           （3）

其中，当d ≤ 2f1f2/(f1+f2)时，f10 = min {f1, f2}, f20 = max {f1,f2}；其他情况下f10 = max {f1, f2}, f20 = min {f1,f2}；d是空间光调制器（2）与光敏探测器（5）之间的距离，Ls是空间光调制器的半尺寸，f1和f2的定义与式（1）相同。

7.如权利要求6所述的使用方法，其特征在于：所述两束光在光敏探测器（5）上的最大光程差为△l，其中△l与d以及两个特征参数f1和f2有关，固定d和其中一个特征参数的取值，改变另一个特征参数的取值，可以改变最大光程差，进而影响光敏探测器（5）观察到的干涉图案的对比度。