CN106990075B - 一种用于单个悬浮颗粒的二次谐波成像方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于单个悬浮颗粒的二次谐波成像方法和装置，该方法利用贝塞尔激光有效捕获悬浮颗粒，具有远程非接触、非侵入、捕获效率高的优点；利用飞秒激光在颗粒上产生的二次谐波信号进行成像，具有偏振分辨、光谱分辨、三维成像的优点，实现了对细微颗粒物的成像与观察。本发明提供的实现二次谐波成像方法的装置，采用的都是常见的光学原器件，成本低廉，同时能很好的实现对二次谐波信号的成像，适合推广。

Description

一种用于单个悬浮颗粒的二次谐波成像方法和装置
技术领域
本发明属于光学成像范畴，具体涉及一种基于激光捕获的适用于单个悬浮颗粒二次谐波成像方法和装置。
背景技术
大气中漂浮的颗粒污染物不仅是成大气能见度降低、光化学烟雾等环境问题的重要因素之一，更严重的是，直径小于2.5μm的细微颗粒物(PM2.5)能通过呼吸系统进入人体，深入肺部及心血管系统，对呼吸系统和心血管系统造成伤害。研究已经证实，PM2.5污染物会直接导致哮喘、肺癌、心血管疾病、出生缺陷和过早死亡。当前，PM2.5污染已经成为我国最为突出的大气环境问题，严重威胁着我国人民的生命健康，控制大气中PM2.5的含量势在必行。
水蒸汽凝结促进PM2.5长大进而利用现代除尘技术将其脱除是目前常用的控制PM2.5排放的手段，然而，水蒸汽在PM2.5表面的凝结物理机制尚不明确。揭示这一物理机制并确定影响因素对于提高PM2.5的脱除效率和脱除速度至关重要。实验上，通常采用光学显微镜来观察PM2.5颗粒长大的过程。然而，由于传统光学显微成像的分辨率不够高，不能够分辨凝结水和凝结核，且PM2.5颗粒通常处于漂浮状态，直接观察单个PM2.5颗粒通常是十分困难的。
发明内容
针对上述现有方法中存在的缺陷，本发明的目的在于，提供一种基于激光捕获的用于单个悬浮颗粒的二次谐波成像方法，利用贝塞尔激光束对漂浮的颗粒物进行捕获，然后探测捕获了的颗粒上产生的二次谐波信号实现对单个细微颗粒物高分辨成像的目的。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种用于单个悬浮颗粒的二次谐波成像方法，包括步骤：
一种用于单个悬浮颗粒的二次谐波成像方法，包括以下步骤：
步骤1：将一束贝塞尔光束沿一光路入射于含有单个细微物颗粒的样品室(9)，通过干涉的方法在样品室内产生贝塞尔光束驻波场；所述的细微物颗粒的直径小于10μm；
步骤2：将一束飞秒激光聚焦于样品室，使得飞秒激光与贝塞尔光束共线，将由样品室出射的基频光和二次谐波信号分离后分别成像；
步骤3：调节贝塞尔光束中心亮斑的尺寸，直到基频光对应的成像器件上出现稳定的细微颗粒物像；
步骤4：调节飞秒激光的偏振、波长和功率，直到二次谐波信号对应的成像装置上观察到二次谐波像。
一种实现二次谐波成像方法的装置，包括飞秒激光器、连续激光器、激光扩束器、贝塞尔光束产生装置、第一反射镜、第二反射镜、凸透镜、第一显微物镜、样品室、第二显微物镜、第三反射镜、第一聚焦透镜、第一成像器件、滤光片、第二聚焦透镜、第二成像器件；
所述的第二反射镜、凸透镜、第一反射镜、第一显微物镜、样品室、第二显微物镜、第三反射镜、第一聚焦透镜、第一成像器件依次设置在一条主光路上；
所述的样品室沿光路的两侧分别设有前石英窗和后石英窗，所述的第一显微物镜和第二显微物镜的镜头的一侧均靠近样品室；所述的样品室后石英窗上镀有高反膜和增透膜；
所述的第一反射镜的一侧沿一光路依次设置有激光扩束器和飞秒激光器，第一反射镜上设有高反膜和增透膜使得飞秒激光经过第一反射镜后沿主光路传播；
所述的第二反射镜的一侧沿一光路依次设置有贝塞尔光束产生装置和连续激光器，第二反射镜上镀有高反膜使得产生的贝塞尔光经过第二反射镜后沿主光路传播；
所述的凸透镜的后焦点与第一显微物镜的前焦点重合；
所述的第三反射镜的一侧沿一光路依次设置有滤光片、第二聚焦透镜和第二成像器件，第三反射镜上镀有增透膜和高反膜，使得经过第三反射镜反射后的二次谐波信号入射于第二成像器件。
所述的飞秒激光器可选波长在750-990nm范围可调的激光器。
所述的第二成像器件和第一成像器件可采用CCD或者CMOS。
所述的激光扩束器的扩束倍数在2-10倍内可调。
所述的贝塞尔光束产生装置可选锥透镜、空间光调制器、互相位调制装置、自相位调制装置。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、本发明的方法利用贝塞尔光束捕获固定单个漂浮的颗粒，具有远程非接触、非侵入、捕获效率高的优点；利用飞秒激光在颗粒上产生的二次谐波信号进行成像，具有偏振分辨、光谱分辨、三维成像的优点，实现了对细微颗粒物的成像与观察。
2、本发明提供的实现二次谐波成像方法的装置，采用的都是常见的光学原器件，成本低廉，同时能很好的实现对二次谐波信号的成像，适合推广。
附图说明
图1是本发明的装置光路示意图；
图1中各个标号含义：1—飞秒激光器，2—连续激光器，3—激光扩束器，4—贝塞尔光束产生装置，5—第一反射镜，6—第二反射镜，7—凸透镜，8—第一显微物镜，9—样品室，10—第二显微物镜，11—第三反射镜，12—第一聚焦透镜，13—第一成像器件，14—滤光片，15—第二聚焦透镜，16—第二成像装置，17—前石英窗，18—后石英窗。
下面结合附图和具体实施方式对本发明的方案作进一步详细地解释和说明。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种用于单个悬浮颗粒的二次谐波成像方法，包括以下步骤：
步骤1：将一束贝塞尔光束沿一光路入射于含有单个细微物颗粒的样品室9，通过干涉的方法在样品室内产生贝塞尔光束驻波场；所述的细微物颗粒的直径小于10μm；获得的贝贝塞尔光束驻波场可以捕获细微颗粒物的三维信息；
步骤2：将一束飞秒激光聚焦于样品室，使得飞秒激光与贝塞尔光束共线，该将由样品室出射的基频光和二次谐波信号分离后分别成像；飞秒激光与捕获了的细微颗粒物相互作用，产生二次谐波信号；
步骤3：调节贝塞尔光束中心亮斑的尺寸，直到基频光对应的成像器件上出现稳定的细微颗粒物像；本步骤目的在于，调节贝塞尔光束中心亮斑的尺寸，捕获细微颗粒的三维信息；
步骤4：调节飞秒激光的偏振、波长和功率，直到二次谐波信号对应的成像装置上观察到二次谐波像。二次谐波成像是一种非线性光学过程，只有在飞秒激光功率密度达到一定高度时才能够激发。
实施例2
本发明提供的用于单个悬浮颗粒二次谐波成像装置，参见图1，包括飞秒激光器1，连续激光器2，激光扩束器3，贝塞尔光束产生装置4，第一反射镜5，第二反射镜6，凸透镜7，第一显微物镜8，样品室9，第二显微物镜10，第三反射镜11，第一聚焦透镜12，第一成像器件13，滤光片14，第二聚焦透镜15，第二成像器件16，后石英窗17，前石英窗18。
其中，飞秒激光器1为波长在750-990nm范围可调的激光器；连续激光器2的中心波长为532nm；样品室9内包含可以自由漂浮的细微物颗粒(直径小于10μm)；激光扩束器3的扩束倍数在2-10倍内可调；凸透镜7的后焦点与第一显微物镜8的前焦点重合；第一反射镜5镀有750-990nm得宽带高反膜和532nm的增透膜；第二反射镜6镀有532nm的高反膜；第3反射镜11镀有750-990nm增透膜和370-500nm高反膜；滤光片14透过370-500nm波长的光同时吸收其余波长的光；样品室前石英窗18镀有532nm和750-990nm的增透膜；样品室后石英窗17镀有532nm高反膜和370-500nm增透膜；第六近红外光反射镜13通过可翻转镜架安装在测量底板上；成像装置采用CCD或者CMOS，贝塞尔光束产生装置4可选锥透镜、空间光调制器、互相位调制装置、自相位调制装置等可以产生贝塞尔光束的装置。
应用所述的用于单个悬浮颗粒二次谐波成像装置进行单个悬浮颗粒高分辨率成像的方法，包括以下步骤：
步骤1，连续激光器2发射连续激光，连续激光经过贝塞尔光束产生装置4后获得贝塞尔光束；贝塞尔光束经过第二反射镜6反射后依次经过凹透镜7和第一显微物镜8后进入样品室；
步骤2，调节第二反射镜6的俯仰和倾斜，使得由样品室后石英窗17上反射回来的贝塞尔光束与入射的贝塞尔光束重合，在样品室内产生贝塞尔光束驻波场；
步骤3，飞秒激光器1发射飞秒激光，飞秒激光经过可变激光扩束器3，将光束扩展为入射光束的2-10倍；扩束后的激光经过第一反射镜5反射后进入第一显微物镜8，由第一显微物镜聚焦进入样品室9；调节第一反射镜5的俯仰和倾斜，使得飞秒激光与贝塞尔光束共线；
步骤4，调节贝塞尔光束的焦距时，可更换焦距不同的凸透镜7来改变贝塞尔光束中心亮斑的尺寸，在更换凸透镜7的过程中相应得移动其前后位置保证凸透镜7的后焦点与第一显微物镜8的前焦点重合，经过样品室9出射的基频光经过第一聚焦透镜12的聚焦后进入第一成像器件13，直到在第一成像器件13上观察到稳定悬浮的颗粒物；
步骤5，经过样品室9出射的二次谐波信号经过第三反射镜11后，沿一光路依次经过滤波片11和第二聚焦透镜进入第二成像件，滤光片14透过370-500nm波长的光同时吸收其余波长的光，使得只有二次谐波信号进入第二成像器件16；调节飞秒激光器1内的波长调节装置、偏振片和衰减片，依次改变飞秒激光的波长、偏振和功率，直到第二成像器件上观察到二次谐波图像。
本发明的原理如下：
激光捕获的原理：光子的方向在经过界面时会发生变化，其动量也会随之改变。光子动量的改变量会传递给微粒，从而对微粒产生了力的作用，使得微粒减速停留。贝塞尔光束是指横向光强分布满足贝塞尔函数的光束，与常用的高斯光束相比，贝塞尔光束在传播过程中具有更好的稳定性(传播较远的距离而保持中心光斑的大小和尺寸基本不变)，因此贝塞尔光束可以实现长距离多微粒的捕获，具有更高的捕获效率。进一步地，利用贝塞尔光束的驻波场可以获得贝塞尔光阵列，从而实现三维捕获。
二次谐波成像原理：二次谐波成像是基于光与物质发生的二阶非线性相互作用，通过二次谐波信号进行成像，设入射激光的频率为ν0，则二次谐波信号的频率为2ν0。二次谐波成像具有很高的分辨率是因为：一方面，由于二次谐波是一种非线性光学过程，只有在激光功率密度达到一定高度时才能够激发，所以二次谐波过程只有在焦平面很小的区域内才会发生，空间分辨率高；另外一方面，二阶非线性光学效应具有偏振各向异性的特点，因此二次谐波成像对样品的内部结构特性非常敏感，通过改变入射光的偏振状态即可分辨样品中结构不同的组成部分。
水分子是有极性的分子，当处于蒸汽状态时，水分子杂乱无章分布，水蒸汽整体表现出各向同性，不会产生二次谐波信号。但是当水蒸汽在细微颗粒表面凝结时，水分子在细微颗粒表面有序排列，整体表现出各向异性，会产生二次谐波信号。利用这一特点，可以通过观察二次谐波信号的变化特征观察水蒸汽凝结的过程。此外，由于凝结水和凝结核的结构和物质不同，二次谐波信号随着入射光的偏振和波长变化的特点不同，利用这一特点，可以分辨凝结水和凝结核。

Claims (6)

1.一种用于单个悬浮颗粒的二次谐波成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将一束贝塞尔光束沿一光路入射于含有单个细微物颗粒的样品室(9)，通过干涉的方法在样品室内产生贝塞尔光束驻波场；所述的细微物颗粒的直径小于10μm；
步骤2：将一束飞秒激光聚焦于样品室，使得飞秒激光与贝塞尔光束共线，将由样品室出射的基频光和二次谐波信号分离后分别成像；
步骤3：调节贝塞尔光束中心亮斑的尺寸，直到基频光对应的成像器件上出现稳定的细微颗粒物像；
步骤4：调节飞秒激光的偏振、波长和功率，直到二次谐波信号对应的成像装置上观察到二次谐波像。
2.一种实现权利要求1所述的二次谐波成像方法的装置，其特征在于，包括飞秒激光器(1)、连续激光器(2)、激光扩束器(3)、贝塞尔光束产生装置(4)、第一反射镜(5)、第二反射镜(6)、凸透镜(7)、第一显微物镜(8)、样品室(9)、第二显微物镜(10)、第三反射镜(11)、第一聚焦透镜(12)、第一成像器件(13)、滤光片(14)、第二聚焦透镜(15)、第二成像器件(16)；
所述的第二反射镜(6)、凸透镜(7)、第一反射镜(5)、第一显微物镜(8)、样品室(9)、第二显微物镜(10)、第三反射镜(11)、第一聚焦透镜(12)、第一成像器件(13)依次设置在一条主光路上；
所述的样品室(9)沿光路的两侧分别设有前石英窗(18)和后石英窗(17)，所述的第一显微物镜(8)和第二显微物镜(10)的镜头的一侧均靠近样品室(9)；所述的样品室后石英窗(17)上镀有高反膜和增透膜；
所述的第一反射镜(5)的一侧沿一光路依次设置有激光扩束器(3)和飞秒激光器(1)，第一反射镜(5)上设有高反膜和增透膜使得飞秒激光经过第一反射镜(5)后沿主光路传播；
所述的第二反射镜(6)的一侧沿一光路依次设置有贝塞尔光束产生装置(4)和连续激光器(2)，第二反射镜(6)上镀有高反膜使得产生的贝塞尔光经过第二反射镜(6)后沿主光路传播；
所述的凸透镜(7)的后焦点与第一显微物镜(8)的前焦点重合；
所述的第三反射镜(11)的一侧沿一光路依次设置有滤光片(14)、第二聚焦透镜(15)和第二成像器件(16)，第三反射镜(11)上镀有增透膜和高反膜，使得经过第三反射镜(11)反射后的二次谐波信号入射于第二成像器件(16)。
3.如权利要求2所述的实现权利要求1所述的二次谐波成像方法的装置，其特征在于，所述的飞秒激光器(1)为波长在750-990nm范围可调的激光器。
4.如权利要求2所述的实现权利要求1所述的二次谐波成像方法的装置，其特征在于，所述的第二成像器件(16)和第一成像器件(13)可采用CCD或者CMOS。
5.如权利要求2所述的实现权利要求1所述的二次谐波成像方法的装置，其特征在于，所述的激光扩束器(3)的扩束倍数在2-10倍内可调。
6.如权利要求2所述的实现权利要求1所述的二次谐波成像方法的装置，其特征在于，所述的贝塞尔光束产生装置(4)选自锥透镜、空间光调制器、互相位调制装置、自相位调制装置。
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