CN108760690A - 椭球反射镜聚焦环形孔径照明光学谐波生成激发方法 - Google Patents

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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
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Abstract

椭球反射镜聚焦环形孔径照明光学谐波生成激发方法属于非线性光学测量领域；该光学谐波生成激发方法的理论基础为沃尔夫衍射积分理论。通过建立椭球面反射镜聚焦系统聚焦环形孔径照明下的焦点附近电场的三维矢量模型，结合样品的非线性极化率张量矩阵，可以计算出所激发出的谐波极化场强度分布。飞秒激光器发出的脉冲激光经过准直，由椭球面反射镜聚焦系统聚焦于样品处。椭球面反射镜聚焦系统采用环形孔径照明。所述的椭球面反射镜聚焦系统包括大数值孔径物镜和椭球面反射镜；所述大数值孔径物镜的焦点和椭球反射镜的远焦点F1重合，椭球面反射镜的近焦点F2位于样品的表面上；使用本发明，可以抑制谐波激发过程中产生的噪声，提高所激发出的光学谐波的信噪比，同时压缩谐波极化场强度分布的半高宽。

Description

椭球反射镜聚焦环形孔径照明光学谐波生成激发方法
技术领域
本发明属于非线性光学测量领域，主要涉及一种用于非线性光学中，所研究样品的光学谐波激发的方法。
背景技术
利用样品自身的非线性光学效应，例如二次谐波生成，三次谐波生成，可进行生物样品无荧光标记的显微成像，纳米器件的微结构探测，疾病机理的诊断等。光学非线性效应的发生需要强光激发，例如在激光会聚的焦点处。一般情况下，谐波激发需要大数值孔径物镜进行紧聚焦照明。传统透镜的会聚角小于π/2，无法实现更大角度的会聚激发。径向偏振光在聚焦的焦面处有强轴向偏振分量，是谐波生成的一种理想照明光模式。但是，采用全孔径照明时，谐波激发过程中依然存在大量噪声。采用椭球面反射镜聚焦环形孔径照明，可以实现角度大于π/2的紧聚焦照明。此外，环形孔径技术还可以抑制噪声，提高谐波激发过程中的信噪比，提高谐波成像质量。
发明内容
本发明设计了一种椭球反射镜聚焦环形孔径照明光学谐波生成激发方法，可以解决谐波激发过程中噪声大量存在问题，可有效提高谐波显微成像的分辨率。
本发明的目的是这样实现的：
椭球反射镜聚焦环形孔径照明光学谐波生成激发方法，其理论基础为沃尔夫衍射积分理论。通过建立椭球面反射镜聚焦系统聚焦环形孔径照明下的焦点附近电场的三维矢量模型，结合样品的非线性极化率张量矩阵，可以计算出所激发出的谐波极化场强度分布。飞秒激光器发出的脉冲激光经过准直，由椭球面反射镜聚焦系统聚焦于样品处。椭球面反射镜聚焦系统采用环形孔径照明。所述的椭球面反射镜聚焦系统包括大数值孔径物镜和椭球面反射镜；所述大数值孔径物镜的焦点和椭球反射镜的远焦点F1重合，椭球面反射镜的近焦点F2位于样品的表面上，进而引起光学非线性效应，激发出光学谐波。所述的谐波生成方法其特征在于采用反射式环形孔径结构用于光学非线性谐波生成的激发。
上述的椭球反射镜聚焦环形孔径照明光学谐波生成激发方法，其特征在于所述的椭球反射镜为环形孔径结构。
上述的椭球反射镜聚焦环形孔径照明光学谐波生成激发方法，其特征在于所述的椭球反射镜中心圆部分反射率为0，外部环形部分反射率为1。
上述的椭球反射镜聚焦环形孔径照明光学谐波生成激发方法，其特征在于所述的椭球反射镜边缘到顶点，边缘环形部分对椭球反射镜近焦点F2的张角范围为[π/2,π]，中心圆部分的对椭球反射镜近焦点F2的张角范围为[0,π/2]。
由于本发明的谐波激发方法中，采用环形孔径照明，遮挡低照明角度的入射光，保留大角度照明的入射光。这种类似于滤波器的结构，可以抑制谐波激发过程中引入的噪声。尤其是径向偏振光入射时，环形孔径照明可以提升轴向偏振分量所占比重，提高成像分辨率。
附图说明
图1是椭球反射镜聚焦环形孔径照明光学谐波生成方法示意图。
图2是环形孔径结构在沿Z轴方向在X-Y平面上的投影图。
图3是椭球面反射镜聚焦环形孔径照明谐波生成矢量模型坐标定义图。
图4是环形孔径照明和全孔径照明下所对应的KTP样品二次谐波极化场强度分布对比图。
图1中：1飞秒激光器、2准直扩束器、3大数值孔径物镜、4环形孔径椭球面反射镜、5样品、6三维载物台。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施实例进行详细的描述。
本实施例的椭球反射镜聚焦环形孔径照明光学谐波生成激发方法示意图如图1所示。该光学谐波激发方法包括飞秒激光器1，准直扩束器2，大数值孔径物镜3，椭球面反射镜4，样品5，三维载物台6；飞秒激光器1发出的脉冲激光束依次经过准直扩束器2后，由大数值孔径物镜3会聚到椭球面反射镜4表面，再经过椭球面反射镜反射会聚于样品5处，进而引起光学非线性效应，激发出光学谐波；其中椭球反射镜为环形孔径结构，中心圆部分反射率为0，即抑制低照明角度入射光分量。样品固定放置在三维载物台6上；大数值孔径物镜的焦点和椭球面反射镜的远焦点F1重合，椭球面反射镜的近焦点F2位于样品的表面上。
本实施例中，椭球面反射镜聚焦环形孔径照明谐波生成矢量模型坐标定义图如图3所示。
径向偏振光经过大数值孔径物镜3会聚到椭球面反射镜4的一个焦点F1，然后被椭球反射镜4反射、会聚到另一个焦点F2。光束的对称轴为z轴，φ为子午平面相对于x轴的方位角，α为透镜的汇聚角，θ为椭球面反射镜的汇聚角。
基于沃尔夫衍射积分理论，可以得到F2附近的的电场分布，包括轴向偏振分量和径向偏振分量:
其中，A＝k·f(a+c)/[2(a-c)]，k＝2π/λ，λ为入射光波长，f为大数值孔径物镜的焦距。ρs，zs分别为聚焦区域的横向坐标和轴向坐标，α＝artan[(t-2c)·tanθ/t]，为消球差透镜的汇聚角，t＝[a2c·tan2θ+ab2(1+tan2θ)]/(a2tan2θ+b2)+c，t为M和F1之间沿着光轴方向的距离。l0(α)为透镜光瞳处的幅值分布函数，θ为椭球面反射镜的汇聚角，θmax为环形孔径照明下汇聚角的最大值，与椭球面反射镜的数值孔径有关，θmax＝arcsin(NA/n)，NA为椭球面反射镜的数值孔径。θmin为环形孔径照明下汇聚角的最小值。Jn(·)为第一类n阶贝塞尔函数。
本实施例中，椭球面反射镜在环形孔径照明下和全孔径照明下所对应的二次谐波极化场强度焦面分布对比图如图4所示。在椭球面反射镜4长半轴和短半轴长度比例为5∶3情况下，可以获得KTP样品在照明角度为[π/2,π]的环形孔径照明和全孔径照明(照明角度为[0,π/2])下所对应的二次谐波极化场强度在焦面上的分布。可以看出，在全孔径照明(照明角度为[0,π/2])下，KTP样品所激发的出的二次谐波极化场强度分布的主旁瓣峰值相对与主瓣峰值的比值较大，意味着此时有着很大的噪声干扰。而在环形孔径照明下的二次谐波极化场强度分布的主旁瓣有了很大的压缩，主旁瓣峰值相对于主瓣峰值的比值从全孔径照明(照明角度为[0,π/2])下的25％下降为环形孔径下的9％。

Claims (4)

1.一种椭球反射镜聚焦环形孔径照明光学谐波生成激发方法，其实现方式如下：飞秒激光器发出的脉冲激光经过准直，由椭球面反射镜聚焦系统聚焦于样品处；椭球面反射镜聚焦系统采用环形孔径照明；所述的椭球面反射镜聚焦系统包括大数值孔径物镜和椭球面反射镜；所述大数值孔径物镜的焦点和椭球反射镜的远焦点F1重合，椭球面反射镜的近焦点F2位于样品的表面上；其特征在于采用反射式环形孔径结构用于光学非线性谐波生成的激发。
2.根据权利要求书1所述的椭球反射镜聚焦环形孔径照明光学谐波生成激发方法，其特征在于所述的椭球反射镜为环形孔径结构。
3.根据权利要求书1所述的椭球反射镜聚焦环形孔径照明光学谐波生成激发方法，其特征在于所述的椭球反射镜中心圆部分反射率为0，外部环形部分反射率为1。
4.根据权利要求书1所述的椭球反射镜聚焦环形孔径照明光学谐波生成激发方法，其特征在于所述的椭球反射镜边缘到顶点，边缘环形部分对椭球反射镜近焦点F2的张角范围为[π/2,π]，中心圆部分的对椭球反射镜近焦点F2的张角范围为[0,π/2]。
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