CN110530521B - 一种基于双光子吸收的超快探测成像装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双光子吸收的超快探测成像装置及方法，利用双光子吸收探测技术的特点，能够解决对于光源相干时间过短无法探测的问题，使用双光子吸收探测能够探测到真热光飞秒量级的涨落，同时结合空间光(振幅和位相)调制设备，利用DMD控制散斑的投射，实现对包含物体信息的光场的高阶关联函数的采样，具有开关速度快、高亮度、高对比度以及可靠性高等特点，使得光路简单，方便控制且高效；最后辅以相应的相位恢复算法实现对于复杂物体的快速且清晰的成像。能够有效的抵抗大气湍流、烟雾、浑浊液体等波动带来的波动，实现高质量的成像，因此本发明成像装置在遥感测绘、雷达等领域都将会有相当广泛地应用。

Description

一种基于双光子吸收的超快探测成像装置及方法
技术领域
本发明属于光学成像与半导体材料应用的交叉领域，特别涉及到一种基于双光子吸收的超快探测成像装置及方法。
背景技术
自从1956年Hanbury Brown和Twiss发现了双光子聚束效应后，HBT实验被进行了广泛的研究，这对整个量子光学的发展起到了重大的作用。在量子成像的发展过程中，赝热光源被广泛的使用，它是用一束激光打在旋转的毛玻璃后产生的赝热光源模拟热光的特性，其相干时间的长短可以通过控制毛玻璃的转速来控制。然而我们在实际的实验中，或者推广到工程应用里面，很多光源的聚束效应并不能被直接获得，原因就是因为探测器的响应速度跟不上。我们知道很多光源，比如最容易获得的日光，或者卤素灯、LED光源等，它们的相干时间尺度在皮秒乃至飞秒量级，这大大超出了一般探测器的探测响应速度，使之无法分辨出光强涨落的细节，更无法探测到聚束效应，如果想要实现真热光的成像，那就更加困难了。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种基于双光子吸收的超快探测成像装置及方法，能够探测到真热光飞秒量级的涨落。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于双光子吸收的超快探测成像装置，包括设置在待测物体一侧的真热光源，以及在待测物体另一侧依次设置的空间光调制设备、带通滤波片和双光子吸收探测器，空间光调制设备和双光子吸收探测器连接用于进行仿真编码控制以及进行数据处理恢复图像的计算机。
进一步的：空间光调制设备为空间光调制器或者数字微镜阵列。
进一步的：空间光调制设备上加载有散斑。
一种基于双光子吸收的超快探测成像方法，包括以下步骤：
首先真热光打在待测物体上形成携带待测物体信息的光，携带待测物体信息的光投射到空间光调制设备上，经过反射，携带待测物体信息的光通过带通滤波片由双光子吸收探测器接收后传输至计算机，最后计算机对双光子吸收探测器传输过来的信号进行数据处理恢复图像，完成基于双光子吸收的超快探测成像。
进一步的：真热光打在待测物体上，包含待测物体信息的干涉-衍射图样存在于远场的热光场的高阶关联函数之中，携带待测物体信息的光投射到编码的空间光调制设备上，在空间光调制设备表面的光场分布函数表示为：
Figure GDA0002460660330000021
其中，E0表示的是真热光光场分布，其中x1和x0分别为空间光调制设备和真热光处的横向坐标位置，λ为真热光的波长，z表示的是真热光在自由空间中传播的距离；
则在空间光调制设备上，光场的一阶关联函数能够表示为：
Figure GDA0002460660330000022
其中，<…>表示的是系综平均，σ(x)表示的是热光场的狄拉克函数，
Figure GDA0002460660330000023
表示的是物体透过率函数T(x)的傅里叶变换，当其中x1≠x1'时，这里的一阶关联函数将随着空间变化，能够体现出待测物体的空间分布信息。
进一步的：空间光调制设备为数字微镜阵列，对数字微镜阵列进行编码，根据窗口总的像素点数目将窗口均等划分为若干段，标记为a1,a2,a3......an，每次都要将中间的a(1+n)/2通道打开，然后再依次通过计算机控制数字微镜阵列从a1通道到an通道的开合，从而使两束反射光携带不同分布特性的光斑I0(x0)和I0(x1)反射出去，依次进行数据的采集。
进一步的：经过数字微镜阵列反射的光入射进带通滤波片，滤除能够导致双光子吸收探测器产生单光子探测的波段的光。
进一步的：经过带通滤波片的光最后触发双光子吸收探测器，其热光的二阶关联函数表示为：
Figure GDA0002460660330000031
其中
Figure GDA0002460660330000032
是热光的一阶关联函数；
令x1＝0，将公式(3)表示为
Figure GDA0002460660330000033
公式(4)中第一项为背景项，第二项是关联项，其中
Figure GDA0002460660330000034
sinc(x)＝sin(x)/x，它表示的是物体透过率函数T(x)的傅里叶变化，
Figure GDA0002460660330000035
包含了物体的干涉衍射图样信息；
将采集的数据，经过双光子探测符合系统后，经过关联运算归一化处理后得到：
Figure GDA0002460660330000036
将采集的n次数据g(2) 1(x,y),g(2) 2(x,y)......,g(2) n(x,y)经过处理，通过图像恢复算法重构得到基于不同散斑场下的物体图像，恢复出待测物体图像。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提出一种基于双光子吸收的超快探测成像装置，通过双光子吸收探测器，充分利用半导体材料里面双光子吸收这一个非线性过程，当频率满足能级跃迁过程时，光子会被吸收，其吸收速率使得双光子吸收探测能够在飞秒量级内捕获信号，从而实现对于真热光聚束效应的测量。解决现在对于真热光涨落过快，很难探测到真热光场二阶关联函数以及无法使用真热光光源进行抗扰动探测成像的问题。
本发明提出一种基于双光子吸收的超快探测成像方法，充分利用双光子吸收探测技术的特点，能够解决对于光源相干时间过短无法探测的问题，使用双光子吸收探测能够探测到真热光飞秒量级的涨落；同时结合空间光(振幅和位相)调制设备，利用DMD控制散斑的投射，实现对包含物体信息的光场的高阶关联函数的采样，具有开关速度快、高亮度、高对比度以及可靠性高等特点，使得光路简单，方便控制且高效；最后辅以相应的相位恢复算法实现对于复杂物体的快速且清晰的成像。由于本发明只需要探测到光的强度信息，能够有效的抵抗大气湍流、烟雾、浑浊液体等波动带来的波动，实现高质量的成像，因此本发明也可以有效地抵抗大气湍流等波动带来的干扰。解决对于热光涨落过快无法探测的问题，因此本发明成像装置在遥感测绘、雷达等领域都将会有相当广泛地应用。
附图说明
图1是本发明基于双光子吸收的超快探测成像装置的结构框图。
图中：1-真热光源，2-待测物体，3-空间光调制设备，4-带通滤波片，5-双光子吸收探测器，6-计算机。
图2是数字微镜阵列(DMD)的编码图。
图中：a1-通道1，a2-通道2，a3-通道3，……，a11-通道11。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明为了解决由于自然热光场强度涨落过快(10-15秒量级)，使用现有的技术手段无法探测存在于该光场中高阶关联函数中关于目标的信息，以及无法使用热光光源进行抗扰动探测成像的问题，提出了一种基于双光子吸收的超快探测成像装置及方法。
参见图1，本发明装置包括真热光源1，待测物体2，空间光调制设备3，带通滤波片4，双光子吸收探测器5，计算机6。待测物体2，空间光调制设备3，带通滤波片4，双光子吸收探测器5依次设置在真热光源1后面。其中计算机6与空间光调制设备3和双光子吸收探测器5相连。
真热光打在一个待测物体上，根据范西特-泽尼克定理(The Van Cittert-Zernike Theorem)，包含物体信息的干涉-衍射图样存在于远场的热光场的高阶关联函数之中，然后携带物体信息的光投射到编码的DMD上，经过反射，光通过一个带通滤波片由双光子吸收探测器接收，最后计算机进行数据处理恢复图像。
空间光调制设备3采用反射型空间光调制器(SLM)或者数字微镜阵列(DigitalMirror Device,DMD)，通过编码在空间光调制设备上加载不同分布的散斑，从而使反射光携带不同分布特性的散斑场。
双光子吸收探测器，充分利用半导体材料里面双光子吸收这一个非线性过程，当频率满足能级跃迁过程时，光子会被吸收，其吸收速率使得双光子吸收探测能够在飞秒量级内捕获信号，从而实现对于真热光聚束效应的测量。
本发明方法包括以下步骤：
1、将真热光打在待测物体上，携带物体信息的光会投射到数字微镜阵列(DMD)上面，在微镜阵列表面的光场分布函数可以表示为：
Figure GDA0002460660330000051
这里E0表示的是光源光场分布，其中x1和x0分别为数字微镜阵列DMD和真热光源处的横向坐标位置，λ为光源的波长，z表示的是光在自由空间中传播的距离。
由于非相干热光源相位随机，光学模式互相独立，所以它每个光源点向空间发射相互独立的、相位随机的光子。因此它的空间光场关联可用狄拉克函数来表示：
<E0 *(x0)E0 *(x0')>＝T(x0)σ(x0-x0') (2)
在数字微镜平面上，可以把光场的一阶关联函数表示为：
Figure GDA0002460660330000061
公式(2)中<…>表示的是系综平均，σ(x)表示的是热光场的狄拉克函数，
Figure GDA0002460660330000062
表示的是物体透过率函数T(x)的傅里叶变换，当其中x1≠x1'时，这里的一阶关联函数将随着空间变化，它能够体现出物体的空间分布信息。
2、利用计算机6对DMD进行编码，通过在空间光调制设备(空间光调制器(SLM)或者数字微镜阵列(DMD))上加载不同分布的散斑，比如均等分整个微镜阵列，根据窗口总的像素点数目将窗口均等划分为若干段，标记为a1,a2,a3......an，每次都要将中间的a(1+n)/2通道打开，然后再依次通过计算机控制DMD从a1通道到an通道的开合，从而使两束反射光携带不同分布特性的光斑I0(x0)和I0(x1)反射出去，依次进行数据的采集。通过控制数字微镜阵列(DMD)微镜的开合，每次符合的两路光束分别依次来自于a1和a(1+n)/2，a2和a(1+n)/2，……an和a(1+n)/2，完成对包含物体信息的光场二阶关联函数(the second order correlationfunction)G(1)的非定域测量。
3、经过数字微镜阵列(DMD)反射的光入射进带通滤波片4，滤除可导致双光子吸收探测器5产生单光子探测的波段的光，使单光子探测量子效率接近于零，这样半导体对通过带通滤波片4的光的探测就只能是双光子吸收探测。
4、经过带通滤波片4的光最后触发双光子吸收探测器5，其热光的二阶关联函数可以表示为：
Figure GDA0002460660330000063
其中，
Figure GDA0002460660330000064
是热光的一阶关联函数。
令x1＝0，可以将其表示为
Figure GDA0002460660330000065
其中上式(5)中第一项为背景项，第二项是关联项，与相干光的强度分布相似，包含了物体的空间频谱强度分布信息。
5、将采集的数据，经过双光子探测符合系统后，经过关联运算归一化处理后得到
Figure GDA0002460660330000071
将每次采集的数据经过处理，如g(2) 1(x,y),g(2) 2(x,y)......g(2) n(x,y)，最后通过图像恢复算法重构得到基于不同散斑场下的物体图像，这样即可恢复出我们的待测物体图像。
实施例1
下面结合图1对本发明做进一步的说明，如图1所示：包括真热光源1，待测物体2，空间光调制设备3(空间光调制器(SLM)或者数字微镜阵列(DMD))，带通滤波片4，双光子吸收探测器5，计算机6。待测物体2，空间光调制设备3，带通滤波片4，双光子吸收探测器5依次在真热光源后面。其中计算机6与空间光调制设备3和双光子吸收探测器5相连。
入射的真热光1依次打在一个透射型的待测物体2上形成携带待测物体信息的光，携带待测物体信息的光投射到空间光调制设备3上，其中空间光调制设备3也与计算机6进行相连，对其进行仿真编码控制；经过反射，光通过一个带通滤波片4由双光子吸收探测器5接收后传输至计算机6，最后计算机6对双光子吸收探测器5传输过来的信号进行数据处理恢复图像。
本实施例一种基于双光子吸收的超快探测成像方法主要有两个最大的优势，第一是可以充分利用双光子吸收这一个非线性过程，使探测达到了飞秒量级的时间分辨率，第二是结合空间光调制器，通过控制微镜的转动来实现不同散斑的投射，将采集的数据进行相应的相位恢复算法的处理，即可实现高速，高对比度的真热光成像。
利用本实施例的一种基于双光子吸收的超快探测成像方法，包括如下步骤：
1、将真热光打在待测物体2上，在远处光场的二阶关联函数中会形成待测物体2形状的傅立叶变换谱，即包含待测物体信息的光(包含待测物体信息的干涉-衍射图样)；根据范西特-泽尼克定理，包含待测物体信息的干涉-衍射图样存在于远场的热光场的高阶关联函数之中，这样携带物体信息的光会投射到数字微镜阵列(DMD)上面，在微镜阵列表面的光场分布函数可以表示为：
Figure GDA0002460660330000081
这里E0表示的是真热光光场分布，其中x1和x0分别为数字微镜阵列(DMD)3和真热光1处的横向坐标位置，λ为真热光的波长，z表示的是真热光在自由空间中传播的距离。
在数字微镜阵列平面上，我们可以把热光场的一阶关联函数可以表示为：
Figure GDA0002460660330000082
公式中<…>表示的是系综平均，σ(x)表示的是热光场的狄拉克函数，
Figure GDA0002460660330000083
表示的是物体透过率函数T(x)的傅里叶变换，当其中x1≠x1'时，这里的一阶关联函数将随着空间变化，这能够体现出物体的空间发布信息。
2、利用数字微镜阵列(DMD)对待测物体2形状的傅立叶变换谱进行非定域的空间采样：利用计算机6对数字微镜阵列(DMD)进行编码，根据镜头的像素点个数是608*684，将窗口均等划分为11段，每一段包含的像素点个数是19*38，将每段标记为a1,a2,a3......a11，如图2，每次都要将中间的a6通道打开，然后再依次通过计算机6控制数字微镜阵列(DMD)从a1通道到a11通道的开合，从而使两束反射光携带不同分布特性的光斑I0(x0)和I0(x1)反射出去，依次进行数据的采集。
3、滤除杂散光：经过数字微镜阵列(DMD)反射的光入射进入带通滤波片4，这可以滤除产生双光子线性吸收的那个波段的光，使半导体的单光子量子效率接近于零。
4、对热光场二阶关联函数进行直接测量：经过带通滤波片4的光最后触发双光子吸收探测器5，其热光的二阶关联函数可以表示为
Figure GDA0002460660330000084
其中
Figure GDA0002460660330000085
是热光的一阶关联函数。
令x1＝0，可以将其表示为
Figure GDA0002460660330000091
其中上式中第一项为背景项，第二项是关联项，与相干光的强度分布相似，包含了物体的空间频谱强度分布信息。
其中
Figure GDA0002460660330000092
sinc(x)＝sin(x)/x，它表示的是物体透过率函数T(x)的傅里叶变化，
Figure GDA0002460660330000093
包含了物体的干涉衍射图样信息。
5、将采集的数据，经过双光子探测符合系统后，经过关联运算归一化处理后得到
Figure GDA0002460660330000094
6、最后将采集的11次数据经过处理，如g(2) 1(x,y),g(2) 2(x,y)......,g(2) 11(x,y)，它们包含了物体的反射率(或透射率)分布函数的傅立叶变换的全部信息，最后通过图像恢复算法重构物体图像，这样即可恢复出我们的待测物体2。
本发明目的是为了解决现在对于真热光涨落过快，很难探测到真热光场二阶关联函数以及无法使用真热光光源进行抗扰动探测成像的问题。它充分利用双光子吸收探测技术的特点，能够解决对于光源相干时间过短无法探测的难题；利用反射型空间光调制器(SLM)，数字微镜阵列(Digital Mirror Device,DMD)等装置实现空间信息的扫描获取；根据范西特-泽尼克定理(The Van Cittert-Zernike Theorem)，包含物体信息的干涉-衍射图样存在于远场的热光场的二阶或高阶关联函数之中，然后结合空间光调制设备实现不同散斑的编码投射去获得物体的反射率(或透射率)分布函数的傅立叶变换的全部信息，最后辅以响应的相位恢复算法实现对于复杂物体的快速且清晰的成像。由于是我们是从光场的二阶或高阶关联函数中获取物体的信息，只需要探测到光的强度信息，因此这可以有效地抵抗大气湍流等波动带来的干扰，所以该发明在遥感测绘、雷达等领域都将会有相当广泛地应用。
综上所述，本发明是一种基于双光子吸收的超快探测成像方法，在现有基础的研究下，解决了现在对于热光涨落过快无法探测以及无法使用热光光源进行抗扰动探测成像的问题，能有效的抵抗大气湍流、烟雾、浑浊液体等波动带来的波动，实现高质量、高对比度的成像；另外本发明在不需要昂贵的基于双光子吸收的超快探测器阵列的情况下实现成像，成本较低、光路简单、易操作，这有利于从实验室研究成果向实际应用转化，将来在遥感测绘、雷达等领域都会有相当广泛地应用。

Claims (4)

1.一种基于双光子吸收的超快探测成像装置的超快探测成像方法，其特征在于：所述双光子吸收的超快探测成像装置包括设置在待测物体(2)一侧的真热光源(1)，以及在待测物体(2)另一侧依次设置的空间光调制设备(3)、带通滤波片(4)和双光子吸收探测器(5)，空间光调制设备(3)和双光子吸收探测器(5)连接用于进行仿真编码控制以及进行数据处理恢复图像的计算机(6)；具体包括以下步骤：
首先真热光打在待测物体(2)上形成携带待测物体信息的光，携带待测物体信息的光投射到空间光调制设备(3)上，经过反射，携带待测物体信息的光通过带通滤波片(4)由双光子吸收探测器(5)接收后传输至计算机(6)，最后计算机(6)对双光子吸收探测器(5)传输过来的信号进行数据处理恢复图像，完成基于双光子吸收的超快探测成像；空间光调制设备(3)为数字微镜阵列，对数字微镜阵列进行编码，根据窗口总的像素点数目将窗口均等划分为若干段，标记为a1,a2,a3......an，每次都要将中间的a(1+n)/2通道打开，然后再依次通过计算机控制数字微镜阵列从a1通道到an通道的开合，从而使两束反射光携带不同分布特性的光斑I0(x0)和I0(x1)反射出去，依次进行数据的采集；经过数字微镜阵列反射的光入射进带通滤波片(4)，滤除能够导致双光子吸收探测器(5)产生单光子探测的波段的光；经过带通滤波片(4)的光最后触发双光子吸收探测器(5)，其热光的二阶关联函数表示为：
Figure FDA0002577338660000011
其中
Figure FDA0002577338660000012
是热光的一阶关联函数；
x1和x0分别为空间光调制设备(3)和真热光处的横向坐标位置；
令x1＝0，将公式(3)表示为
Figure FDA0002577338660000013
公式(4)中第一项为背景项，第二项是关联项，其中
Figure FDA0002577338660000014
sinc(x)＝sin(x)/x，它表示的是物体透过率函数T(x)的傅里叶变化，
Figure FDA0002577338660000015
包含了物体的干涉衍射图样信息；
将采集的数据，经过双光子探测符合系统后，经过关联运算归一化处理后得到：
Figure FDA0002577338660000021
将采集的n次数据g(2) 1(x,y),g(2) 2(x,y)......,g(2) n(x,y)经过处理，通过图像恢复算法重构得到基于不同散斑场下的物体图像，恢复出待测物体(2)图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于双光子吸收的超快探测成像装置的超快探测成像方法，其特征在于：空间光调制设备(3)为空间光调制器或者数字微镜阵列。
3.根据权利要求1所述的一种基于双光子吸收的超快探测成像装置的超快探测成像方法，其特征在于：空间光调制设备(3)上加载有散斑。
4.根据权利要求1所述的一种基于双光子吸收的超快探测成像装置的超快探测成像方法，其特征在于：真热光打在待测物体(2)上，包含待测物体信息的干涉-衍射图样存在于远场的热光场的高阶关联函数之中，携带待测物体信息的光投射到编码的空间光调制设备(3)上，在空间光调制设备(3)表面的光场分布函数表示为：
Figure FDA0002577338660000022
其中，E0表示的是真热光光场分布，其中x1和x0分别为空间光调制设备(3)和真热光处的横向坐标位置，λ为真热光的波长，z表示的是真热光在自由空间中传播的距离；
则在空间光调制设备(3)上，光场的一阶关联函数能够表示为：
Figure FDA0002577338660000023
其中，σ(x)表示的是热光场的狄拉克函数，
Figure FDA0002577338660000024
表示的是物体透过率函数T(x)的傅里叶变换，当其中x1≠x1'时，这里的一阶关联函数将随着空间变化，能够体现出待测物体(2)的空间分布信息。
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