CN112730328B - 一种连续太赫兹波全内反射全息折射率全场动态测量方法 - Google Patents

一种连续太赫兹波全内反射全息折射率全场动态测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种连续太赫兹波全内反射全息折射率全场动态测量方法，该方法通过设计将样品放置在高阻硅棱镜上，通过离轴全息的方法记录全息图，通过角谱回传算法，从热释电探测器所记录的光强信息计算出经过硅‑样品后样品复振幅改变。通过相位改变项计算得到样品折射率的实时动态的二维分布情况。

Description

一种连续太赫兹波全内反射全息折射率全场动态测量方法
技术领域
本发明设计了一种连续太赫兹波全内反射数字全息的折射率全场动态测量方法，属于太赫兹离轴数字全息技术领域。
背景技术
太赫兹波(Terahertz wave)是一种处于红外和微波波段之间的光，频率在0.1THz至10THz之间，是目前一种尚未被完全开发的电磁波。由于具有高穿透性、无电离性、惧水性等特征，已经被应用在安全监测、无损检测、药品检测等领域，并在医用影像等领域展现了应用前景。
太赫兹离轴数字全息术是一种通过全息图获得样品复振幅的实时全场成像方法。其原理为：通过将一束相干的连续太赫兹激光分成两束，其中一束通过样品成为物光，而另一束作为参考光，以一定角度和物光进行干涉，通过记录干涉条纹，能够计算出物光光波的复振幅。
然而由于复振幅信息同时包含了样品的厚度信息和折射率信息，已知复振幅的情况下，还需要知道物体厚度才能够计算出样品折射率。这在连续太赫兹透射式成像中对样品提出了较高的要求，且由于生物样品含有较多水份，目前的连续太赫兹透射式数字全息主要使用经过切片、冷冻或石蜡包埋处理后的生物样品。而对于反射式折射率测量，太赫兹衰减全内反射式时域光谱系统虽然能够获得样品折射率信息，由于基于太赫兹时域光谱仪的全场测量依赖于机械扫描，因此无法全场动态地对样品折射率进行表征。为此我们提出了一种太赫兹全内反射数字全息的折射率测量方法，通过全息的方法测量得到样品的复振幅分布并且在已知棱镜折射率、全内反射角的情况下从复振幅中解耦得到折射率的实施动态分布。
发明内容
本发明的目的在于通过全息的方法记录样品全内反射时的相位改变，并通过一种算法计算出样品折射率的实施动态的二维分布。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于连续太赫兹波全内反射数字全息的折射率全场动态测量方法，实现该实验方法的这项系统包括了红外泵浦的甲醇气体激光器，两个镀金的离轴抛物面镜、高阻硅衰减全内反射(ATR)棱镜、太赫兹分光片、太赫兹半波片、镀金反射镜、被测样品和面阵式热释电探测器(内含斩波器)。红外泵浦的甲醇气体激光器由二氧化碳激光器产生150W左右的红外激光，红外激光泵浦甲醇蒸汽输出频率为2.52THz的连续太赫兹波。该太赫兹波输出功率最大为500mW，其偏振态旋转90°后，经过两个离轴抛物面镜，被扩束准直成平行光。平行的太赫兹波经过分光片，被分成了两束光，其中一束光经过高阻硅ATR棱镜后，被面阵式热释电探测器接收。而另一束光经过一个金镜反射，在面阵探测器的记录平面和第一束激光发生干涉，此时全息图被记录为Iair(x1,y1)。之后在高阻硅棱镜上放置样品后，再进行全息图的记录，记录含样品的全息图Is(x1,y1)。
该方法包括了利用离轴全息的方法将全息图Iair(x1,y1)和Is(x1,y1)重建为样品复振幅Uair(ξ,η)、Us(ξ,η)，取得复振幅的相位角φ1和φ2取并通过其相位项计算出样品折射率ns(ξ,η)。其计算过程包括了一下四个步骤。
S1将Is(x1,y1)进行傅里叶变换，获得其频谱，并将+1级频谱截取并放置在中心位置。通过角谱回传到物平面，从而计算出物平面处复振幅分布Us(ξ,η)，从而得到经过样品后相位φ1。
S2将Iair(x1,y1)进行傅里叶变换，获得其频谱，并将+1级频谱截取并放置在中心位置。通过角谱回传到物平面，从而计算出物平面处复振幅分布Uair(ξ,η)，从而得到经过样品后相位φ2。
S3在已知全内反射棱镜折射率n1，空气折射率nair和全内反射入射角θ1时，将φ1和φ2相减并与理论上上界面为空气时棱镜经过全内反射时的相位改变量φair相加获得φp，其中：
Figure BDA0002862413650000031
S4通过计算得到样品折射率信息。
Figure BDA0002862413650000032
本发明的典型实施例的试验结果表明，当斩波器频率为50Hz时，每帧记录时间为0.02s，可以通过累加20帧以提升系统信噪比。从而实现了样品折射率的二维实时动态记录。
与现有技术相比，本发明提出的一种基于连续太赫兹波全内反射数字全息的折射率全场动态测量方法，将探测器采集到的离轴全息图样进行滤波、角谱回传到物平面，利用菲涅耳公式等推导结论从相位差推导出样品折射率分布。该发明能够实时动态地对样品折射率二维分布进行探测。
附图说明
图1是一种基于连续太赫兹波全内反射数字全息的折射率全场动态测量方法的系统光路。图中：1、红外泵浦的连续太赫兹气体激光器 2、太赫兹半波片 3、第一镀金离轴抛物面镜 4、第二镀金离轴抛物面镜 5、太赫兹分光片 6、镀金反射镜 7、高阻硅衰减全内反射 8、被测样品 9、PY-IV面阵式热释电探测器。
具体实施方式
如图1所示，一种基于连续太赫兹波全内反射数字全息的折射率全场动态测量方法，其特征在于：实现该方法的成像系统光路包括FIRL295型红外泵浦的连续太赫兹甲醇气体激光器1，太赫兹半波片2，焦距为50.8mm的第一镀金离轴抛物面镜3，焦距为152.4mm的第二镀金离轴抛物面镜4，太赫兹分光片5，太赫兹反射镜6，高阻硅离轴抛物面镜7，待测样品8，PY-IV面阵式热释电探测器9。连续太赫兹激光器1作为辐射源，输出频率为2.52THz，对应中心波长为118.83μm，输出功率最大为500mW且高度横向偏振，太赫兹波经过半波片2后，光束变为纵向偏振；第一离轴抛物面镜3，第二离轴抛物面镜4组成的系统将激光器1辐射出的连续太赫兹波扩束三倍，并准直成直径约为24mm的平行光；光束被分光片5分成两束光。反射光经过镀金反射镜6进入热释电探测器9中，而另一束激光入射折射率为3.42的高阻硅棱镜，并以51.6°的全内反射角进行反射后经过折射再次回归空气介质，并和参考光在热释电探测器9中发生干涉。热释电探测器9像素尺寸为80×80μm，像元数量为320×320。
该方法包括了利用离轴全息的方法将全息图Iair(x1,y1)和Is(x1,y1)重建为样品复振幅Uair(ξ,η)、Us(ξ,η)，取得复振幅的相位角φ1和φ2取并通过其相位项计算出样品折射率ns(ξ,η)。其计算过程包括了一下四个步骤。
S1将Is(x1,y1)进行傅里叶变换，获得其频谱，并将+1级频谱截取并放置在中心位置。通过角谱回传到物平面，从而计算出物平面处复振幅分布Us(ξ,η)，从而得到经过样品后相位φ1。
S2将Iair(x1,y1)进行傅里叶变换，获得其频谱，并将+1级频谱截取并放置在中心位置。通过角谱回传到物平面，从而计算出物平面处复振幅分布Uair(ξ,η)，从而得到经过样品后相位φ2。
S3在已知全内反射棱镜折射率n1，空气折射率nair和全内反射入射角θ1时，将φ1和φ2相减并与理论上上界面为空气时棱镜经过全内反射时的相位改变量φair相加获得φp，其中：
Figure BDA0002862413650000051
S4通过计算得到样品折射率信息。
Figure BDA0002862413650000061
本发明的典型实施例的试验结果表明，当斩波器频率为50Hz时，每帧记录时间为0.02s，可以通过累加20帧以提升系统信噪比。从而实现了样品折射率的二维实时动态记录。
与现有技术相比，本发明提出的一种基于连续太赫兹波全内反射数字全息的折射率全场动态测量方法，将探测器采集到的离轴全息图样进行滤波、角谱回传到物平面，利用菲涅耳公式等推导结论从相位差推导出样品折射率分布。该发明能够实时动态地对样品折射率二维分布进行探测。

Claims (1)

1.一种连续太赫兹波全内反射全息折射率全场动态测量方法，其特征在于：实现该方法的成像系统光路中，连续太赫兹激光器( 1) 作为辐射源，输出功率高度横向偏振，太赫兹波经过半波片后，光束变为纵向偏振；第一离轴抛物面镜，第二离轴抛物面镜组成的系统将激光器辐射出的连续太赫兹波扩束三倍，并准直成平行光；光束被分光片分成两束光；反射光经过镀金反射镜进入热释电探测器中，而另一束激光入射折射率为3.42的高阻硅棱镜，并以51.6°的全内反射角进行反射后经过折射再次回归空气介质，并和参考光在热释电探测器中发生干涉；
该方法包括了利用离轴全息的方法将全息图Iair(x1,y1)和Is(x1,y1)重建为样品复振幅Uair(ξ,η)、Us(ξ,η)，取得复振幅的相位角φ1和φ2取并通过其相位项计算出样品折射率ns(ξ,η)；
包括以下四个步骤：
S1将Is(x1,y1)进行傅里叶变换，获得其频谱，并将+1级频谱截取并放置在中心位置；通过角谱回传到物平面，从而计算出物平面处复振幅分布Us(ξ,η)，从而得到经过样品后相位φ1；
S2将Iair(x1,y1)进行傅里叶变换，获得其频谱，并将+1级频谱截取并放置在中心位置；通过角谱回传到物平面，从而计算出物平面处复振幅分布Uair(ξ,η)，从而得到经过样品后相位φ2；
S3在已知全内反射棱镜折射率n1，空气折射率nair和全内反射入射角θ1时，将φ1和φ2相减并与理论上上界面为空气时棱镜经过全内反射时的相位改变量φair相加获得φp，其中：
Figure FDA0002862413640000021
S4通过计算得到样品折射率信息；
Figure FDA0002862413640000022
。
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