一種基于方向濾波的飛秒光克爾門選通成像裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于超快成像與測量技術領域，具體涉及一種基于方向濾波的飛秒光克爾門選通成像裝置及方法。
【背景技術】
[0002]發展超快速成像與測量技術，對于研宄高速碰撞、爆炸過程、高壓放電等瞬態過程有著十分重要的應用價值。傳統光電技術難以探測這些超快過程，基于飛秒激光的超快速成像與測量技術，可以實現飛秒量級的時間分辨率，因而具有很重要的發展前景和意義。
[0003]光克爾門是一種基于光克爾效應的全光開關，具有可達飛秒量級的時間分辨率、操作方便和光子選通效率高等優點。基于光克爾門選通彈道光的成像技術，可以實現極高時間分辨的瞬態成像，在生物組織、超高速噴霧流場等極端散射環境中的目標物體成像，以及微納結構瞬態成像、超快熒光時間分辨成像等領域有十分廣泛的應用。但是，常規的光克爾門選通彈道光成像技術是一種針對觀測視野內全場成像技術，對目標結構復雜的區域，很難直接有效提取目標物體中的特定結構信息，特別是當目標物體不同結構區域強度信息差異很大時，該方法更難以識別目標物體中的強度較弱的特定結構。
[0004]方向濾波技術是一種基于傅里葉光學理論的信息光學處理技術，具體而言，是一種特殊的空間濾波技術。在信息光學處理技術中，所謂空間濾波，是指在光學系統頻譜面上放置適當的濾波器，以改變光波的頻譜結構，從而實現特定需求的圖像增強、特定目標識別等光學信息處理效果。方向濾波技術利用目標物體線狀結構與其空間功率譜擴展方向正交，并且物體圖像的線狀結構越密集，其功率譜擴展越大的特性，通過對特定方向上目標物體的空間頻譜的選取、增強(弱)操作，實現目標物體中特定結構的識別。在缺陷檢測、指紋對比度增強、活動斷層分析等領域具有重要的應用價值。然而，傳統的方向濾波技術不能實現高時間分辨率的物體成像。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在于提供一種基于方向濾波的飛秒光克爾門選通成像裝置及方法，能夠提取待測物體的特征結構或者實現圖像特定方向的成像對比度的增強。
[0006]為了達到上述目的，本發明采用的技術方案為:
[0007]一種基于方向濾波的飛秒光克爾門選通成像裝置，包括飛秒激光器和分束片，飛秒激光器的出射光路被分束片分為兩路，一束為探測光路，另一束為泵浦光路，探測光路中的光為飛秒探測脈沖光，泵浦光路中的光為飛秒泵浦脈沖光；探測光路上依次設有待測物體、第一凸透鏡、起偏器、光克爾介質、檢偏器、第二凸透鏡及(XD，且滿足4f系統，其中起偏器、光克爾介質和檢偏器構成光克爾門，且光克爾介質位于4f系統的頻譜面上；泵浦光路上依次設有用于調節飛秒泵浦脈沖光的光程的光學延時線、用于調節飛秒泵浦脈沖光的偏振方向的半波片、以及用于改變飛秒泵浦脈沖光的光斑形狀的空間整形裝置，且飛秒泵浦脈沖光與飛秒探測脈沖光在光克爾介質內部的空間位置重合。
[0008]所述的待測物體放置在第一凸透鏡的前焦面上，光克爾介質放置在第一凸透鏡及空間整形裝置的后焦面上，并同時位于第二凸透鏡的前焦面上，CCD放置在第二凸透鏡的后焦面上。
[0009]所述的飛秒激光器輸出的重復頻率為IkHz ;
[0010]所述的分束片的分光比為1: (2?4)，其中光強較大的一束作為飛秒泵浦脈沖光。
[0011]所述的光學延時線的最小光程改變量為10?10fs ；
[0012]所述的半波片為零級波片，其材質為BK玻璃或石英。
[0013]所述的空間整形裝置為柱透鏡或空間光調制器。
[0014]所述的第一凸透鏡和第二凸透鏡的透光孔徑均為25?100mm。
[0015]所述的起偏器的偏振方向與飛秒探測脈沖光的偏振方向相同，檢偏器的偏振方向與起偏器的偏振方向垂直。
[0016]所述的起偏器和檢偏器均為棱鏡偏振器或消光比大于14:1的薄膜偏振器，其中棱鏡偏振器為尼科爾棱鏡偏振器、格蘭泰勒棱鏡偏振器或渥拉斯頓棱鏡偏振器。
[0017]所述的光克爾介質為以下三階非線性光學材料的一種:二硫化碳、硝基苯、鈦酸鍶鋇、石英玻璃、重火石玻璃、鉍酸鹽玻璃、碲酸鹽玻璃、酞菁衍生物或C6tl衍生物。
[0018]一種基于方向濾波的飛秒光克爾門選通成像方法，包括以下步驟:
[0019]I)飛秒激光器發出的飛秒脈沖激光經分束片后分為兩束，一束為飛秒探測脈沖光，另一束為飛秒泵浦脈沖光；
[0020]2)飛秒探測脈沖光先入射到待測物體上，然后經過第一凸透鏡聚焦，入射到由起偏器、光克爾介質和檢偏器組成的光克爾門上，其中光克爾介質位于4f系統的頻譜面上，且起偏器的偏振方向與飛秒探測脈沖光的偏振方向相同，檢偏器的偏振方向與起偏器的偏振方向垂直；
[0021]3)飛秒泵浦脈沖光先經過光學延時線調節其光程，再經過半波片調節其偏振方向，然后通過空間整形裝置改變其光斑形狀，最后聚焦進入光克爾介質內部，并與飛秒探測脈沖光在光克爾介質內部的空間位置重合；
[0022]4)調節光學延時線，使飛秒泵浦脈沖光和飛秒探測脈沖光進入光克爾介質的時間重合，此時光克爾門瞬時打開，飛秒探測脈沖光通過檢偏器后進入第二凸透鏡，然后聚焦進入CCD,獲得待測物體的特定結構的高對比度圖像。
[0023]進一步的，調節半波片的光軸方向，使透過它的飛秒泵浦脈沖光的偏振方向與飛秒探測脈沖光的偏振方向呈45°夾角。
[0024]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
[0025]本發明提供的基于方向濾波的飛秒光克爾門選通成像裝置，將飛秒激光器的出射光路分為探測光路和泵浦光路。探測光路上依次設置了待測物體、第一凸透鏡、光克爾門(由起偏器、光克爾介質和檢偏器組成)、第二凸透鏡和(XD，它們構成了一個4f系統，能夠使待測物體清晰地成像在CCD上。其中，光克爾介質位于4f系統的頻譜面上，該頻譜面上分布了待測物體的全部空間頻譜成分，且頻譜面上的橫向分布對應了待測物體的縱向分布，保證了在選通頻譜面上的橫向成分時，僅對待測物體的縱向成分進行成像，從而實現方向性對比度增強的效果，更好地識別不同待測物體的特征。泵浦光路上依次設置了光學延時線、半波片和空間整形裝置，分別用于調節飛秒泵浦脈沖光的光程、偏振方向及改變飛秒泵浦脈沖光的形狀，保證了飛秒泵浦脈沖光和飛秒探測脈沖光在光克爾介質內部的空間位置和時間上的重合。空間整形裝置使入射的飛秒泵浦脈沖光的形狀發生改變，從而實現對待測物體的方向性選通成像。本發明提供的基于方向濾波的飛秒光克爾門選通成像裝置不僅光路簡單、成本較低，而且解決了當待測物體強度差別很大時傳統成像方法使強度弱的物體被淹沒，不能反映待測物體的真實情況的問題，通過對待測物體的方向性選通成像，可以很好地反映待測物體各部分分量的真實信息，具有方向性對比度高的優點，特別適用于待測物體強度分布差異很大的極端情況。
[0026]本發明提供的基于方向濾波的飛秒光克爾門選通成像方法，是一種飛秒時間分辨的超快過程的觀測方法，利用光學延時線調節飛秒泵浦脈沖光的光程，當飛秒泵浦脈沖光和飛秒探測脈沖光到達光克爾介質內部的時間完全重合時，飛秒泵浦脈沖光瞬時開啟光克爾門，攜帶了待測物體信息的飛秒探測脈沖光被選通并成像于CCD上。由于飛秒泵浦脈沖光經空間整形裝置后形狀發生改變，故僅在4f系統的頻譜面上選通了特定方向的飛秒探測脈沖光，從而可以獲得與該方向正交的待測物體的信息，且在該方向上選通的空間頻譜成分比傳統光克爾門選通的多了很多高頻成分。本發明提供的基于方向濾波的飛秒光克爾門選通成像方法實現了超高時間分辨率與特定方向的高對比度的飛秒時間光克爾門選通成像。利用該方法進行超快成像與測量，既可以獲得飛秒量級的超快時間分辨率，又能實現方向性對比度更高且邊緣更銳利的成像結果，可應用于特殊光強分布的物體成像、強散射體內部隱藏物體成像以及獲取物質的超快熒光圖像等領域。
[0027]進一步的，本發明中用半波片調節飛秒泵浦脈沖光的偏振方向，使其與飛秒探測脈沖光的偏振方向呈45°夾角，保證了在系統輸入光強不變情況下，光克爾門可以獲得最大的透過率。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明提供的基于方向濾波的飛秒光克爾門選通成像裝置