CN102692394B - 一种基于热透镜效应的二维成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热透镜效应的二维成像方法及装置，首先将泵浦光源发出的泵浦光分成等光强的、呈等间距阵列分布的泵浦光束组，泵浦光束组照射到被测样品上的待测区域，引起被测样品待测区域局部折射率的变化，产生热透镜效应；将探测光源发出的探测光分成等光强的、呈等间距阵列分布的探测光束组，探测光束组经过被测样品上的泵浦光束组照射的待测区域后，再经过空间滤波器后进入光电探测器测得二维热透镜信号图像。本发明在成像速度上比传统的对样品进行逐点扫描的方法快，另外由于无需进行逐点扫描，且避免了在成像检测中移动部件，有利于提高仪器的稳定性、降低成本、进一步小型化以及拓宽应用领域。

Description

一种基于热透镜效应的二维成像方法及装置

技术领域

本发明涉及利用热透镜效应进行检测与成像领域，特别是一种利用衍射分光装置分光的二维多光束激发热透镜成像方法及装置。

背景技术

当光束（以下称泵浦光）经过材料时，材料会因吸收光能量而导致局部温度升高，从而引起材料的局部折射率发生改变。由于折射率的变化，材料会对在其中传播的光产生会聚或发散等效应，相当于新增了一个透镜，因而称之为热透镜效应。在这种热透镜效应中，光诱导产生的材料折射率的变化，其空间分布及其随时间的变化与泵浦光参数和材料特性紧密相关，利用热透镜效应可以对材料特性进行检测和分析，这种测量方法是一种高灵敏、非接触式的测量技术。

最为常见的利用热透镜效应进行材料特性检测的方法是利用一束相对较强的泵浦光经过被测样品并在其中激发热透镜效应，同时另一束相对较弱的探测光也经过材料中产生热透镜效应的区域，探测光可以和泵浦光有一定夹角，也可以是同轴的。当探测光通过泵浦光激发的热透镜区域时，其空间传播特性将会发生变化，产生新增的会聚或发散效应。通过检测出射探测光的会聚或发散特性的变化，就可以获得产生热透镜效应区域的材料特性。

因热透镜效应所引起的探测光的空间传播特性的变化通常可以通过在出射探测光光路中的适当位置加入一个空间滤波器来进行检测，空间滤波器允许部分探测光能量进入光电探测器。当泵浦光激发热透镜效应，从而引起探测光产生新增的会聚或发散，这样经过空间滤波器进入到光电探测器的光能量就会相应的发生变化。利用这种方法探测到的热透镜效应引起的探测光能量变化一般比较微弱，尤其是当样品为弱吸收材料时。因此，实际应用中一般需要利用锁相技术来进行检测。当需要获得样品材料特性的二维图像时，则是通过对样品进行逐点扫描来获得。这种二维扫描成像方法可以获得较高的分辨率，在远场测量条件下近似受限于泵浦光/探测光的衍射极限，比较容易达到亚微米量级。

但是这种传统的二维扫描成像方法在实际应用中受到了极大的限制。主要原因是成像的速度太慢。一方面是由于测量信号比较微弱，要获得良好的信噪比，就需要对每一个测量点进行一定时间的锁相积分；另一方面，进行逐点扫描，每移动到下一个测量点都需要花费一定的移动和等待时间，特别是后者，这是为了使整个***从机械震动到局部温度都能达到新的平衡以确保测量的准确性。这种成像速度很慢的缺点极大地限制了热透镜成像技术的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于热透镜效应的二维成像方法及装置，解决热透镜应用中进行二维成像过程中需要逐点扫描成像方法耗时过长的问题。

本发明的技术方案为：

一种基于热透镜效应的二维成像方法，包括以下步骤：

（1）、将泵浦光源发出的泵浦光分成等光强的、呈等间距阵列分布的泵浦光束组，泵浦光束组经聚焦成像透镜会聚后照射到被测样品上的待测区域，泵浦光束组的每一束泵浦光在被测样品上的待测区域引起了该区域折射率的变化；

（2）、将探测光源发出的探测光分成等光强的、呈等间距阵列分布的探测光束组，探测光束组经聚焦成像透镜会聚后照射到被测样品上并经过泵浦光照射的待测区域；且在待测区域探测光束组的每一束探测光均对应与泵浦光束组的每一束泵浦光在空间上重合；

（3）、经过被测样品后的探测光束组再进入光电探测器测得二维信号图像。

所述的步骤（1）中经泵浦光衍射分光装置后得到的泵浦光束组再经过调制器后得到调制，此泵浦光束组再经会聚后照射被测样品表面；所述的用于检测探测光的光电探测器为光电探测器阵列或一个光电探测器。

即对经过空间滤波器的探测光束组可以有两种不同的检测方法，具体描述如下：

方法一： 对从空间滤波器出射的探测光束组用同一个光电探测器来进行检测。这样在单一光电探测器上的信号是整个探测光束组信号的叠加，是样品上同时被测的多各区域信息的混合。 要想利用光束组来实现二维成像，需要每一束光产生的信号在探测器上是可分辨的。这可以通过对每一束泵浦光进行平行并且频率各不相同的调制来实现。在探测端，利用锁相检测及频率扫描技术，就可以把每一束泵浦光造成的热透镜信号（像素）分辨出来，从而不通过样品扫描就可以获得二维热透镜信号图像。

方法二：对应从空间滤波器出射的探测光束阵列用光电探测器阵列来进行检测，即对每一束探测光分别进行检测。这样在每一个光电探测器上的信号对应样品上每一点，从而无需对样品进行扫描就可以获得二维热透镜图像。在这种情况下对泵浦光的调制频率可以是相同的，也可以是不同的。在探测终端，利用并行处理电路来进行处理，就可以把每一束泵浦光造成的热透镜信号（像素）分辨出来。

所述的泵浦光源发射光路径和探测光源发射光的路径不同，所述的泵浦光束组经分色镜一输入端输入后和所述的探测光束组经分色镜另一输入端输入后均经分色镜输出端输出后，并经同一聚焦成像透镜会聚后先后照射于被测样品表面。

所述的步骤（3）中经过被测样品后的探测光束组经由探测光调整透镜后再经过空间滤波器和滤光片，最后进入光电探测器。

一种基于热透镜效应的二维成像装置，包括有泵浦光源和探测光源，位于泵浦光源和探测光源后端顺次设置的探测光空间滤波器、探测光滤光片和光电探测器，从所述的泵浦光源至探测光空间滤波器之间依次设置有泵浦光衍射分光装置、分色镜和聚焦成像透镜；从所述的探测光源至探测光空间滤波器之间依次设置有探测光衍射分光装置、所述的分色镜和聚焦成像透镜。

所述的泵浦光衍射分光装置和分色镜之间设置有阵列光调制器，所述的光电探测器为光电探测器阵列或一个光电探测器。

所述的探测光衍射分光装置和分光镜之间设置有第一探测光调整透镜；所述的聚焦成像透镜和所述的探测光空间滤波器之间设置有第二探测光调整透镜。

所述的探测光滤光片和光电探测器之间设置有探测光会聚透镜。

所述的泵浦光衍射分光装置和阵列光调制器之间设置有泵浦光调整透镜。

本发明在成像速度上比传统的对样品逐点扫描方法有很大提高，另外由于无需进行逐点扫描，具体检测及成像仪器设计可以避免使用移动部件，有利于提高仪器的稳定性、降低成本、进一步小型化以及拓宽应用领域。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

见图1，一种基于热透镜效应的二维成像装置，包括有泵浦光源1、探测光源2、位于泵浦光源1，探测光源2，设置于泵浦光源1和探测光源2后端的分色镜3，顺次设置于泵浦光源1至分色镜3一输入端之间的泵浦光衍射分光装置4、泵浦光调整透镜5和阵列光调制器6，顺次设置于探测光源2至分色镜3另一输入端之间的探测光衍射分光装置7和第一探测光调整透镜8，顺次设置于分色镜3输出端后的聚焦成像透镜9、第二探测光调整透镜10、探测光空间滤波器11、探测光滤光片12、探测光会聚透镜13和光电探测器14。探测光滤光片12的作用为遮挡杂散光，理论上只有探测光可以通过。

见图1，一种基于热透镜效应的二维成像方法,：包括以下步骤：

（1）、将被测样品15放置于聚焦成像透镜9和第二探测光调整透镜10之间；

（2）、泵浦光源1发出的泵浦光束经过泵浦光衍射分光装置4后被分为等光强的、呈等间距阵列分布的泵浦光束组；泵浦光束组依次经过泵浦光调整透镜5、阵列光调制器6后得到调制，并且每一束光的调制频率各不相同；调制后的泵浦光束组经过分色镜3透射后、并通过聚焦成像透镜9后照射到被测样品15上；

（3）、由探测光源9发出的探测光束经过探测光衍射分光装置7后被分为等光强的、呈等间距阵列分布的探测光束组，探测光束组经过第一探测光调整透镜8后，由分色镜3反射，并由聚焦成像透镜9会聚到被测样品15上，且探测光束组的每一束探测光在样品上待测区域均与泵浦光束组的每一束泵浦光在空间上重合；

（4）、透过被测样品15的探测光束组再经过第二探测光调整透镜10、探测光空间滤波器11和探测光滤光片12，由探测光会聚透镜13会聚进入光电探测器14测得二维热透镜信号图像。具体成像检测过程是：阵列光调制器6调制后的泵浦光束组照射到被测样品15的待测区域，每一束泵浦光在被测样品15照射区域引起了相应的样品折射率的变化；由于这种折射率的变化，经过该区域的探测光束组的传播特性会发生改变，产生新增的会聚或发散效应；由于这些新增的会聚或发散效应，经过探测光空间滤波器进入光电探测器的探测光的能量会相应的发生变化； 这种能量的变化与样品折射率的变化相关，通过测量探测光能量的变化就可获得样品折射率的变化，从而获得样品的材料特性。当采用单一光电探测器时，获得的信号是整个探测光束组的叠加。利用锁相检测技术探测光电探测器的输出信号。此时，以与某一被调制的泵浦光束的调制频率相同的交流信号作为锁相检测的参考信号，这样只有该泵浦光束诱导产生的反射率变化信号能够被锁相放大器测出，其它泵浦光束诱导产生的信号都被滤掉。依次改变参考信号的频率，就可以获得对应的泵浦光束诱导产生的信号。再根据泵浦光束的编号以及对应测得的信号，获得空间分辨的二维图像。

实际使用中也可以利用多个模拟-数字转换电路或锁相放大器每一束探测光束进行并行测量，以节省依次改变参考信号进行测量的时间，进一步提高成像速度。

也可以采用光电探测器阵列来探测光热透镜信号。每一束探测光分别进入一个光电探测器。这样在每一个光电探测器上的信号对应样品上每一点，在这种情况下对泵浦光的调制频率可以是相同的，也可以是不同的。在探测终端，利用并行处理电路来进行处理，就可以把每一束泵浦光造成的热透镜信号（像素）分辨出来。

Claims (9)

1.一种基于热透镜效应的二维成像方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、将泵浦光源发出的泵浦光分成等光强的、呈等间距阵列分布的泵浦光束组，泵浦光束组经聚焦成像透镜会聚后照射到被测样品上的待测区域，泵浦光束组的每一束泵浦光在被测样品上的待测区域引起了该区域折射率的变化；

（2）、将探测光源发出的探测光分成等光强的、呈等间距阵列分布的探测光束组，探测光束组经聚焦成像透镜会聚后照射到被测样品上并经过泵浦光照射的待测区域；且在待测区域探测光束组的每一束探测光均对应与泵浦光束组的每一束泵浦光在空间上重合；

（3）、经过被测样品后的探测光束组再进入光电探测器测得二维信号图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于热透镜效应的二维成像方法，其特征在于：所述的步骤（1）中经泵浦光衍射分光装置后得到的泵浦光束组再经过调制器后得到调制，此泵浦光束组再经会聚后照射被测样品表面；所述的用于检测探测光的光电探测器为光电探测器阵列或一个光电探测器。

3.根据权利要求1所述的一种基于热透镜效应的二维成像方法，其特征在于：所述的泵浦光源发射光路径和探测光源发射光的路径不同，所述的泵浦光束组经分色镜一输入端输入后和所述的探测光束组经分色镜另一输入端输入后均经分色镜输出端输出后，并经同一聚焦成像透镜会聚后先后照射于被测样品表面。

4.根据权利要求1所述的一种基于热透镜效应的二维成像方法，其特征在于：所述的步骤（3）中经过被测样品后的探测光束组经由探测光调整透镜后再经过空间滤波器和滤光片，最后进入光电探测器。

5.一种基于热透镜效应的二维成像装置，包括有泵浦光源和探测光源，位于泵浦光源和探测光源后端顺次设置的探测光空间滤波器、探测光滤光片和光电探测器，其特征在于：从所述的泵浦光源至探测光空间滤波器之间依次设置有泵浦光衍射分光装置、分色镜和聚焦成像透镜；从所述的探测光源至探测光空间滤波器之间依次设置有探测光衍射分光装置、所述的分色镜和聚焦成像透镜。

6.根据权利要求5所述的一种基于热透镜效应的二维成像装置，其特征在于：所述的泵浦光衍射分光装置和分色镜之间设置有阵列光调制器，所述的光电探测器为光电探测器阵列或一个光电探测器。

7.根据权利要求5所述的一种基于热透镜效应的二维成像装置，其特征在于：所述的探测光衍射分光装置和分光镜之间设置有第一探测光调整透镜；所述的聚焦成像透镜和所述的探测光空间滤波器之间设置有第二探测光调整透镜。

8.根据权利要求5所述的一种基于热透镜效应的二维成像装置，其特征在于：所述的探测光滤光片和光电探测器之间设置有探测光会聚透镜。

9.根据权利要求6所述的一种基于热透镜效应的二维成像装置，其特征在于：所述的泵浦光衍射分光装置和阵列光调制器之间设置有泵浦光调整透镜。