CN107632402B - 一种用于实时观测微纳瞬变现象的连续/突发/相差三模超快显微成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于实时观测微纳瞬变现象的连续/突发/相差三模超快显微成像方法，具体为提供一种光路转换模块，改变激光方向，将同一超快脉冲激光器输出的飞秒激光通过光路转换模块后进入连续成像或者突发成像进行成像处理。在观测同一微纳瞬变现象时，既能够连续地捕捉到微纳环境下快速动态特性，又能够在实验的重要时刻获得数帧时间分辨能力达到飞秒量级的成像。增加相位检测模块，在同一个瞬变现象中，既能够观测到样品的透明部分，又能够观测到样品的不透明部分。
Description
技术领域
本发明涉及一种超快成像技术，尤其涉及一种用于实时观测微纳瞬变现象的连续/突发/相差三模超快显微成像方法。
背景技术
传统的CCD和CMOS成像是应用最广泛的成像技术。CCD和CMOS 无法清晰灵敏的捕捉到超快过程的动态发生，尤其对微纳尺度的观测对象进行成像。即使动态现象很慢，微纳尺度下也需要很高的时间分辨率。
光学成像普遍存在的问题是：帧率越高，每帧所收集的光子越少。为了得到更高的时间分辨率，普遍使用的方法是降低空间分辨率和采用大功率光源，但是这并不是理想的解决方案，不仅会产生光噪声，而且在进行微纳尺度成像时，光线集中在非常小的区域，可能会损伤被观测物体。
在需要观测瞬变现象的场合中，如研究光化学，声子学，等离子物理以及活细胞蛋白质等快速动态特性时，其观测不仅需要达到纳秒(10-9s) 量级的连续成像，还需要数帧时间分辨能力为飞秒(10-15s)量级的突发成像，以便对其研究过程中的关键时刻进行超短时间间隔的连续拍照。然而，目前的连续成像技术，只能达到纳秒的水平，而如果实验观测在某一时刻需要达到飞秒量级的成像，则采用泵浦探测技术和超快突发成像技术。在需要观测瞬变现象的场合中，为了能观测到物质的快速动态特性，即需要超快连续成像，又需要超快突发成像。
进一步地，当被观测对象在某一时间段是高度透明时，光波通过后振基本不变，仅存在相位的变化。而人眼只能鉴别可见光的波长和振幅，不能辨别相位的变化。因此，当同一个被观测物体在不同的时间段出现透明和不透明时，仅仅使用超快成像技术或者相差显微技术已经不能满足观测需求。
发明内容
本发明的目的是针对实时观测微纳瞬变现象，提供一种用于实时观测微纳瞬变现象的连续/突发/相差三模超快显微成像方法，能够连续地捕捉到微纳环境下快速动态特性，且在实验的重要时刻能够获得数帧时间分辨能力达到飞秒量级的成像。
为了实现上述目的，本发明所涉及的用于实时观测微纳瞬变现象的连续/突发/相差三模超快显微成像方法，其特殊之处在于：提供一种光路转换模块，改变激光方向，将同一超快脉冲激光器输出的飞秒激光通过光路转换模块后进入连续成像或者突发成像进行成像处理，其中，连续成像和突发成像的图像处理***中均包含有相位检测模块，用于检测待测物的透明部分。
进一步地，所述光路转换模块包括多个翻转镜。
更进一步地，所述光路转换模块包括第一翻转镜、第二翻转镜和反光镜，所述光路转换模块与连续成像的超快连续成像脉冲空间色散模块和突发成像的超快突发成像脉冲时域整形模块共同形成集成一体的双模脉冲整形模块，其中：
第一翻转镜用于改变飞秒激光路径，从而进入超快连续成像脉冲空间色散模块或者超快突发成像脉冲时域整形模块；
所述反光镜用于改变超快连续成像脉冲空间色散模块的输出激光，使其作用于第二翻转镜上；
所述第二翻转镜用于将反光镜转换的激光或者超快突发成像脉冲时域整形模块输出激光的路径改变到连续成像或者突发成像的后续操作。
再进一步地，所述双模脉冲整形模块输出端还设置有第三翻转镜，所述第三翻转镜将双模脉冲整形模块输出激光改变到连续成像或者突发成像的后续操作。
本发明的优点在于：
1、本成像方法所用皆是常用光学仪器，便于实现。
2、在观测同一微纳瞬变现象时，既能够连续地捕捉到微纳环境下快速动态特性，又能够在实验的重要时刻获得数帧时间分辨能力达到飞秒量级的成像。充分利用超快飞秒脉冲的时频特性，实现了可以灵活切换成像方式的双模成像，可以根据应用需求对超快过程进行全程连续检测或者特定时间点的重点检测，并且能实时切换检测方式。将多种单独的检测方式有机的结合起来，为精细加工过程检测提供了全新的一站式解决方案。
3、增加相位检测模块，在同一个瞬变现象中，既能够观测到样品的透明部分，又能够观测到样品的不透明部分。
附图说明
图1为本发明专利的一个实施例的结构示意图；
图2为结构示意图中脉冲整形模块的示意图；
图3为超快连续成像脉冲空间色散模块的示意图；
图4为超快突发成像脉冲时域整形模块的示意图；
图5为结构示意图中频-时转换与光学放大模块；
图6为连续/突发/相差三模超快显微成像的原理图。
图中：101：超快脉冲激光器；102：超快连续成像脉冲反空间色散模块；103：光路准直器；104：双模脉冲整形模块；105：第三翻转镜；106：光路准直器；107：凸透镜；108：观测对象；109：频-时转换与光学放大模块；110：单像素光电二极管；111：反光镜；112：散射光栅；113：准直光栅；114：空域整形后的脉冲；115：图像处理***。
201：飞秒脉冲；202：第一翻转镜；203：超快连续成像脉冲空间色散模块；204：超快突发成像脉冲时域整形模块；205：反光镜；206：第二翻转镜。
301：准直器；302：凸透镜；303：凸透镜；304：柱面镜；305：虚像相位阵列；306：衍射光栅。
401：脉冲展宽器；402：展宽后的激光脉冲；403：宽波带反射镜；404：光栅；405：透镜；406：空间光调制器；407：透镜；408：光栅；409：宽波带反射镜；410：时域整形后的多个子脉冲。
501：掺铒光纤放大器；502：拉曼泵浦；503：波分复用器；504：色散补偿光纤；505：波分复用器；506：拉曼泵浦。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明作进一步的详细描述：
本发明所设计的用于实时观测微纳瞬变现象的连续/突发/相差三模超快显微成像方法，具体为：提供一种光路转换模块，改变激光方向，将同一超快脉冲激光器输出的飞秒激光通过光路转换模块后进入连续成像或者突发成像进行成像处理，其中，连续成像和突发成像的图像处理***中均包含有相位检测模块，用于检测待测物的透明部分。
其中，所述光路转换模块包括多个翻转镜。本实施例中光路转换模块包括第一翻转镜、第二翻转镜和反光镜，光路转换模块与连续成像的超快连续成像脉冲空间色散模块和突发成像的超快突发成像脉冲时域整形模块共同形成集成一体的双模脉冲整形模块，其中：
第一翻转镜用于改变飞秒激光路径，从而进入超快连续成像脉冲空间色散模块或者超快突发成像脉冲时域整形模块；
所述反光镜用于改变超快连续成像脉冲空间色散模块的输出激光，使其作用于第二翻转镜上；
所述第二翻转镜用于将反光镜转换的激光或者超快突发成像脉冲时域整形模块输出激光的路径改变到连续成像或者突发成像的后续操作。
为方便后续操作的布置，双模脉冲整形模块输出端还设置有第三翻转镜，所述第三翻转镜将双模脉冲整形模块输出激光改变到连续成像或者突发成像的后续操作。
本发明的具体实现过程如下：
如附图所示，本发明三模超快显微成像方法包括光路a和光路b，光路 a和光路b分别代表连续成像和突发成像，二者通过第一翻转镜202、第二翻转镜206进行切换。具体为：当第一翻转镜202、第二翻转镜206转到水平位置时，为光路a；当第一翻转镜202、第二翻转镜206转到45度时，为光路b。
其光路a走向为：首先，超快脉冲激光器101用于输出飞秒激光；然后，经过准直器103进入双模脉冲整形模块104中超快连续成像脉冲空间色散模块203，由准直器301到超短脉冲通过透镜组(302，303)调整光斑大小，进入由柱透镜304、虚像相位阵列305和衍射光栅306组成的色散单元，脉冲在空间上依频展开，形成彩虹光斑；然后，经过第三翻转镜105 和准直器106透镜107，彩虹光斑汇聚到样品108上；然后，经过漫反射，编码后的脉冲超快连续成像脉冲反空间色散模块102，彩虹光斑被还原成短脉冲，进入频-时转换与光学放大模块109，将频域的信息转换到时域上，由于观测对象漫反射的光信号十分微弱且频谱较宽，在频-时转换之前进行带通滤波，并经过掺铒光纤放大器501和分布式拉曼放大，具体为拉曼泵浦502，506，波分复用器503，色散补偿光纤504，波分复用器505实现；最后，光束的时域信息通过光电二极管110光电转换、相位检测模块和图像处理***115，获取纳秒量级的连续成像。
其光路b走向为：首先，超快脉冲激光器101用于输出飞秒激光；然后，经过准直器103进入双模脉冲整形模块104中超快突发成像脉冲时域整形模块204，脉冲402经过反射镜403将光束发射至光栅404，光栅404将光束依频率展开，透镜405将光束准直后通过空间光调制器406，空间光调制器406对光束进行频域傅里叶变换从而进行时域整形。整形光经过透镜407和光栅408进行聚焦以及合束，并经过反射镜409形成时域整形后的多个子脉冲410。原激光脉冲402的频谱在频域上分成若干段，每个波段形成一个子脉冲，时域整形后的多个子脉冲410具有不同的时间间隔；然后，时域整形后的多个子脉冲410依次通过第三翻转镜105和准直器106 透镜107，汇聚到样品108上，并将目标物表面的二维图像信息编码到这些脉冲光谱上，由于子脉冲之间具有一定的时间间隔，所以这些子脉冲就会编码极短时间内不同时刻的信息，为超快突发成像提供条件；然后，经过漫反射，返回时通过反光镜111、散射光栅112和准直光栅113，将子脉冲不同频率的光谱在空间上均匀排列；最后通过相位检测模块和图像处理***115获得时间分辨能力为飞秒量级的成像。
本发明的成像方法所用皆是常用光学仪器，便于实现。在观测同一微纳瞬变现象时，既能够连续地捕捉到微纳环境下快速动态特性，又能够在实验的重要时刻获得数帧时间分辨能力达到飞秒量级的成像。充分利用超快飞秒脉冲的时频特性，实现了可以灵活切换成像方式的双模成像，可以根据应用需求对超快过程进行全程连续检测或者特定时间点的重点检测，并且能实时切换检测方式。将多种单独的检测方式有机的结合起来，为精细加工过程检测提供了全新的一站式解决方案。本发明中增加相位检测模块，在同一个瞬变现象中，既能够观测到样品的透明部分，又能够观测到样品的不透明部分。
Claims (1)
1.一种用于实时观测微纳瞬变现象的连续/突发/相差三模超快显微成像方法，其特征在于：提供一种光路转换模块，改变激光方向，将同一超快脉冲激光器输出的飞秒激光通过光路转换模块后进入连续成像或者突发成像进行成像处理，其中，连续成像和突发成像的图像处理***中均包含有相位检测模块，用于检测待测物的透明部分；所述光路转换模块包括多个翻转镜；所述光路转换模块包括第一翻转镜、第二翻转镜和反光镜，所述光路转换模块与连续成像的超快连续成像脉冲空间色散模块和突发成像的超快突发成像脉冲时域整形模块共同形成集成一体的双模脉冲整形模块，其中：
第一翻转镜用于改变飞秒激光路径，从而进入超快连续成像脉冲空间色散模块或者超快突发成像脉冲时域整形模块；
所述反光镜用于改变超快连续成像脉冲空间色散模块的输出激光，使其作用于第二翻转镜上；
所述第二翻转镜用于将反光镜转换的激光或者超快突发成像脉冲时域整形模块输出激光的路径改变到连续成像或者突发成像的后续操作；所述双模脉冲整形模块输出端还设置有第三翻转镜，所述第三翻转镜将双模脉冲整形模块输出激光改变到连续成像或者突发成像的后续操作。
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