CN110873956B - 一种超高速正交偏振成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高速正交偏振成像装置及方法，该成像方法过程如下：飞秒激光经滤波、色散、增益与正交偏振复用后一分二成正交信号光与参考光，且正交偏振方向沿着保偏光纤快慢轴；信号光先经衍射空间散开，后进入空间光成像***，携带样品信息后沿光路返回；加载样品信息的信号光与参考光一起接入光学相干接收机完成光学相干探测，并由光信号转换为电信号，再经高速模数转换对电信号高速采样转化为数字信号输出，最后由计算机解调复原图像。本发明与传统CCD成像传感器相比，在保证微米级成像分辨率的情况下，能以超高的百MHz帧率获取样品的偏振信息，而且基于光学相干接收机的全数字采集有利于后期实时分析以及图像优化处理。

Description

一种超高速正交偏振成像装置及方法

技术领域

本发明属于偏振显微成像技术领域，具体涉及超快偏振成像技术，更具体地涉及一种基于光学相干探测的飞秒激光超高速正交偏振成像装置及方法。

背景技术

偏振光成像是光学成像领域里一个非常重要的成像技术，它能提供强度、相位、偏振多维信息。特别是在生物医学成像领域，偏振光成像技术有着无需入侵、对样品低损伤、对亚波长结构变化敏感的优点。光偏振态的改变与样品的微观结构有着密切联系，所以对光偏振态的测量能够获得组织样品丰富的结构信息。除了对静态的组织结构成像外，偏振成像技术还被广泛用于微观的动态生物医学研究。为了更好的了解实时微观偏振敏感的动态变化过程以及实现大容量的组织甚至细胞偏振研究，提高偏振光成像技术的时间分辨率是十分必要的。

现今的偏振光成像技术的图像获取速度较慢，其中，CCD和CMOS图像传感器是现今在偏振光成像***中应用最广泛的技术。在日常生活中，这两种成像器一般只会拥有30HZ的帧率。尽管在实验室里，通过减少像素数量可以获得几十KHZ的帧率，但必然会降低成像质量。这种成像器的像素灵敏度和刷新频率相互之间是存在较大限制的。要想保证图像越清晰，相应的图片刷新频率必须越低；相反地，如果图片的刷新频率越高，图片就会越不清晰。这种灵敏度与帧率之间的互相限制也几乎影响着所有的偏振光成像***。

因此，急需寻找一种超快的偏振光成像技术来适应现代偏振成像的实验分析工作或实际生产的需要。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述成像速度问题，提供一种基于光学相干探测的飞秒激光超高速正交偏振显微成像装置及方法，其能够在保证微米级成像分辨率的前提下大幅提高成像速度，并还能获取样品的偏振信息。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种超高速正交偏振成像装置，所述的成像装置包括飞秒激光器1、滤波器2、色散光纤3、光纤放大器4、偏振控制器5、光纤起偏器6、第一保偏耦合器7、指定长度保偏光纤8、偏振合束器9、第二保偏耦合器10、环形器11、激光准直透镜12、λ/4空间波/13，衍射光栅14、第一显微物镜15、第二显微物镜16、样品17、平面反射镜18、光纤延迟线19、光学相干接收机20、高速模数转换模块21、计算机22，其中λ为飞秒激光的中心波长。

所述的飞秒激光器1、滤波器2、色散光纤3、光纤放大器4、偏振控制器5和光纤起偏器6依次通过单模光纤连接；所述的光纤起偏器6与第一保偏耦合器7通过保偏光纤连接，所述的第一保偏耦合器7包括两路输出分支，其中一分支通过保偏光纤直接连接到偏振合束器9的一个分支，其中另一分支经一段指定长度保偏光纤8连接到偏振合束器9的另一个分支，所述的偏振合束器9的输出通过保偏光纤连接第二保偏耦合器10，所述的第二保偏耦合器10将光路一分二为信号光路和参考光路；其中，信号光路首先连接所述的环形器11，然后，所述的环形器11的输出口通过保偏光纤连接激光准直透镜12，将光纤中的光转为空间光，空间光路依次放置所述的λ/4空间波片13、衍射光栅14、第一显微物镜15和第二显微物镜16、样品17和平面反射镜18，加载样品信息的信号光最终通过空间光路反射回所述的环形器11，并由所述的环形器11通过保偏光纤导入所述的光学相干接收机20的信号光输入端口；所述的第二保偏耦合器10输出的参考光路先连接光纤延迟线19，再通过保偏光纤接入所述的光学相干接收机20的参考光输入端口；最后所述的光学相干接收机20对正交偏振光进行相干探测，同时得到样品17的两个正交方向的偏振和相位信息，并将光信号转换为电信号，再经高速模数转换模块21对电信号高速采样转化为数字信号输出，最后由计算机22解调复原图像。

进一步地，所述的激光准直透镜12、λ/4空间波片13、衍射光栅14、第一显微物镜15、第二显微物镜16和平面反射镜18为石英玻璃材质的空间光学器件。

进一步地，所述的飞秒激光器1的中心波长在C波段，脉冲重复频率100MHz，脉冲持续时间几百飞秒。

进一步地，所述的色散光纤3的色散量相当于20km单模光纤，将脉冲展宽到纳秒级。

进一步地，所述的衍射光栅14为每毫米600线的光栅，此种光栅为偏振不敏感的光学元件。

进一步地，所述的指定长度保偏光纤8用于延迟脉冲，其长度需能使第一保偏耦合器7与偏振合束器9连接的上分支光纤总长度比下分支长L米，长度L＝v/(2f)，其中v为光在光纤中的传播速度，f为飞秒激光器1输出激光的重复频率。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种超高速正交偏振成像方法，所述的成像方法包括：

S1、飞秒激光的预处理步骤，飞秒激光器1产生宽带脉冲光，滤波器2对飞秒激光器1出射的激光滤波，选定中心波长1550nm以及合适的光谱宽度，色散光纤3对滤波后的激光通过群速度色散效应在时域上展宽，光纤放大器4对经过色散后滤波激光进行功率放大；

S2、正交双偏光的产生步骤，预处理完的激光脉冲经偏振控制器5和光纤起偏器6的组合以保证脉冲的线偏振态，然后线偏振脉冲经第一保偏耦合器7一分为二，上臂的脉冲经一段用于延迟的指定长度保偏光纤8以保证上下两臂的脉冲合起来后不会重叠，两臂的线偏振脉冲经偏振合束器9合束，合束的脉冲是沿着保偏光纤快慢轴的两个正交偏振脉冲，之后经第二保偏耦合器10一分二为信号光和参考光；

S3、信号光的信息加载步骤，信号光先经环形器11、激光准直透镜12导入空间光成像***，然后信号光依次经激光准直透镜12、λ/4空间波片13、衍射光栅14将激光转为平行空间光，然后空间散开，之后由第一显微物镜15、第二显微物镜16聚焦在样品17完成样品信息的加载，最后携带样品17的两个正交偏振方向的信息由平面反射镜18反射回光纤回路；而参考光支路经光纤延迟线19后进入光学相干接收机20；

S4、光学相干探测及图像还原步骤，加载样品信息的信号光与参考光一起接入光学相干接收机20，光学相干接收机20对正交偏振光进行相干探测，同时得到样品的两个正交方向的偏振和相位信息，并将光信号转换为电信号，再经高速模数转换模块21对电信号高速采样转化为数字信号输出，最后由计算机22解调复原图像。

本发明相对于现今日常生活中广泛应用的CCD和CMOS两种图像控制器来说有如下优点和效果：

1)、在极大的百MHz量级的帧率下，仍能保证成像出来的图片分辨率在μm量级，而且此装置还可以用来观测几近实时的偏振敏感微观变化；

2)、本发明可获得关于拍摄样品的全数字信息，非常有利于对照样品对数字信息做实时分析以及对恢复出来的图像做各种优化处理。

附图说明

图1是本发明公开的一种超高速正交偏振成像装置的结构示意图，

附图说明如下：1---飞秒激光器，2---滤波器，3---色散光纤，4---光纤放大器，5---偏振控制器，6---光纤起偏器，7---保偏耦合器，8---指定长度保偏光纤，9---偏振合束器，10---保偏耦合器，11---环形器，12---激光准直透镜，13---λ/4空间波片，14---衍射光栅，15---第一显微物镜，16---第二显微物镜，17---样品，18---平面反射镜，19---光学相干接收机，20---光纤延迟线，21---高速模数转换模块，22---计算机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本发明基于色散傅立叶变换的时域展宽成像技术，此技术被作为有可能应用于微观实时观测的一种高速显微成像技术已得到了发明与广泛研究。

在本实施例中，如附图1所示，一种基于光学相干探测的飞秒激光超高速正交偏振成像装置包括：

依次通过单模光纤连接的飞秒激光器1、滤波器2、色散光纤3、光纤放大器4、偏振控制器5和光纤起偏器6；与光纤起偏器6通过保偏光纤连接的第一保偏耦合器7，第一保偏耦合器7包括两路输出分支，其中一分支通过保偏光纤直接连接到偏振合束器9的一个分支，其中另一分支经一段指定长度保偏光纤8连接到偏振合束器9的另一个分支，偏振合束器9输出再通过保偏光纤连接第二保偏耦合器10，第二保偏耦合器10将光路一分二为信号光路和参考光路；信号光路首先连接环形器11、环形器11的输出口通过保偏光纤连接激光准直透镜12，将光纤中的光转为空间光，空间光路依次放置λ/4空间波片13、衍射光栅14、第一显微物镜15和第二显微物镜16、样品17和平面反射镜18，加载样品信息的信号光最终通过空间光路反射回环形器11，并由环形器11通过保偏光纤导入光学相干接收机20的信号光输入端口；第二保偏耦合器10输出的参考光路先连接光纤延迟线19，再通过保偏光纤接入光学相干接收机20的参考光输入端口；最后将光学相干接收机20输出的光电光学信号连接至高速模数转换模块21，模数转换后的数字信号最终通过以太网或USB发送至计算机22。

激光准直透镜12、λ/4空间波片13、衍射光栅14、第一显微物镜15、第二显微物镜16和平面反射镜18为石英玻璃材质的空间光学器件。

飞秒激光器1的中心波长在C波段，脉冲重复频率100MHz，脉冲持续时间几百飞秒。

色散光纤3的色散量相当于20km单模光纤，可将脉冲展宽到纳秒级。

衍射光栅14为每毫米600线的光栅，此种光栅为偏振不敏感的光学元件。

通过衍射光栅进行光加载样品信息的过程为，一束平行光经衍射光栅散开后，不同频率的光照射到样品上不同的位置，携带样品不同位置上的信息。

实施例二

在本实施例中，基于上述公开的依据光学相干探测的飞秒激光超高速正交偏振成像装置，公开了一种超高速正交偏振成像方法，包括以下步骤：

S1、飞秒激光的预处理步骤，飞秒激光器1产生宽带脉冲光，滤波器2对飞秒激光器1出射的激光滤波，选定中心波长1550nm以及合适的光谱宽度，色散光纤3对滤波后的激光通过群速度色散效应在时域上展宽，光纤放大器4对经过色散后滤波激光进行功率放大。

S2、正交双偏光的产生步骤，预处理完的激光脉冲经偏振控制器5和光纤起偏器6的组合以保证脉冲的线偏振态，然后线偏振脉冲经第一保偏耦合器7一分为二，上臂的脉冲经一段用于延迟的指定长度保偏光纤8以保证上下两臂的脉冲合起来后不会重叠，两臂的线偏振脉冲经偏振合束器9合束，合束的脉冲刚好是沿着保偏光纤快慢轴的两个正交偏振脉冲，之后经第二保偏耦合器10一分二为信号光和参考光。

S3、信号光的信息加载步骤，信号光先经环形器11、激光准直透镜12导入空间光成像***，信号光然后依次经激光准直透镜12、λ/4空间波片13、衍射光栅14将激光转为平行空间光，然后空间散开，之后由第一显微物镜15、第二显微物镜16聚焦在样品17完成样品信息的加载，最后携带样品17的两个正交偏振方向的信息由平面反射镜18反射回光纤回路；而参考光支路经光纤延迟线后进入光学相干接收机。

S4、光学相干探测及图像还原步骤，加载样品信息的信号光与参考光一起接入光学相干接收机20，光学相干接收机20对正交偏振光进行相干探测，同时得到样品的两个正交方向的偏振和相位信息，并将光信号转换为电信号，再经高速模数转换模块21对电信号高速采样转化为数字信号输出，最后由计算机解调复原图像。

由于结合了超高速成像的装置，该成像方法可以获得超高的百MHz成像帧速率。

高速模数转换模块21基于样品的正交方向的偏振和相位信息，可以进一步计算解得样品的琼斯矩阵和穆勒矩阵分布图像，基于穆勒矩阵还可以求得样品的二向色性、相位延迟和散射退偏等偏振参数。

更具体地，如图1所示，基于光学相干探测的飞秒激光高速偏振显微成像方法包含四个步骤。

一是飞秒激光的预处理步骤：滤波器2先对飞秒激光器1出射的激光滤波，选定中心波长1550nm以及合适的光谱宽度。色散光纤3、光纤放大器4对滤波后的激光完成适当的增益色散，将飞秒脉冲展宽到纳秒量级。

二是正交双偏光的产生步骤：预处理完的激光脉冲经偏振控制器5和光纤起偏器6的组合以保证脉冲的线偏振态。然后线偏振脉冲经第一保偏耦合器7一分为二，上臂的脉冲经一段用于延迟的指定长度保偏光纤8以保证上下两臂的脉冲合起来后不会重叠，两臂的线偏振脉冲经偏振合束器9合束，合束的脉冲刚好是沿着保偏光纤快慢轴的两个正交偏振脉冲。之后经第二保偏耦合器10一分二为信号光和参考光。

用于延迟的指定长度保偏光纤8的长度根据飞秒激光的周期计算决定。指定长度保偏光纤8的长度需能使第一保偏耦合器7与偏振合束器9连接的上分支光纤总长度比下分支长L米，长度L＝v/(2f)，其中v为光在光纤中的传播速度，f为飞秒激光器输出激光的重复频率。

三是信号光的信息加载步骤：信号光先经环形器11、激光准直透镜12导入空间光成像***。λ/4空间波片13可以保证入射的空间光脉冲光保持正交线性的偏振态。衍射光栅14可以将空间光按波长大小依次散开，然后经第一显微物镜15和第二显微物镜16聚焦在样品17上，最后由平面反射镜18将加载完样品信息的信号光反射回光纤。

四是光学相干探测及图像还原步骤：加载完信息的信号光经环形器11重新回到光纤环路并被接入光学相干接收机20；由第二保偏耦合器10分出的参考光先经过光纤延迟线19然后被接入光学相干接收机20，以此完成两路光的光程匹配以及相干信息的光学探测。高速模数采样模块21用来采集数据，然后计算机22将采集获得的相干数据存储起来，并由算法解调复原出样品的偏振有关信息图像。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超高速正交偏振成像装置，其特征在于，所述的成像装置包括飞秒激光器(1)、滤波器(2)、色散光纤(3)、光纤放大器(4)、偏振控制器(5)、光纤起偏器(6)、第一保偏耦合器(7)、指定长度保偏光纤(8)、偏振合束器(9)、第二保偏耦合器(10)、环形器(11)、激光准直透镜(12)、λ/4空间波片(13)，衍射光栅(14)、第一显微物镜(15)、第二显微物镜(16)、样品(17)、平面反射镜(18)、光纤延迟线(19)、光学相干接收机(20)、高速模数转换模块(21)、计算机(22)，其中λ为飞秒激光的中心波长；

所述的飞秒激光器(1)、滤波器(2)、色散光纤(3)、光纤放大器(4)、偏振控制器(5)和光纤起偏器(6)依次通过单模光纤连接；所述的光纤起偏器(6)与第一保偏耦合器(7)通过保偏光纤连接，所述的第一保偏耦合器(7)包括两路输出分支，其中一分支通过保偏光纤直接连接到偏振合束器(9)的一个分支，其中另一分支经一段指定长度保偏光纤(8)连接到偏振合束器(9)的另一个分支，所述的偏振合束器(9)的输出通过保偏光纤连接第二保偏耦合器(10)，所述的第二保偏耦合器(10)将光路一分二为信号光路和参考光路；其中，信号光路首先连接所述的环形器(11)，然后，所述的环形器(11)的输出口通过保偏光纤连接激光准直透镜(12)，将光纤中的光转为空间光，空间光路依次放置所述的λ/4空间波片(13)、衍射光栅(14)、第一显微物镜(15)和第二显微物镜(16)、样品(17)和平面反射镜(18)，加载样品信息的信号光最终通过空间光路反射回所述的环形器(11)，并由所述的环形器(11)通过保偏光纤导入所述的光学相干接收机(20)的信号光输入端口；所述的第二保偏耦合器(10)输出的参考光路先连接光纤延迟线(19)，再通过保偏光纤接入所述的光学相干接收机(20)的参考光输入端口；最后所述的光学相干接收机(20)对正交偏振光进行相干探测，同时得到样品(17)的两个正交方向的偏振和相位信息，并将光信号转换为电信号，再经高速模数转换模块(21)对电信号高速采样转化为数字信号输出，最后由计算机(22)解调复原图像。

2.根据权利要求1所述的一种超高速正交偏振成像装置，其特征在于，所述的激光准直透镜(12)、λ/4空间波片(13)、衍射光栅(14)、第一显微物镜(15)、第二显微物镜(16)和平面反射镜(18)为石英玻璃材质的空间光学器件。

3.根据权利要求1所述的一种超高速正交偏振成像装置，其特征在于，所述的飞秒激光器(1)的中心波长在C波段，脉冲重复频率100MHz，脉冲持续时间几百飞秒。

4.根据权利要求1所述的一种超高速正交偏振成像装置，其特征在于，所述的色散光纤(3)的色散量相当于20km单模光纤，将脉冲展宽到纳秒级。

5.根据权利要求1所述的一种超高速正交偏振成像装置，其特征在于，所述的衍射光栅(14)为每毫米600线的光栅，此种光栅为偏振不敏感的光学元件。

6.根据权利要求1所述的一种超高速正交偏振成像装置，其特征在于，所述的指定长度保偏光纤(8)用于延迟脉冲，其长度需能使第一保偏耦合器(7)与偏振合束器(9)连接的上分支光纤总长度比下分支长L米，长度L＝v/(2f)，其中v为光在光纤中的传播速度，f为飞秒激光器(1)输出激光的重复频率。

7.一种超高速正交偏振成像方法，其特征在于，所述的成像方法包括：

S1、飞秒激光的预处理步骤，飞秒激光器(1)产生宽带脉冲光，滤波器(2)对飞秒激光器(1)出射的激光滤波，选定中心波长1550nm以及合适的光谱宽度，色散光纤(3)对滤波后的激光通过群速度色散效应在时域上展宽，光纤放大器(4)对经过色散后滤波激光进行功率放大；

S2、正交双偏光的产生步骤，预处理完的激光脉冲经偏振控制器(5)和光纤起偏器(6)的组合以保证脉冲的线偏振态，然后线偏振脉冲经第一保偏耦合器(7)一分为二，上臂的脉冲经一段用于延迟的指定长度保偏光纤(8)以保证上下两臂的脉冲合起来后不会重叠，两臂的线偏振脉冲经偏振合束器(9)合束，合束的脉冲是沿着保偏光纤快慢轴的两个正交偏振脉冲，之后经第二保偏耦合器(10)一分二为信号光和参考光；

S3、信号光的信息加载步骤，信号光先经环形器(11)、激光准直透镜(12)导入空间光成像***，然后信号光依次经激光准直透镜(12)、λ/4空间波片(13)、衍射光栅(14)将激光转为平行空间光，然后空间散开，之后由第一显微物镜(15)、第二显微物镜(16)聚焦在样品(17)完成样品信息的加载，最后携带样品(17)的两个正交偏振方向的信息由平面反射镜(18)反射回光纤回路；而参考光支路经光纤延迟线(19)后进入光学相干接收机(20)；

S4、光学相干探测及图像还原步骤，加载样品信息的信号光与参考光一起接入光学相干接收机(20)，光学相干接收机(20)对正交偏振光进行相干探测，同时得到样品的两个正交方向的偏振和相位信息，并将光信号转换为电信号，再经高速模数转换模块(21)对电信号高速采样转化为数字信号输出，最后由计算机(22)解调复原图像。

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