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基于光谱编码的双光学频率梳3D快速成像技术获进展

时间:2018-10-08 作者:专家委 点击:84

中国仪表网 仪表研发】光学频率梳具有超快的时间分辨率和超高的频率精度,为研究和探索自然规律提供了更大的平台,经过十多年展,已经成为精密光谱测量、基础物理常数确定、天文测量以及量子光学操控等前沿科学领域的理想光源。
 

 
双光学频率梳3D快速成像实验装置图
 
  得益于光学频率梳的迅猛发展,各个科学领域快速推进,产生了许多新的测量技术。其中,双光学频率梳测量技术作为一种革命性的测量手段,引起了广泛的关注。它利用高系数下转换因子将高频光学频率信息转换到普通探测器可识别的射频波段,提高测量精度的同时极大地缩短光谱取样时间。它有别于传统傅里叶变换测量技术,具有高速测量、无需复杂机械扫描、宽波段和高分辨率等特性,自2002年首次提出,就作为一种高效的测量工具被广泛应用到精密光谱测量、绝对距离测量、化学传感、非线性光谱成像以及耗散波探测等领域。随着技术的发展,与更多激光技术相结合以拓展应用领域已成为双光学频率梳测量技术的重要发展趋势。
 
  最近,实验室的李文雪课题组开展了基于光谱编码的双光学频率梳3D快速成像研究,将双光学频率梳测量技术、一维光谱编码技术和光学参考技术有机结合,实现了绝对距离、样品2D反射率图像和3D形貌图像的快速同时获取。两个激光源均为宽带的锁模脉冲激光器,重复频率略有差别,分别作为信号光源和本地光源。不同于单点测距系统,利用光谱编码技术,探测光经色散元件在空间上均匀展开,在透镜焦面处形成一维线阵分布,各频率成分与空间位置形成一一对应的关系。通过表面反射,样品不同位置的反射率和深度信息能编码到不同频率成分的幅度与相位上。通常光学频率梳的频率成分可达105,利用此技术就能实现单次多点的样品信息加载探测,有效提高成像的速度。
 
  加载样品信息后的光频光谱经过双光学频率梳技术下转换到射频波段,再经过普通探测器进行探测,通过光学参考臂的对比即能反演样品的多项信息。首先利用飞行时间法计算绝对距离信息,测量精度在1s的平均时间下可达到159nm;其次通过不同频率成分幅度和相位信息的反演可以分别得到样品一维反射率曲线和深度曲线,再经过Y轴一维的机械扫描就能获得2.28mm×1.8mm大靶面无畸变的2D反射率图像和3D形貌图像。对应的数据流时间仅为252ms,为快速形貌成像开辟了新的道路。相关研究成果发表在Opt. Lett.43,1606(2018)。

(来源:中国仪表网 )