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基于数字全息术的相位共轭光束获取及应用研究

马超杰  
【摘要】:相干光通过生物组织等折射率不均匀的介质会产生严重的波前畸变,因此对光束进行波前调制,实现光束通过生物组织的准确聚焦和成像,在生物医学研究领域具有重要的意义。数字光学相位共轭(Digital optical phase conjugation,DOPC)技术是在基于传统全息术的光学相位共轭技术的基础上发展起来的一种数字波前整形技术,可用来有效补偿生物组织以及多模光纤引起的波前畸变,因而近年来在生物医学领域受到了广泛关注。DOPC技术首先利用数字全息术获取物光束的波前信息,然后通过空间光调制器(Spatial light modulator,SLM)产生原物光束的相位共轭光束,基于时间反演实现波前畸变的补偿。然而,这两个过程通过不同的光学器件实现,使其在具体实施过程中面临相当大的挑战,限制了其更广泛的应用。此外,利用DOPC技术是否可实现光束通过散射介质重建三维目标或空间结构光束尚未证实。针对以上问题,本文开展了基于数字全息术的相位共轭光束获取及应用研究,主要完成的工作有:(1)利用几何光学原理分析了经梯形塞纳克干涉仪出射的两光束间的几何关系,在此基础上设计了横向剪切共路数字全息显微成像系统,证实了系统具有较高稳定性和物参光夹角可调节特性,并将其应用于静态和动态相位型样品的显微成像;基于梯形塞纳克干涉仪,设计了共光路数字全息干涉系统,用于测量SLM的非线性相位响应特性;针对SLM工作时引起的系统不稳定问题,提出了一种有效消除相位测量误差的方法,实现了校准后的SLM具有高精度的相位调制特性。(2)分析了DOPC技术在具体实施中面临的挑战,设计并搭建了具有梯形塞纳克干涉仪环形结构的DOPC实验系统,有效解决了DOPC技术中的像素匹配难题;首先基于数字全息术获取散射光束的复振幅信息,然后利用校准后的SLM产生散射光束的相位共轭光束,实现了光束通过多模光纤聚焦以及聚焦光斑的数字扫描;为了提高多模光纤成像速度,设计了可用于多模光纤宽场成像的DOPC实验系统,通过记录一幅离轴全息图实现了二维强度像的重建。(3)将多模光纤的旋转记忆效应与DOPC技术相结合,分析了多模光纤的圆柱对称性对旋转记忆效应范围的影响;利用设计的DOPC实验系统,当高斯光束耦合位置偏离光纤芯轴时,以光纤芯轴为中心对获取的加载在SLM上的灰度图进行数字旋转处理,通过记录一幅全息图实现了聚焦光斑在有限范围内的旋转扫描;在此基础上,将多模光纤的旋转记忆效应和线性叠加原理相结合,通过两幅灰度图的线性叠加,实现了两个聚焦光斑的同时产生。(4)提出了一种利用DOPC技术实现空间结构光束产生的方法,设计并搭建了将空间结构光束耦合入多模光纤的DOPC实验系统;当仅有散射光束的相位时间反演时,产生的相位共轭光束通过多模光纤后实现了贝塞尔光束和涡旋光束的重建,并证实了重建结果与原始目标相位共轭;基于多模光纤的圆柱对称性,提出了在重建的散射光束的频域进行圆对称数字滤波操作,利用振幅型环形滤波和相位型环形滤波,在多模光纤的出射端实现了贝塞尔光束和环形光束的产生。


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