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数字全息衍射成像方法及其在偏振测量和超快成像中的应用研究

2020-12-02阅读(597)

数字全息衍射成像方法及其在偏振测量和超快成像中的应用研究

论文摘要

近年来随着超快矢量光场及其与物质相互作用研究的深入,如何对超快矢量光场的演化和超快矢量光场与物质相互作用过程中与偏振相关的微结构形成与演化过程进行实时动态观测和表征成为一个亟待解决的重要问题。数字全息衍射成像技术作为光学中用来对物体进行成像和测量的一种重要方法,它同样可以应用于光与物质的偏振测量和超快过程的成像研究中。本论文重点研究新型数字全息衍射成像方法,特别是基于数字全息衍射成像的偏振测量和超快成像技术,论文主要内容如下:1.对数字全息衍射成像的研究背景和进展进行了综述;对超快激光的发展以及其与物质相互作用的应用做了概括性的介绍;同时也对现有的偏振测量方法以及超快成像方法进了较为详细的介绍,指出了各种方法的优缺点,以及当前研究需要解决的问题。2.归纳总结了用于数字全息衍射成像和偏振测量的基本理论。主要包括全息记录和再现的原理、光在空间传播的标量衍射理论、抽样定理和巴比涅原理以及偏振光和各向异性材料双折射特性的琼斯矩阵理论等。3.提出并研究了一种基于互补随机抽样的数字全息无透镜衍射成像方法。该研究的主要创新点包括:引入了一组具有互补特性的二值随机抽样屏(简称互补随机抽样(CRS)屏);将这组CRS屏依次置于被测物体和记录平面之间,并依次记录透过抽样屏的物波在记录平面处的衍射强度图样;利用所发明的互补抽样重现算法可从这些强度图样中恢复出被测物波的复振幅(即振幅和相位)分布,再利用所恢复出的复振幅分布经过数字衍射运算,即得到被测物体在空间任意位置的衍射成像。理论研究和实验验证结果表明,本方法通过在物体和记录面之间插入CRS屏,大大提高了物波复振幅波前恢复的精确度和迭代效率;同时,可以有效消除传统方法中由于二值随机抽样引起的波前抽样损失。另外,由于本方法中迭代运算过程仅应用于抽样面和记录面之间,可适用于更一般的复值物体,并且不需要对物体进行特殊的限制。4.提出并研究了一种基于飞秒或皮秒超短脉冲激光的超快时间分辨多通道偏振全息显微成像方法和实验系统。与其它的超快时间分辨成像技术相比较,该方法的最大的优点就是可以在一次测量中同时记录两个不同时刻(具有超短时间间隔)的偏振信息。基于该系统,我们对两种典型的偏振敏感材料(如线性偏振片和云母片)中的超快过程进行了表征,并在实验上成功地观测到了冲击波的产生和传播现象。该技术为表征偏振敏感透明材料中的超快过程提供了一种新的有效途径。该研究为进一步研制与飞秒或皮秒脉冲激光系统匹配的新型超快时间分辨多通道偏振全息显微镜奠定了理论和实验基础。5.提出并研究了一种基于超快激光的四通道琼斯矩阵测量方法。该方法通过发射一个脉冲就可以记录一幅四通道角分复用全息图,通过提取全息图的空间频谱,可以很容易的恢复出待测偏振敏感样品的琼斯矩阵信息。实验上通过测量微流体芯片中淀粉颗粒的琼斯矩阵和测量不同电压液晶偏振的变化证明了此方法的可行性。此外当我们将所用的皮秒激光改为飞秒激光入射时,只要两探测脉冲的时间间隔大于脉冲宽度,就可以满足实验的记录要求,从而实现飞秒量级动态过程的琼斯矩阵实时测量。6.提出并研究了一种实现各向异性材料二维双折射参量(包括双折射相位延迟参量和双折射光轴取向参量)单击测量和成像的实验系统和方法。该实验系统结构简单,可通过在常规离轴全息成像记录装置中的物光光路和参考光路中分别插入一个圆偏振片和一个锐角偏振分束器来实现。同时提出并证明了一种从一幅单击全息图中定量提取双折射参量的算法,该算法中引入了一个新的物理量(命名为复双折射参量)来定量描述双折射特性,给出了从一幅单击全息图样中定量计算复双折射参量的计算公式;并给出了从复双折射参量中进一步提取双折射相位延迟参量和光轴取向参量的计算公式。实验结果证明了上述实验装置及方法的可行性和有效性。该研究为实验观测动态各向异性材料的双折射特性,特别是超快脉冲激光引起的双折射现象提供了一种新的有效工具。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 数字全息衍射成像的研究背景和意义
  •   1.2 相干衍射成像的发展和应用
  •     1.2.1 相干衍射成像在X射线成像中的发展和应用
  •     1.2.2 相干衍射成像在可见光成像中的应用
  •   1.3 超快成像和偏振测量
  •     1.3.1 超快激光的产生
  •     1.3.2 超快激光与物质的相互作用及应用
  •     1.3.3 偏振光的历史研究
  •     1.3.4 偏振光的应用及测量方法
  •   1.4 本论文的主要研究内容和安排
  • 第二章 数字全息衍射成像理论基础
  •   2.1 全息记录和再现原理
  •     2.1.1 全息记录原理
  •     2.1.2 全息再现原理
  •   2.2 光在空间中传播的标量衍射理论
  •     2.2.1 Maxwell方程组和Helmholtz方程
  •     2.2.2 Fresnel-Kirchhoff和 Rayleigh-Sommerfeld衍射公式
  •     2.2.3 Fresnel和 Fraunhofer衍射公式
  •   2.3 抽样定理
  •     2.3.1 抽样的概念和分类
  •     2.3.2 抽样函数
  •     2.3.3 惠特克-香农抽样定理
  •   2.4 巴比涅原理
  •   2.5 小结
  • 第三章 偏振基本理论以及偏振器件和各向异性材料的表征
  •   3.1 偏振的基本理论
  •     3.1.1 偏振光的琼斯矢量表示
  •   3.2 偏振器件和各向异性材料的表征
  •     3.2.1 偏振器件的琼斯矩阵表示
  •     3.2.2 各向异性材料的琼斯矩阵表示
  •   3.3 小结
  • 第四章 基于巴比涅互补随机抽样的无透镜相干衍射成像
  •   4.1 引言
  •   4.2 基于巴比涅互补随机抽样的衍射成像原理
  •   4.3 数值模拟与参数优化
  •   4.4 实验结果与分析
  •   4.5 小结
  • 第五章 基于皮秒飞秒激光的超快时间分辨偏振全息显微成像方法
  •   5.1 引言
  •   5.2 时间分辨偏振全息显微成像系统的实验装置
  •   5.3 时间分辨偏振全息显微成像系统的实验原理
  •   5.4 实验结果和分析
  •     5.4.1 系统空间分辨率的表征
  •     5.4.2 线偏振片的损坏过程成像
  •     5.4.3 云母片的损坏过程成像
  •   5.5 小结
  • 第六章 基于超快激光的四通道琼斯矩阵测量和成像方法
  •   6.1 引言
  •   6.2 时间分辨四通道琼斯矩阵测量实验装置
  •   6.3 时间分辨四通道琼斯矩阵测量方法的原理
  •   6.4 实验结果与分析
  •     6.4.1 系统空间分辨率的表征
  •     6.4.2 土豆淀粉颗粒的琼斯矩阵测量
  •     6.4.3 液晶样品的偏振特性测量
  •   6.5 小结
  • 第七章 各向异性材料双折射参量的单击定量测量
  •   7.1 引言
  •   7.2 各向异性材料双折射参量定量测量的实验装置
  •   7.3 各向异性材料双折射参量定量测量的实验原理
  •   7.4 实验结果分析与讨论
  •   7.5 小结
  • 第八章 工作总结和展望
  •   8.1 全文工作总结
  •   8.2 进一步工作展望
  • 参考文献
  • 攻读学位期间发表的学术论文与专利
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 程振加

    导师: 国承山

    关键词: 数字全息,相干衍射成像,超快激光,偏振测量,随机抽样,相位恢复,双折射,各向异性,时间分辨

    来源: 山东师范大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 物理学,计算机软件及计算机应用

    单位: 山东师范大学

    分类号: O438.1;TP391.41

    总页数: 121

    文件大小: 5197K

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