基于四波前横向剪切干涉的波前传感技术与应用(特邀)

高科技的发展对精密干涉成像提出了更高的要求。在现代光学和生物医学领域,无标记成像技术不依赖于传统的染料或荧光标记,进行3D活细胞原位观察和分析,促进定量相位显微术的发展。在光学检测技术领域,对于干涉系统的现场化、实时化的应用具有迫切需求,如激光波前的瞬态检测分析、高速流场检测、自适应光学的检测和控制、高精度光学系统像差分析等都迫切需要一个紧凑型、抗环境干扰、瞬态成像的干涉系统。为此,针对针对这些需求,全面介绍了四波前横向剪切干涉相位成像技术的原理、发展历程、波前重构方法以及其广泛的应用。四波前横向剪切干涉仪能够通过在一个单一的干涉图中获取两个正交剪切方向的四个剪切波前来实现瞬态相位成像,由随机编码光栅和相位棋盘组成新颖的四波干涉传感器(Four-wave Interferometric Sensor,FIS4)。FIS4干涉传感器凭借其独特的优势,如紧凑性、鲁棒性、高时间分辨率以及与现有显微系统的兼容性,在生物医学、光学测量、材料表征等众多领域展现出广阔的应用前景。这一技术的发展不仅为相关领域提供了新的研究工具,也为跨学科的创新和发现开辟了新的可能性。

基于二维朗奇相位光栅的四波横向剪切干涉定量相位成像

定量相位成像具有无标记、非入侵及三维观测的特点,在生物医学、工业检测等领域有着显著的优势。本文提出利用二维朗奇相位光栅实现基于四波横向剪切干涉的定量相位成像的方法。理论分析了光栅周期和照明波长对四波剪切干涉的影响,得到了光栅周期与探测器像素尺寸的最佳匹配关系,论证了宽光谱光源照明下定量相位成像的可行性。实验搭建了结构紧凑的四波剪切干涉定量相位显微成像装置,实现了对PMMA微球、微透镜阵列和葡根霉菌切片的定量相位成像和测量。该装置可方便地与普通光学显微镜相结合,具有巨大的应用潜力。

基于菱形高斯组合窗滤波的四波横向剪切干涉相位重建

针对四波横向剪切干涉(quadriwave lateral shearing interference, QLSI)相位重建中现有常规滤波窗提取差分相位时存在易受噪声、频谱泄漏和其他级次频谱串扰影响等问题,提出了一种采用菱形高斯组合窗滤波的相位重建方法。通过由频谱面内的菱形窗和垂直于频谱面的一系列二维高斯窗组合而成的滤波窗,从QLSI干涉图中提取两正交方向的差分相位,最终由两个差分相位通过基于最小二乘的傅里叶变换法重建出待测相位。采用标准样品进行实际测量,比较了使用菱形高斯组合窗和其他四种常规滤波窗滤波对重建相位的重建相位差、均方根误差(root mean square error,RMSE)和峰谷(peak to vally,PV)误差的影响。结果表明:本文提出的方法重建相位的相位差最接近样品标称值,重建相位的RMSE误差和PV误差均取得最小值,可以有效提高相位重建质量。

路径导引的四波横向剪切干涉波前重构方法

为了解决区域法在四波横向剪切干涉波前重构过程中噪声误差沿积分路径累积影响波前重构精度的问题,本文提出了一种路径导引的四波横向剪切干涉波前重构方法。首先分析了噪声环境下无积分路径导引的区域法波前重构存在噪声误差累积的缺陷,然后在此基础上建立了基于差分相位导数偏差的积分路径评价图模型,并给出了基于积分路径导引的波前重构算法流程。为了验证所提方法的有效性,本文进行了理论仿真研究,结果表明在不同信噪比噪声下所提方法能有效地阻止噪声误差的传播和累积。搭建了基于纯相位型液晶空间光调制器的实验验证装置,实验结果表明:所提方法重构波前与理论波前残差的RMS相比无积分路径导引区域法重构波前与理论波前残差的RMS降低了39.7%,且所提方法重构波前PV值与理论波前PV值的偏差相对无积分路径导引区域法重构波前PV值与理论波前PV值的偏差减小了1.6943λ。所提方法可为提高噪声环境下四波横向剪切干涉波前重构精度提供一种有效方法。

用于瞬态波前检测的四波横向剪切干涉系统

为检测瞬态波前的三维分布,提出了一种共光路结构的剪切干涉测试系统。该系统使用棋盘光栅与光阑,将待测波前分解为四支互相错位的波前,这些波前两两相干,最终叠加形成一幅高载频的干涉图。根据光强传输方程以及傅里叶光学理论,建立了剪切干涉测试系统的理论模型,采用傅里叶变换算法提取待测波前。提出了一种剪切量标定算法,通过讨论线性载频的影响因素与光栅的衍射效率,给出了棋盘光栅的具体设计参数。实验搭建了瞬态波前检测装置,实现了自动化高精度测量,波面检测结果的峰谷(PV)值、均方根(RMS)值以及Zernike拟合系数均与SID4波前探测器所测波面结果一致。因此采用该技术能够实现瞬态波前检测。

可用于四波横向剪切干涉波前检测的随机编码混合光栅设计

提出了一种可用于四波横向剪切干涉波前检测的随机编码混合光栅。由期望得到的四波前衍射频谱出发,根据夫琅禾费衍射原理并结合光通量约束的随机编码方法得到了由振幅编码光栅和棋盘式相位光栅构成的随机编码混合光栅,与改进的哈特曼模板(MHM)相比,其衍射场中只有四个级次,更好地实现了四波横向剪切干涉。分析确定了入射光束口径、光栅栅距以及观察距离等系统参数。分别给出了随机编码混合光栅和MHM的远场衍射光场分布及四波横向剪切干涉图,对比发现随机编码混合光栅的远场衍射光场中只有四个等光强的光斑存在,其四波横向剪切干涉图稳定,可以实现任意畸变的波前检测。