专利名称：测试散射体光学特性的飞秒干涉仪的制作方法
技术领域：
本发明属物理测试仪器，特别是一种测试散射体光学特性的飞秒干涉仪，它适用于测试各种强散射体的光学特性。
背景技术：
由于生物组织是一种高度散射的介质，光在生物介质中传播时不但有吸收，还有散射，吸收和散射的程度与入射的波长有关。对于波长介于600-1000nm的红光和近红外光，组织的吸收最小，光的衰减主要是散射起作用。对人体组织的实验测量表明，近红外光在组织中传播的平均自由程一般为几十到几百微米，取决于入射波长。
生物组织的光学成像的机制是近红外光与生物组织的相互作用，不同的生物组织对近红外光的吸收系数和散射系数是不同的。
研究表明，可以将光透过组织后的透射光分成三种类型弹道光、蛇行光和漫射光，反射光也遵循同样的物理机制。弹道光是未经散射的光，其传播方向仍沿着入射光的传播方向。弹道光在组织中的强度衰减满足比尔(Beer)定律I(x)＝I0exp[-(μa+μs)x]其中μa是组织的吸收系数，μs是组织的散射系数。显然弹道光可用于类似X-CT的透射投影成像，其理论分辨率可达衍射极限。然而由于弹道光极弱，当组织的厚度达到数十个平均自由程时，弹道光就可能完全探测不到，因而其成像厚度只能达到几个毫米。
蛇行光是散射次数相对较少的光，而且每次散射都是小角散射，因而平均之后其传播路径可认为也是近直线传播。试验表明蛇行光在生物组织的衰减规律可近似地用比尔定律来描述I(x)∝exp(-μ′sx)其中μ′s＝(1-g)μs是组织的传输散射系数，g是光子散射角的平均余弦值，典型值为0.7-0.95，蛇行光也携带了生物组织内部的部分信息，因而也可用于生物组织成像，但其分辨率比弹道光的要下降很多，用蛇行光可得到几个厘米的探测深度。
漫射光包含了经过多次散射的光，其散射路径是随机的，原则上这些光子不能用于透射成像。在成像时，漫射光成为本底噪声覆盖在像上，由于漫射光的强度比弹道光和蛇行光的强度大得多，因而极大地降低了像质。
弹道光、蛇行光和漫射光在生物组织中以不同的速度、不同的空间频率传播，而且传播的路径也不同，人们对它们的了解也是限于概念性质的，因此测试这些光的特性显得特别重要。
近年来超快飞秒激光器的迅猛发展，特别是飞秒激光器的商品化，给飞秒全息和飞秒干涉带来了新的机遇，利用飞秒激光脉冲纪录全息图或干涉图研究各种超快过程，已取得了一些有意义的结果。然而，飞秒激光器的线宽通常都在5nm以上，并且脉冲越短，谱线越宽，这给许多从事飞秒全息的研究带来了障碍。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种测试散射体光学特性的飞秒干涉仪，用来测试散射体的光学特性。
本发明的基本思想是将飞秒激光谱线宽这一劣势变成优势，即利用它的相干长度短这一特性来研究飞秒脉冲激光经强散射体变成弹道光、蛇行光和漫射光以后，分别和未经散射体的通过光学延迟线的飞秒脉冲激光进行干涉来测试散射体的光学特性。
本发明的技术解决方案如下一种测试散射体光学特性的飞秒干涉仪，其特征是它包括飞秒激光器、一个分束器、一个由多块反射镜组成的光学延迟线、第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜、半透半反射镜、一个样品室，一个探测器和一台计算器，各元部件的位置关系如下在飞秒钛宝石激光器的激光输出光路上安置分束器，获得两束输出光束(A，B)。A光束经第二反射镜、光学延迟线、第三反射镜和半透半反射镜进入探测器；而B束光经第一反射镜反射进入样品中，再被半透半反射镜反射进入到探测器，和A光束相遇重叠并干涉，形成全息图，这个全息图形经探测器数字化后送入计算机。
所述的飞秒激光器是一台钛宝石激光器，输出脉冲宽度5-150飞秒、辐射波长为780-830nm、线宽5-10nm、单脉冲能量为5-1000纳焦耳。可在市场上购买到的。
所述的样品是一个散射体样品。
的探测器是一台带有接收卡的电荷耦合器CCD。
所述的计算机是一台具有能将探测器输出的数字信号进行存储、滤波和重构的计算机。
本发明测试散射体光学特性的飞秒干涉仪的使用方法，其特征是包括下列步骤首先通过调整光学延迟线反射镜间的距离，调整A光束和B光束的光程相等，这样，通过样品的弹道光B束和A束干涉，测量弹道光干涉条纹的能见度，以获得用弹道光的相干特性；然后调整光学延迟线，让通过样品的蛇行光B束和A束重叠，此时再测量干涉条纹的能见度，如此反复调整光学延迟线，直到干涉条纹的能见度下降到接近弹道光干涉条纹的能见度的0.1或者更低，以获得蛇行光的相干特性。
最后用遮光板挡住A束，再观察B束的散射光是否正在CCD上出现，再打开A束和B束重叠，再看干涉条纹的能见度，以获得散射光的相干特性。
本发明与在先技术相比，本发明测试散射体光学特性的飞秒干涉仪巧妙地利用钛宝石激光器宽带光谱特性，可以精确地、高分辨率地给出强散射体的光学特性，将为生物医学提供一个有力工具和研究方法。
图1为本发明测试散射体光学特性的飞秒干涉仪的结构框图。
具体实施例方式
先请参阅图1，图1是本发明测试散射体光学特性的飞秒干涉仪的结构框图，由图可见，它的组成是它包括飞秒激光器1、一个分束器2、一个由多块反射镜6、7、8、9、10组成的光学延迟线、第一全反射镜3、第二全反射镜5、第三全反射镜11、半透半反射镜4、一个样品室，一个探测器12和一台计算器13，各元部件的位置关系如下在飞秒钛宝石激光器1的激光输出光路上安置分束器2，获得两束输出光束(A，B)，A光束经第二反射镜5、光学延迟线、第三反射镜11和半透半反射镜4进入探测器12，而B束光经第一反射镜3反射进入样品14中，再被半透半反射镜4反射进入到探测器12，和A光束相遇重叠并干涉，形成全息图，这个全息图形经探测器12数字化后送入计算机13。
所述的飞秒激光器1，是一台钛宝石激光器，输出脉冲宽度5-150飞秒、辐射波长为780-830nm、线宽5-10nm、单脉冲能量为5-1000纳焦耳。
所述的探测器12是一台带有接收卡的电荷耦合器CCD。
所述的计算机13是一台具有能将探测器输出的数字信号进行存储、滤波和重构的计算机。
本发明测试散射体光学特性的飞秒干涉仪的使用方法，包括下列步骤首先通过调整光学延迟线反射镜间的距离，调整A光束和B光束的光程相等，这样，通过样品14的弹道光B束和A束干涉，测量弹道光干涉条纹的能见度，以获得用弹道光的相干特性；然后调整光学延迟线，让通过样品的蛇行光B束和A束重叠，此时再测量干涉条纹的能见度，如此反复调整光学延迟线，直到干涉条纹的能见度下降到接近弹道光干涉条纹的能见度的0.1或者更低，以获得蛇行光的相干特性。
最后用遮光板挡住A束，再观察B束的散射光是否正在CCD上出现，再打开A束和B束重叠，再看干涉条纹的能见度，以获得散射光的相干特性。
本发明实施例中所说的飞秒激光器1，是一台钛宝石激光器，输出脉冲宽度100飞秒、辐射波长为800nm、线宽10nm、单脉冲能量为50纳焦耳，可在市场上购买到的。
所说的分束器2和半透半反射镜4实际上都是一种半透半反射膜，是一种在入射角为45°的情况下，反射率为50％，透过50％的介质膜板。
所说的全反射镜3，5，6，7，8，9，10，11，是一种在45°入射角，反射率为100％的介质膜板。
所说的探测器12，是一台带有接收卡的电荷耦合器CCD。
所说的计算器13是一台用来实时显示干涉图形的显示系统。
所说的样品14，是一个散射体样品。
本发明脉冲干涉仪测试散射体的光学特性装置的工作原理和基本过程是当飞秒激光器运转之后，入射到45°半透半反射膜板2上，分成强度相等的两束光A和B。A束经过45°全反射膜板5以后，进入到由全反射膜板6，7，8，9，10构成的光学延迟中，然后入射到45°全反射膜板11上，经半透半反射膜11到达探测器12。B束光经45°第一全反射膜板3，入射到样品14，经45°半透半反射膜板4和A束在探测器12上相遇，并干涉。干涉图上的干涉条纹间距与A、B束间夹角相关。
首先调整A束和B束，让他们光程相等，通过调整光学延迟线6，7，8，9，10反射镜间的距离，达到这一目的。这样，通过样品14的弹道光B束和A束干涉，测量干涉条纹的能见度。用这种方法来测试弹道光的相干特性。
然后调整光学延迟线，让通过样品的蛇行光B束和A束重叠，此时再测量干涉条纹的能见度。如此反复调整光学延迟线，直到干涉条纹的能见度下降到接近0.1或者更低。用这种方法来测试蛇行光的相干特性。
最后用遮光板挡住A束，再观察B束的散射光是否正在CCD上出现，再打开A束和B束重叠，再看干涉条纹的能见度。用这种方法来测试散射光的相干特性。
权利要求
1.一种测试散射体光学特性的飞秒干涉仪，其特征是它包括飞秒激光器(1)、一个分束器(2)、一个由多块反射镜(6、7、8、9、10)组成的光学延迟线、第一全反射镜(3)和第二全反射镜(5)、第三全反射镜(11)、半透半反射镜(4)、一个样品室，一个探测器(12)和一台计算器(13)，上述各元部件的位置关系如下在飞秒钛宝石激光器(1)的激光输出光路上安置分束器(2)，获得两束输出光束(A，B)，A光束经第二反射镜(5)、光学延迟线、第三反射镜(11)和半透半反射镜(4)进入探测器(12)中去；而B束光经第一反射镜(3)反射进入样品(14)中，再被半透半反射镜(4)反射进入到探测器(12)，和A光束相遇重叠并干涉，形成全息图，这个全息图形经探测器(12)数字化后送入计算机(13)。
2.根据权利要求1所述的测试散射体光学特性的飞秒干涉仪，其特征是所述的飞秒激光器(1)，是一台钛宝石激光器，输出脉冲宽度5-150飞秒、辐射波长为780-830nm、线宽5-10nm、单脉冲能量为5-1000纳焦耳。
3.根据权利要求1所述的测试散射体光学特性的飞秒干涉仪，其特征是所述的探测器(12)是一台带有接收卡的电荷耦合器CCD。
4.根据权利要求1所述的测试散射体光学特性的飞秒干涉仪，其特征是所述的计算机(13)是一台具有能将探测器输出的数字信号进行存储、滤波和重构的计算机。
5.根据权利要求1所述的测试散射体光学特性的飞秒干涉仪的使用方法，其特征是包括下列步骤首先通过调整光学延迟线反射镜间的距离，调整A光束和B光束的光程相等，这样，通过样品(14)的弹道光B束和A束干涉，测量弹道光干涉条纹的能见度，以获得用弹道光的相干特性；然后调整光学延迟线，让通过样品的蛇行光B束和A束重叠，此时再测量干涉条纹的能见度，如此反复调整光学延迟线，直到干涉条纹的能见度下降到接近弹道光干涉条纹的能见度的0.1或者更低，以获得蛇行光的相干特性。最后用遮光板挡住A束，再观察B束的散射光是否正在CCD上出现，再打开A束和B束重叠，再看干涉条纹的能见度，以获得散射光的相干特性。
全文摘要
一种测试散射体光学特性的飞秒干涉仪，其特点是它包括飞秒激光器、一个分束器、一个由多块反射镜组成的光学延迟线、第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜、半透半反射镜、一个样品室，一个探测器和一台计算器，各元部件的位置关系如下在飞秒钛宝石激光器的激光输出光路上安置分束器，获得两束输出光束(A，B)。A光束经第二反射镜、光学延迟线、第三反射镜和半透半反射镜进入探测器；而B束光经第一反射镜反射进入样品中，再被半透半反射镜反射进入到探测器，和A光束相遇重叠并干涉，形成全息图，这个全息图形经探测器数字化后送入计算机。本发明可精确地、高分辨率地给出强散射体的光学特性，将为生物医学提供一个有力工具和研究方法。
文档编号G01N21/45GK1560605SQ200410016480
公开日2005年1月5日 申请日期2004年2月23日 优先权日2004年2月23日
发明者陈建文, 高鸿奕, 朱化凤, 李儒新, 徐至展 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所