一种采用光纤光镊的彩色扫描全息装置及其方法

本发明属于全息光学领域，具体涉及一种采用光纤光镊的彩色扫描全息装置及其方法。

背景技术：

1、全息术(opticalholography)是一种由记录和重建两部分组成的成像技术。拍摄过程利用干涉原理记录物体光波信息，即：被摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束；另一部分激光作为参考光束射到全息底片上，和物光束叠加产生干涉，把物体光波上各点的相位和振幅转换成在空间上变化的强度，从而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息记录下来。记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后，便成为一张全息图，或称全息照片；然后是利用衍射原理再现物体光波信息，即为成象过程：全息图犹如一个复杂的光全息光栅，在相干激光照射下，一张线性记录的正弦全息图的衍射光波一般可给出两个象，即原始象(又称初始象)和共轭象。再现的图像立体感强，具有真实的视觉效应。全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息，故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像，通过多次曝光可在同一张底片上记录多个不同的图像，并分别显示出来。

2、要获得一幅好的全息照片，还必须拥有一台稳定性好的全息平台，因为全息图上记录的干涉条纹为每毫米几百条甚至几千条，因此要求在曝光期间各光学元件与全息干板必须有高度的稳定性，然而传统的全息光路使用透镜与反射镜组来实现，在光路的搭建与使用过程中对系统的稳定性要求极高，在实验中通常使用干涉光路条纹来检测实验平台的稳定性，在观察干涉条纹的漂移量时,通常要求在10～15min内,条纹漂移量在1/10线宽以下,外来的干扰(如人的走动、汽车行驶、敲击地面、马达轰鸣等)产生的条纹漂移不超过1/8条，这对大多数实验平台来说都较为困难，而针对微小粒子的全息拍摄时则对稳定性要求更高。

3、由此可见，实验平台的稳定性是全息拍摄光路中亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种基于无透镜系统的彩色扫描全息实现方法，解决了现有技术中存在的缺陷。

2、为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种采用光纤光镊的彩色扫描全息装置，包括：聚焦透镜，红光光源，绿光光源,蓝光光源，光镊光源，第一传输光纤，第二传输光纤，合色棱镜,光纤分束器，分束镜，ccd电荷耦合器件，倒置显微镜；

4、所述红光光源、绿光光源、蓝光光源出射光方向分别正交，正交处设有合色棱镜，各个出射光分别入射至合色棱镜汇聚，合色棱镜出射光路上依次设有聚焦透镜、第一传输光纤、光纤分束器；

5、光纤分束器后第一传输光纤分为两束分光纤，两束分光纤分别置于分束镜两侧面，分束镜两面的入射光分别作为物光和参考光；

6、光镊光源出射光的光路上依次设有聚焦透镜、第二传输光纤；

7、倒置显微镜置于分束镜前表面下方，通过第二传输光纤实现对物体的移动，使物光的光路上第一传输光纤的分光纤出射光能够垂直照射物体，并实现对物体的扫描；

8、ccd电荷耦合器件置于分束镜出射光表面后方。

9、所述红光光源、绿光光源、蓝光光源出射光方向分别正交，其出射光分别入射至合色棱镜汇聚，合色棱镜出射光经过聚焦透镜耦合至第一传输光纤中，第一传输光纤经过光纤分束器后分为两路，两束光纤分别置于分束镜两侧面，自分束镜两面的入射光分别作为物光和参考光，光镊光源出射光经过聚焦透镜耦合至第二传输光纤中，第二传输光纤的出射光构成光镊，实现对物体的捕获及固定，倒置显微镜置于分束镜前表面下方，通过观察、操控第二传输光纤实现对物体的移动，使第一传输光纤的分光纤出射光能够垂直照射物体，并实现对物体的扫描，ccd电荷耦合器件置于分束镜出射光表面后方，使其能够接收分束镜所产生的出射光。

10、光是电磁波，处于光场中的微小粒子同时会受到光场强度分布不均匀时的光梯度力的作用，此梯度力为电磁场中电偶极子所受的洛伦兹力，即：

11、

12、其中为电场强度矢量，为磁感应强度矢量，t为时间，为微粒的电偶极矩，用极化率可表示为α为极化率，其中nm为微粒所处介质折射率，m为微粒折射率与介质折射率比值，将1式联立麦克斯韦方程与矢量恒等式可得到微粒所受光的梯度力：

13、

14、在强度非均匀的光场中的微粒受到的梯度力的方向指向光强增大的方向，大小与光强梯度成正比。当光穿过微粒时，在微粒表面会产生一定的反射，微粒对光也有一定的吸收，这都将施加一推力于微粒，即散射力。散射力总是沿光线方向推跑微粒，而梯度力则是把小球拉向光束的聚焦点处。梯度力和散射力平衡时，即可稳定捕获微粒。

15、固定住微粒之后，使用第一传输光纤6的出射光照射物体，设物体后的衍射光为u，另一路参考光为r，两束光再分束镜处干涉，所形成的图像为衍射光与参考光的叠加光强：

16、i＝|u+r|2  (3)

17、ccd将采集的数据送入计算机处理，即可得到重建图像，为：

18、f-1{u·r*}  (4)

19、其中f-1{·}为傅里叶逆变换，*为矩阵的复共轭。

20、进一步，所述的红光光源、绿光光源、蓝光光源，其波长范围分别为615-630nm、515-535nm、440-490nm。

21、进一步，所述的光镊光源，波长为980nm，功率为10mw。

22、进一步，所述的第一传输光纤，为单模保偏光纤。

23、进一步，所述的第二传输光纤，为双芯光纤，其中光纤端面使用研磨机研磨至一特定角度使纤芯出射光能够汇聚至光纤轴线处。

24、进一步，所述的分束镜，分光比为1∶1，其两表面距第一传输光纤两个分光纤的距离分别为d1、d2，其中d1＝d2。

25、本发明提供一种采用光纤光镊的彩色扫描全息方法，采用所述的一种采用光纤光镊的彩色扫描全息装置，所述的方法包括以下步骤：

26、打开光镊光源5，调节聚焦透镜，将出射光耦合至第二传输光纤中，第二传输光纤所出射的光形成光阱，调节并观察倒置显微镜，使光纤捕获并固定微粒，固定位置距离光纤端头133.6um；打开红光光源、绿光光源、蓝光光源，将出射光耦合至合色棱镜中，合色棱镜出射光经过聚焦透镜进入第一传输光纤，第一传输光纤与光纤分束器连接，将光路分为两路，其中一路作为物光照明物体，经过物体的衍射光进入分束镜，另一路作为参考光，两束光在分束镜内干涉后进入ccd电荷耦合器件，调节第二传输光纤的位置对物体进行移动，实现对物体的扫描，ccd电荷耦合器件记录所在平面内的光场；将ccd电荷耦合器件所记录的三次数据通过计算机软件合成，即可得到物体的彩色全息图。本发明的优势在于：成本低，光路搭建、操作简单，利用光纤作为传光介质，能够增加实验平台光路的稳定性；使用双芯光纤作为光镊，能够对微小粒子进行全息扫描拍摄。

技术特征：

1.一种采用光纤光镊的彩色扫描全息装置，其特征在于，包括：聚焦透镜(1)，红光光源(2)，绿光光源(3),蓝光光源(4)，光镊光源(5)，第一传输光纤(6)，第二传输光纤(7)，合色棱镜(8),光纤分束器(9)，分束镜(10)，ccd电荷耦合器件(11)，倒置显微镜(12)；

2.根据权利要求1所述的一种采用光纤光镊的彩色扫描全息装置，其特征在于，所述的红光光源(2)、绿光光源(3)、蓝光光源(4)，其波长范围分别为615-630nm、515-535nm、440-490nm。

3.根据权利要求1所述的一种采用光纤光镊的彩色扫描全息装置，其特征在于，所述的第一传输光纤(6)，为单模保偏光纤。

4.根据权利要求1所述的一种采用光纤光镊的彩色扫描全息装置，其特征在于，所述的第二传输光纤(7)，为双芯光纤，光纤端面研磨有角度φ，使纤芯出射光能够汇聚至光纤轴线处。

5.根据权利要求1所述的一种采用光纤光镊的彩色扫描全息装置，其特征在于，所述的分束镜(10)，分光比为1:1，其两表面距第一传输光纤(6)两个分光纤的距离分别为d1、d2，其中d1＝d2。

6.一种采用光纤光镊的彩色扫描全息方法，其特征在于，采用权利要求1到5任一项所述的一种采用光纤光镊的彩色扫描全息装置，所述的方法包括以下步骤：

技术总结
本发明提出一种采用光纤光镊的彩色扫描全息装置及其方法，红光光源、绿光光源、蓝光光源出射光正交处设有合色棱镜，合色棱镜出射光路上依次设有聚焦透镜、第一传输光纤、光纤分束器；光纤分束器后第一传输光纤分为两束分光纤，分别置于分束镜两侧面，分束镜两面的入射光分别作为物光和参考光；光镊光源出射光的光路上依次设有聚焦透镜、第二传输光纤；倒置显微镜置于分束镜前表面下方，物光的光路上第一传输光纤的分光纤出射光能够垂直照射物体，并实现对物体的扫描；CCD电荷耦合器件置于分束镜出射光表面后方。本发明成本低，光路搭建、操作简单，利用光纤作为传光介质，使用双芯光纤作为光镊，能够对微小粒子进行全息扫描拍摄。

技术研发人员：张亚萍,曹文昊,刘德发
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15