專利名稱：一種基于熱透鏡效應(yīng)的二維成像方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用熱透鏡效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)與成像領(lǐng)域，特別是一種利用衍射分光裝置分光的二維多光束激發(fā)熱透鏡成像方法及裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)光束(以下稱泵浦光)經(jīng)過材料時(shí)，材料會(huì)因吸收光能量而導(dǎo)致局部溫度升高，從而引起材料的局部折射率發(fā)生改變。由于折射率的變化，材料會(huì)對(duì)在其中傳播的光產(chǎn)生會(huì)聚或發(fā)散等效應(yīng)，相當(dāng)于新增了一個(gè)透鏡，因而稱之為熱透鏡效應(yīng)。在這種熱透鏡效應(yīng)中，光誘導(dǎo)產(chǎn)生的材料折射率的變化，其空間分布及其隨時(shí)間的變化與泵浦光參數(shù)和材料 特性緊密相關(guān)，利用熱透鏡效應(yīng)可以對(duì)材料特性進(jìn)行檢測(cè)和分析，這種測(cè)量方法是一種高靈敏、非接觸式的測(cè)量技術(shù)。最為常見的利用熱透鏡效應(yīng)進(jìn)行材料特性檢測(cè)的方法是利用一束相對(duì)較強(qiáng)的泵浦光經(jīng)過被測(cè)樣品并在其中激發(fā)熱透鏡效應(yīng)，同時(shí)另一束相對(duì)較弱的探測(cè)光也經(jīng)過材料中產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)的區(qū)域，探測(cè)光可以和泵浦光有一定夾角，也可以是同軸的。當(dāng)探測(cè)光通過泵浦光激發(fā)的熱透鏡區(qū)域時(shí)，其空間傳播特性將會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生新增的會(huì)聚或發(fā)散效應(yīng)。通過檢測(cè)出射探測(cè)光的會(huì)聚或發(fā)散特性的變化，就可以獲得產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)區(qū)域的材料特性。因熱透鏡效應(yīng)所引起的探測(cè)光的空間傳播特性的變化通?？梢酝ㄟ^在出射探測(cè)光光路中的適當(dāng)位置加入一個(gè)空間濾波器來進(jìn)行檢測(cè)，空間濾波器允許部分探測(cè)光能量進(jìn)入光電探測(cè)器。當(dāng)泵浦光激發(fā)熱透鏡效應(yīng)，從而引起探測(cè)光產(chǎn)生新增的會(huì)聚或發(fā)散，這樣經(jīng)過空間濾波器進(jìn)入到光電探測(cè)器的光能量就會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化。利用這種方法探測(cè)到的熱透鏡效應(yīng)引起的探測(cè)光能量變化一般比較微弱，尤其是當(dāng)樣品為弱吸收材料時(shí)。因此，實(shí)際應(yīng)用中一般需要利用鎖相技術(shù)來進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)需要獲得樣品材料特性的二維圖像時(shí)，則是通過對(duì)樣品進(jìn)行逐點(diǎn)掃描來獲得。這種二維掃描成像方法可以獲得較高的分辨率，在遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量條件下近似受限于泵浦光/探測(cè)光的衍射極限，比較容易達(dá)到亞微米量級(jí)。但是這種傳統(tǒng)的二維掃描成像方法在實(shí)際應(yīng)用中受到了極大的限制。主要原因是成像的速度太慢。一方面是由于測(cè)量信號(hào)比較微弱，要獲得良好的信噪比，就需要對(duì)每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行一定時(shí)間的鎖相積分；另一方面，進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，每移動(dòng)到下一個(gè)測(cè)量點(diǎn)都需要花費(fèi)一定的移動(dòng)和等待時(shí)間，特別是后者，這是為了使整個(gè)系統(tǒng)從機(jī)械震動(dòng)到局部溫度都能達(dá)到新的平衡以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。這種成像速度很慢的缺點(diǎn)極大地限制了熱透鏡成像技術(shù)的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于熱透鏡效應(yīng)的二維成像方法及裝置，解決熱透鏡應(yīng)用中進(jìn)行二維成像過程中需要逐點(diǎn)掃描成像方法耗時(shí)過長(zhǎng)的問題。本發(fā)明的技術(shù)方案為
一種基于熱透鏡效應(yīng)的二維成像方法，包括以下步驟
(1)、將泵浦光源發(fā)出的泵浦光分成等光強(qiáng)的、呈等間距陣列分布的泵浦光束組，泵浦光束組經(jīng)聚焦成像透鏡會(huì)聚后照射到被測(cè)樣品上的待測(cè)區(qū)域，泵浦光束組的每一束泵浦光在被測(cè)樣品上的待測(cè)區(qū)域引起了該區(qū)域折射率的變化；
(2)、將探測(cè)光源發(fā)出的探測(cè)光分成等光強(qiáng)的、呈等間距陣列分布的探測(cè)光束組，探測(cè)光束組經(jīng)聚焦成像透鏡會(huì)聚后照射到被測(cè)樣品上并經(jīng)過泵浦光照射的待測(cè)區(qū)域；且在待測(cè)區(qū)域探測(cè)光束組的每一束探測(cè)光均對(duì)應(yīng)與泵浦光束組的每一束泵浦光在空間上重合； (3)、經(jīng)過被測(cè)樣品后的探測(cè)光束組再進(jìn)入光電探測(cè)器測(cè)得二維信號(hào)圖像。所述的步驟I中經(jīng)泵浦光衍射分光裝置后得到的泵浦光束組再經(jīng)過調(diào)制器后得到調(diào)制，此泵浦光束組再經(jīng)會(huì)聚后照射被測(cè)樣品表面；所述的用于檢測(cè)探測(cè)光的光電探測(cè)器為光電探測(cè)器陣列或一個(gè)光電探測(cè)器。即對(duì)經(jīng)過空間濾波器的探測(cè)光束組可以有兩種不同的檢測(cè)方法，具體描述如下 方法一對(duì)從空間濾波器出射的探測(cè)光束組用同一個(gè)光電探測(cè)器來進(jìn)行檢測(cè)。這樣
在單一光電探測(cè)器上的信號(hào)是整個(gè)探測(cè)光束組信號(hào)的疊加，是樣品上同時(shí)被測(cè)的多各區(qū)域信息的混合。要想利用光束組來實(shí)現(xiàn)二維成像，需要每一束光產(chǎn)生的信號(hào)在探測(cè)器上是可分辨的。這可以通過對(duì)每一束泵浦光進(jìn)行平行并且頻率各不相同的調(diào)制來實(shí)現(xiàn)。在探測(cè)端，利用鎖相檢測(cè)及頻率掃描技術(shù)，就可以把每一束泵浦光造成的熱透鏡信號(hào)(像素)分辨出來，從而不通過樣品掃描就可以獲得二維熱透鏡信號(hào)圖像。方法二 對(duì)應(yīng)從空間濾波器出射的探測(cè)光束陣列用光電探測(cè)器陣列來進(jìn)行檢測(cè)，即對(duì)每一束探測(cè)光分別進(jìn)行檢測(cè)。這樣在每一個(gè)光電探測(cè)器上的信號(hào)對(duì)應(yīng)樣品上每一點(diǎn)，從而無需對(duì)樣品進(jìn)行掃描就可以獲得二維熱透鏡圖像。在這種情況下對(duì)泵浦光的調(diào)制頻率可以是相同的，也可以是不同的。在探測(cè)終端，利用并行處理電路來進(jìn)行處理，就可以把每一束泵浦光造成的熱透鏡信號(hào)(像素)分辨出來。所述的泵浦光源發(fā)射光路徑和探測(cè)光源發(fā)射光的路徑不同，所述的泵浦光束組經(jīng)分色鏡一輸入端輸入后和所述的探測(cè)光束組經(jīng)分色鏡另一輸入端輸入后均經(jīng)分色鏡輸出端輸出后，并經(jīng)同一聚焦成像透鏡會(huì)聚后先后照射于被測(cè)樣品表面。所述的步驟3中經(jīng)過被測(cè)樣品后的探測(cè)光束組經(jīng)由探測(cè)光調(diào)整透鏡后再經(jīng)過空間濾波器和濾光片，最后進(jìn)入光電探測(cè)器。一種基于熱透鏡效應(yīng)的二維成像裝置，包括有泵浦光源和探測(cè)光源，位于泵浦光源和探測(cè)光源后端順次設(shè)置的探測(cè)光空間濾波器、探測(cè)光濾光片和光電探測(cè)器，從所述的泵浦光源至空間濾波器待測(cè)樣品之間依次設(shè)置有泵浦光衍射分光裝置、分色鏡和聚焦成像透鏡；從所述的探測(cè)光源至空間濾波器待測(cè)樣品之間依次設(shè)置有探測(cè)光衍射分光裝置、分色鏡和聚焦成像透鏡。所述的泵浦光衍射分光裝置和分色鏡之間設(shè)置有陣列光調(diào)制器，所述的光電探測(cè)器為光電探測(cè)器陣列或一個(gè)光電探測(cè)器。所述的探測(cè)光衍射分光裝置和分光鏡之間設(shè)置有第一探測(cè)光調(diào)整透鏡；所述的聚焦成像透鏡和所述的空間濾波裝置之間設(shè)置有第二探測(cè)光調(diào)整透鏡。
所述的探測(cè)光濾光片和光電探測(cè)器之間設(shè)置有探測(cè)光會(huì)聚透鏡。所述的泵浦光衍射分光裝置和陣列光調(diào)制器之間設(shè)置有泵浦光調(diào)整透鏡。本發(fā)明在成像速度上比傳統(tǒng)的對(duì)樣品逐點(diǎn)掃描方法有很大提高，另外由于無需進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，具體檢測(cè)及成像儀器設(shè)計(jì)可以避免使用移動(dòng)部件，有利于提高儀器的穩(wěn)定性、降低成本、進(jìn)一步小型化以及拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式見圖1，一種基于熱透鏡效應(yīng)的二維成像裝置，包括有泵浦光源I、探測(cè)光源2、位 于泵浦光源1，探測(cè)光源2，設(shè)置于泵浦光源I和探測(cè)光源2后端的分色鏡3，順次設(shè)置于泵浦光源I至分色鏡3 —輸入端之間的泵浦光衍射分光裝置4、泵浦光調(diào)整透鏡5和陣列光調(diào)制器6，順次設(shè)置于探測(cè)光源2至分色鏡3另一輸入端之間的探測(cè)光衍射分光裝置7和第一探測(cè)光調(diào)整透鏡8，順次設(shè)置于分色鏡3輸出端后的聚焦成像透鏡9、第二探測(cè)光調(diào)整透鏡10、探測(cè)光空間濾波器11、探測(cè)光濾光片12、探測(cè)光會(huì)聚透鏡13和光電探測(cè)器14。探測(cè)光濾光片12的作用為遮擋雜散光，理論上只有探測(cè)光可以通過。見圖1，一種基于熱透鏡效應(yīng)的二維成像方法，包括以下步驟
(1)、將被測(cè)樣品15放置于聚焦成像透鏡9和第二探測(cè)光調(diào)整透鏡10之間；
(2)、泵浦光源I發(fā)出的泵浦光束經(jīng)過泵浦光衍射分光裝置4后被分為等光強(qiáng)的、呈等間距陣列分布的泵浦光束組；泵浦光束組依次經(jīng)過泵浦光調(diào)整透鏡5、陣列光調(diào)制器6后得到調(diào)制，并且每一束光的調(diào)制頻率各不相同；調(diào)制后的泵浦光束組經(jīng)過分色鏡3透射后、并通過聚焦成像透鏡9后照射到被測(cè)樣品15上；
(3)、由探測(cè)光源9發(fā)出的探測(cè)光束經(jīng)過探測(cè)光衍射分光裝置7后被分為等光強(qiáng)的、呈等間距陣列分布的探測(cè)光束組，探測(cè)光束組經(jīng)過第一探測(cè)光調(diào)整透鏡8后，由分色鏡3反射，并由聚焦成像透鏡9會(huì)聚到被測(cè)樣品15上，且探測(cè)光束組的每一束探測(cè)光在樣品上待測(cè)區(qū)域均與泵浦光束組的每一束泵浦光在空間上重合；
(4)、透過被測(cè)樣品15的探測(cè)光束組再經(jīng)過第二探測(cè)光調(diào)整透鏡10、探測(cè)光空間濾波器11和探測(cè)光濾光片12，由探測(cè)光會(huì)聚透鏡13會(huì)聚進(jìn)入光電探測(cè)器14測(cè)得二維熱透鏡信號(hào)圖像。具體成像檢測(cè)過程是陣列光調(diào)制器6調(diào)制后的泵浦光束組照射到被測(cè)樣品15的待測(cè)區(qū)域，每一束泵浦光在被測(cè)樣品15照射區(qū)域引起了相應(yīng)的樣品折射率的變化；由于這種折射率的變化，經(jīng)過該區(qū)域的探測(cè)光束組的傳播特性會(huì)發(fā)生改變，產(chǎn)生新增的會(huì)聚或發(fā)散效應(yīng)；由于這些新增的會(huì)聚或發(fā)散效應(yīng)，經(jīng)過探測(cè)光空間濾波器進(jìn)入光電探測(cè)器的探測(cè)光的能量會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化；這種能量的變化與樣品折射率的變化相關(guān)，通過測(cè)量探測(cè)光能量的變化就可獲得樣品折射率的變化，從而獲得樣品的材料特性。當(dāng)采用單一光電探測(cè)器時(shí)，獲得的信號(hào)是整個(gè)探測(cè)光束組的疊加。利用鎖相檢測(cè)技術(shù)探測(cè)光電探測(cè)器的輸出信號(hào)。此時(shí)，以與某一被調(diào)制的泵浦光束的調(diào)制頻率相同的交流信號(hào)作為鎖相檢測(cè)的參考信號(hào)，這樣只有該泵浦光束誘導(dǎo)產(chǎn)生的反射率變化信號(hào)能夠被鎖相放大器測(cè)出，其它泵浦光束誘導(dǎo)產(chǎn)生的信號(hào)都被濾掉。依次改變參考信號(hào)的頻率，就可以獲得對(duì)應(yīng)的泵浦光束誘導(dǎo)產(chǎn)生的信號(hào)。再根據(jù)泵浦光束的編號(hào)以及對(duì)應(yīng)測(cè)得的信號(hào)，獲得空間分辨的二維圖像。實(shí)際使用中也可以利用多個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路或鎖相放大器每一束探測(cè)光束進(jìn)行并行測(cè)量，以節(jié)省依次改變參考信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的時(shí)間，進(jìn)一步提高成像速度。也可以采用光電探測(cè)器陣列來探測(cè)光熱透鏡信號(hào)。每一束探測(cè)光分別進(jìn)入一個(gè)光電探測(cè)器。這樣在每一個(gè)光電探測(cè)器上的信號(hào)對(duì)應(yīng)樣品上每一點(diǎn)，在這種情況下對(duì)泵浦光的調(diào)制頻率可以是相同的，也可以是不同的。在探測(cè)終端，利用并行處理電路來進(jìn)行處理， 就可以把每一束泵浦光造成的熱透鏡信號(hào)(像素)分辨出來。
權(quán)利要求
1.一種基于熱透鏡效應(yīng)的ニ維成像方法，其特征在于包括以下步驟 (1)、將泵浦光源發(fā)出的泵浦光分成等光強(qiáng)的、呈等間距陣列分布的泵浦光束組，泵浦光束組經(jīng)聚焦成像透鏡會(huì)聚后照射到被測(cè)樣品上的待測(cè)區(qū)域，泵浦光束組的每一束泵浦光在被測(cè)樣品上的待測(cè)區(qū)域引起了該區(qū)域折射率的變化； (2)、將探測(cè)光源發(fā)出的探測(cè)光分成等光強(qiáng)的、呈等間距陣列分布的探測(cè)光束組，探測(cè)光束組經(jīng)聚焦成像透鏡會(huì)聚后照射到被測(cè)樣品上并經(jīng)過泵浦光照射的待測(cè)區(qū)域；且在待測(cè)區(qū)域探測(cè)光束組的每一束探測(cè)光均對(duì)應(yīng)與泵浦光束組的每一束泵浦光在空間上重合； (3)、經(jīng)過被測(cè)樣品后的探測(cè)光束組再進(jìn)入光電探測(cè)器測(cè)得ニ維信號(hào)圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于熱透鏡效應(yīng)的ニ維成像方法，其特征在于所述的步驟I中經(jīng)泵浦光衍射分光裝置后得到的泵浦光束組再經(jīng)過調(diào)制器后得到調(diào)制，此泵浦光束組再經(jīng)會(huì)聚后照射被測(cè)樣品表面；所述的用于檢測(cè)探測(cè)光的光電探測(cè)器為光電探測(cè)器陣列或ー個(gè)光電探測(cè)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于熱透鏡效應(yīng)的ニ維成像方法，其特征在于所述的泵浦光源發(fā)射光路徑和探測(cè)光源發(fā)射光的路徑不同，所述的泵浦光束組經(jīng)分色鏡ー輸入端輸入后和所述的探測(cè)光束組經(jīng)分色鏡另ー輸入端輸入后均經(jīng)分色鏡輸出端輸出后，并經(jīng)同一聚焦成像透鏡會(huì)聚后先后照射于被測(cè)樣品表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于熱透鏡效應(yīng)的ニ維成像方法，其特征在于所述的步驟3中經(jīng)過被測(cè)樣品后的探測(cè)光束組經(jīng)由探測(cè)光調(diào)整透鏡后再經(jīng)過空間濾波器和濾光片，最后進(jìn)入光電探測(cè)器。
5.一種基于熱透鏡效應(yīng)的ニ維成像裝置，包括有泵浦光源和探測(cè)光源，位于泵浦光源和探測(cè)光源后端順次設(shè)置的探測(cè)光空間濾波器、探測(cè)光濾光片和光電探測(cè)器，其特征在干從所述的泵浦光源至空間濾波器待測(cè)樣品之間依次設(shè)置有泵浦光衍射分光裝置、分色鏡和聚焦成像透鏡；從所述的探測(cè)光源至空間濾波器待測(cè)樣品之間依次設(shè)置有探測(cè)光衍射分光裝置、分色鏡和聚焦成像透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ー種基于熱透鏡效應(yīng)的ニ維成像裝置，其特征在于所述的泵浦光衍射分光裝置和分色鏡之間設(shè)置有陣列光調(diào)制器，所述的光電探測(cè)器為光電探測(cè)器陣列或ー個(gè)光電探測(cè)器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ー種基于熱透鏡效應(yīng)的ニ維成像裝置，其特征在于所述的探測(cè)光衍射分光裝置和分光鏡之間設(shè)置有第一探測(cè)光調(diào)整透鏡；所述的聚焦成像透鏡和所述的空間濾波裝置之間設(shè)置有第二探測(cè)光調(diào)整透鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ー種基于熱透鏡效應(yīng)的ニ維成像裝置，其特征在于所述的探測(cè)光濾光片和光電探測(cè)器之間設(shè)置有探測(cè)光會(huì)聚透鏡。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的ー種基于熱透鏡效應(yīng)的ニ維成像裝置，其特征在于所述的泵浦光衍射分光裝置和陣列光調(diào)制器之間設(shè)置有泵浦光調(diào)整透鏡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于熱透鏡效應(yīng)的二維成像方法及裝置，首先將泵浦光源發(fā)出的泵浦光分成等光強(qiáng)的、呈等間距陣列分布的泵浦光束組，泵浦光束組照射到被測(cè)樣品上的待測(cè)區(qū)域，引起被測(cè)樣品待測(cè)區(qū)域局部折射率的變化，產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)；將探測(cè)光源發(fā)出的探測(cè)光分成等光強(qiáng)的、呈等間距陣列分布的探測(cè)光束組，探測(cè)光束組經(jīng)過被測(cè)樣品上的泵浦光束組照射的待測(cè)區(qū)域后，再經(jīng)過空間濾波器后進(jìn)入光電探測(cè)器測(cè)得二維熱透鏡信號(hào)圖像。本發(fā)明在成像速度上比傳統(tǒng)的對(duì)樣品進(jìn)行逐點(diǎn)掃描的方法快，另外由于無需進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，且避免了在成像檢測(cè)中移動(dòng)部件，有利于提高儀器的穩(wěn)定性、降低成本、進(jìn)一步小型化以及拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01N21/41GK102692394SQ20121019760
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者吳周令, 陳堅(jiān) 申請(qǐng)人:合肥知常光電科技有限公司