本發(fā)明屬于光學(xué)成像范疇，具體涉及一種基于激光捕獲的適用于單個(gè)懸浮顆粒二次諧波成像方法和裝置。

背景技術(shù)：

大氣中漂浮的顆粒污染物不僅是成大氣能見度降低、光化學(xué)煙霧等環(huán)境問題的重要因素之一，更嚴(yán)重的是，直徑小于2.5μm的細(xì)微顆粒物(pm2.5)能通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體，深入肺部及心血管系統(tǒng)，對(duì)呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)造成傷害。研究已經(jīng)證實(shí)，pm2.5污染物會(huì)直接導(dǎo)致哮喘、肺癌、心血管疾病、出生缺陷和過早死亡。當(dāng)前，pm2.5污染已經(jīng)成為我國(guó)最為突出的大氣環(huán)境問題，嚴(yán)重威脅著我國(guó)人民的生命健康，控制大氣中pm2.5的含量勢(shì)在必行。

水蒸汽凝結(jié)促進(jìn)pm2.5長(zhǎng)大進(jìn)而利用現(xiàn)代除塵技術(shù)將其脫除是目前常用的控制pm2.5排放的手段，然而，水蒸汽在pm2.5表面的凝結(jié)物理機(jī)制尚不明確。揭示這一物理機(jī)制并確定影響因素對(duì)于提高pm2.5的脫除效率和脫除速度至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)上，通常采用光學(xué)顯微鏡來觀察pm2.5顆粒長(zhǎng)大的過程。然而，由于傳統(tǒng)光學(xué)顯微成像的分辨率不夠高，不能夠分辨凝結(jié)水和凝結(jié)核，且pm2.5顆粒通常處于漂浮狀態(tài)，直接觀察單個(gè)pm2.5顆粒通常是十分困難的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有方法中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于，提供一種基于激光捕獲的用于單個(gè)懸浮顆粒的二次諧波成像方法，利用貝塞爾激光束對(duì)漂浮的顆粒物進(jìn)行捕獲，然后探測(cè)捕獲了的顆粒上產(chǎn)生的二次諧波信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)細(xì)微顆粒物高分辨成像的目的。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種用于單個(gè)懸浮顆粒的二次諧波成像方法，包括步驟：

一種用于單個(gè)懸浮顆粒的二次諧波成像方法，包括以下步驟：

步驟1：將一束貝塞爾光束沿一光路入射于含有單個(gè)細(xì)微物顆粒的樣品室(9)，通過干涉的方法在樣品室內(nèi)產(chǎn)生貝塞爾光束駐波場(chǎng)；所述的細(xì)微物顆粒的直徑小于10μm；

步驟2：將一束飛秒激光聚焦于樣品室，使得飛秒激光與貝塞爾光束共線，將由樣品室出射的基頻光和二次諧波信號(hào)分離后分別成像；

步驟3：調(diào)節(jié)貝塞爾光束中心亮斑的尺寸，直到基頻光對(duì)應(yīng)的成像器件上出現(xiàn)穩(wěn)定的細(xì)微顆粒物像；

步驟4：調(diào)節(jié)飛秒激光的偏振、波長(zhǎng)和功率，直到二次諧波信號(hào)對(duì)應(yīng)的成像裝置上觀察到二次諧波像。

一種實(shí)現(xiàn)二次諧波成像方法的裝置，包括飛秒激光器、連續(xù)激光器、激光擴(kuò)束器、貝塞爾光束產(chǎn)生裝置、第一反射鏡、第二反射鏡、凸透鏡、第一顯微物鏡、樣品室、第二顯微物鏡、第三反射鏡、第一聚焦透鏡、第一成像器件、濾光片、第二聚焦透鏡、第二成像器件；

所述的第二反射鏡、凸透鏡、第一反射鏡、第一顯微物鏡、樣品室、第二顯微物鏡、第三反射鏡、第一聚焦透鏡、第一成像器件依次設(shè)置在一條主光路上；

所述的樣品室沿光路的兩側(cè)分別設(shè)有前石英窗和后石英窗，所述的第一顯微物鏡和第二顯微物鏡的鏡頭的一側(cè)均靠近樣品室；所述的樣品室后石英窗上鍍有高反膜和增透膜；

所述的第一反射鏡的一側(cè)沿一光路依次設(shè)置有激光擴(kuò)束器和飛秒激光器，第一反射鏡上設(shè)有高反膜和增透膜使得飛秒激光經(jīng)過第一反射鏡后沿主光路傳播；

所述的第二反射鏡的一側(cè)沿一光路依次設(shè)置有貝塞爾光束產(chǎn)生裝置和連續(xù)激光器，第二反射鏡上鍍有高反膜使得產(chǎn)生的貝塞爾光經(jīng)過第二反射鏡后沿主光路傳播；

所述的凸透鏡的后焦點(diǎn)與第一顯微物鏡的前焦點(diǎn)重合；

所述的第三反射鏡的一側(cè)沿一光路依次設(shè)置有濾光片、第二聚焦透鏡和第二成像器件，第三反射鏡上鍍有增透膜和高反膜，使得經(jīng)過第三反射鏡反射后的二次諧波信號(hào)入射于第二成像器件。

所述的飛秒激光器可選波長(zhǎng)在750-990nm范圍可調(diào)的激光器。

所述的第二成像器件和第一成像器件可采用ccd或者cmos。

所述的激光擴(kuò)束器的擴(kuò)束倍數(shù)在2-10倍內(nèi)可調(diào)。

所述的貝塞爾光束產(chǎn)生裝置可選錐透鏡、空間光調(diào)制器、互相位調(diào)制裝置、自相位調(diào)制裝置。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明的方法利用貝塞爾光束捕獲固定單個(gè)漂浮的顆粒，具有遠(yuǎn)程非接觸、非侵入、捕獲效率高的優(yōu)點(diǎn)；利用飛秒激光在顆粒上產(chǎn)生的二次諧波信號(hào)進(jìn)行成像，具有偏振分辨、光譜分辨、三維成像的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)微顆粒物的成像與觀察。

2、本發(fā)明提供的實(shí)現(xiàn)二次諧波成像方法的裝置，采用的都是常見的光學(xué)原器件，成本低廉，同時(shí)能很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)二次諧波信號(hào)的成像，適合推廣。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的裝置光路示意圖；

圖1中各個(gè)標(biāo)號(hào)含義：1—飛秒激光器，2—連續(xù)激光器，3—激光擴(kuò)束器，4—貝塞爾光束產(chǎn)生裝置，5—第一反射鏡，6—第二反射鏡，7—凸透鏡，8—第一顯微物鏡，9—樣品室，10—第二顯微物鏡，11—第三反射鏡，12—第一聚焦透鏡，13—第一成像器件，14—濾光片，15—第二聚焦透鏡，16—第二成像裝置，17—前石英窗，18—后石英窗。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的方案作進(jìn)一步詳細(xì)地解釋和說明。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供了一種用于單個(gè)懸浮顆粒的二次諧波成像方法，包括以下步驟：

步驟1：將一束貝塞爾光束沿一光路入射于含有單個(gè)細(xì)微物顆粒的樣品室9，通過干涉的方法在樣品室內(nèi)產(chǎn)生貝塞爾光束駐波場(chǎng)；所述的細(xì)微物顆粒的直徑小于10μm；獲得的貝貝塞爾光束駐波場(chǎng)可以捕獲細(xì)微顆粒物的三維信息；

步驟2：將一束飛秒激光聚焦于樣品室，使得飛秒激光與貝塞爾光束共線，該將由樣品室出射的基頻光和二次諧波信號(hào)分離后分別成像；飛秒激光與捕獲了的細(xì)微顆粒物相互作用，產(chǎn)生二次諧波信號(hào)；

步驟3：調(diào)節(jié)貝塞爾光束中心亮斑的尺寸，直到基頻光對(duì)應(yīng)的成像器件上出現(xiàn)穩(wěn)定的細(xì)微顆粒物像；本步驟目的在于，調(diào)節(jié)貝塞爾光束中心亮斑的尺寸，捕獲細(xì)微顆粒的三維信息；

步驟4：調(diào)節(jié)飛秒激光的偏振、波長(zhǎng)和功率，直到二次諧波信號(hào)對(duì)應(yīng)的成像裝置上觀察到二次諧波像。二次諧波成像是一種非線性光學(xué)過程，只有在飛秒激光功率密度達(dá)到一定高度時(shí)才能夠激發(fā)。

實(shí)施例2

本發(fā)明提供的用于單個(gè)懸浮顆粒二次諧波成像裝置，參見圖1，包括飛秒激光器1，連續(xù)激光器2，激光擴(kuò)束器3，貝塞爾光束產(chǎn)生裝置4，第一反射鏡5，第二反射鏡6，凸透鏡7，第一顯微物鏡8，樣品室9，第二顯微物鏡10，第三反射鏡11，第一聚焦透鏡12，第一成像器件13，濾光片14，第二聚焦透鏡15，第二成像器件16，后石英窗17，前石英窗18。

其中，飛秒激光器1為波長(zhǎng)在750-990nm范圍可調(diào)的激光器；連續(xù)激光器2的中心波長(zhǎng)為532nm；樣品室9內(nèi)包含可以自由漂浮的細(xì)微物顆粒(直徑小于10μm)；激光擴(kuò)束器3的擴(kuò)束倍數(shù)在2-10倍內(nèi)可調(diào)；凸透鏡7的后焦點(diǎn)與第一顯微物鏡8的前焦點(diǎn)重合；第一反射鏡5鍍有750-990nm得寬帶高反膜和532nm的增透膜；第二反射鏡6鍍有532nm的高反膜；第3反射鏡11鍍有750-990nm增透膜和370-500nm高反膜；濾光片14透過370-500nm波長(zhǎng)的光同時(shí)吸收其余波長(zhǎng)的光；樣品室前石英窗18鍍有532nm和750-990nm的增透膜；樣品室后石英窗17鍍有532nm高反膜和370-500nm增透膜；第六近紅外光反射鏡13通過可翻轉(zhuǎn)鏡架安裝在測(cè)量底板上；成像裝置采用ccd或者cmos，貝塞爾光束產(chǎn)生裝置4可選錐透鏡、空間光調(diào)制器、互相位調(diào)制裝置、自相位調(diào)制裝置等可以產(chǎn)生貝塞爾光束的裝置。

應(yīng)用所述的用于單個(gè)懸浮顆粒二次諧波成像裝置進(jìn)行單個(gè)懸浮顆粒高分辨率成像的方法，包括以下步驟：

步驟1，連續(xù)激光器2發(fā)射連續(xù)激光，連續(xù)激光經(jīng)過貝塞爾光束產(chǎn)生裝置4后獲得貝塞爾光束；貝塞爾光束經(jīng)過第二反射鏡6反射后依次經(jīng)過凹透鏡7和第一顯微物鏡8后進(jìn)入樣品室；

步驟2，調(diào)節(jié)第二反射鏡6的俯仰和傾斜，使得由樣品室后石英窗17上反射回來的貝塞爾光束與入射的貝塞爾光束重合，在樣品室內(nèi)產(chǎn)生貝塞爾光束駐波場(chǎng)；

步驟3，飛秒激光器1發(fā)射飛秒激光，飛秒激光經(jīng)過可變激光擴(kuò)束器3，將光束擴(kuò)展為入射光束的2-10倍；擴(kuò)束后的激光經(jīng)過第一反射鏡5反射后進(jìn)入第一顯微物鏡8，由第一顯微物鏡聚焦進(jìn)入樣品室9；調(diào)節(jié)第一反射鏡5的俯仰和傾斜，使得飛秒激光與貝塞爾光束共線；

步驟4，調(diào)節(jié)貝塞爾光束的焦距時(shí)，可更換焦距不同的凸透鏡7來改變貝塞爾光束中心亮斑的尺寸，在更換凸透鏡7的過程中相應(yīng)得移動(dòng)其前后位置保證凸透鏡7的后焦點(diǎn)與第一顯微物鏡8的前焦點(diǎn)重合，經(jīng)過樣品室9出射的基頻光經(jīng)過第一聚焦透鏡12的聚焦后進(jìn)入第一成像器件13，直到在第一成像器件13上觀察到穩(wěn)定懸浮的顆粒物；

步驟5，經(jīng)過樣品室9出射的二次諧波信號(hào)經(jīng)過第三反射鏡11后，沿一光路依次經(jīng)過濾波片11和第二聚焦透鏡進(jìn)入第二成像件，濾光片14透過370-500nm波長(zhǎng)的光同時(shí)吸收其余波長(zhǎng)的光，使得只有二次諧波信號(hào)進(jìn)入第二成像器件16；調(diào)節(jié)飛秒激光器1內(nèi)的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)裝置、偏振片和衰減片，依次改變飛秒激光的波長(zhǎng)、偏振和功率，直到第二成像器件上觀察到二次諧波圖像。

本發(fā)明的原理如下：

激光捕獲的原理：光子的方向在經(jīng)過界面時(shí)會(huì)發(fā)生變化，其動(dòng)量也會(huì)隨之改變。光子動(dòng)量的改變量會(huì)傳遞給微粒，從而對(duì)微粒產(chǎn)生了力的作用，使得微粒減速停留。貝塞爾光束是指橫向光強(qiáng)分布滿足貝塞爾函數(shù)的光束，與常用的高斯光束相比，貝塞爾光束在傳播過程中具有更好的穩(wěn)定性(傳播較遠(yuǎn)的距離而保持中心光斑的大小和尺寸基本不變)，因此貝塞爾光束可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離多微粒的捕獲，具有更高的捕獲效率。進(jìn)一步地，利用貝塞爾光束的駐波場(chǎng)可以獲得貝塞爾光陣列，從而實(shí)現(xiàn)三維捕獲。

二次諧波成像原理：二次諧波成像是基于光與物質(zhì)發(fā)生的二階非線性相互作用，通過二次諧波信號(hào)進(jìn)行成像，設(shè)入射激光的頻率為ν0，則二次諧波信號(hào)的頻率為2ν0。二次諧波成像具有很高的分辨率是因?yàn)椋阂环矫?，由于二次諧波是一種非線性光學(xué)過程，只有在激光功率密度達(dá)到一定高度時(shí)才能夠激發(fā)，所以二次諧波過程只有在焦平面很小的區(qū)域內(nèi)才會(huì)發(fā)生，空間分辨率高；另外一方面，二階非線性光學(xué)效應(yīng)具有偏振各向異性的特點(diǎn)，因此二次諧波成像對(duì)樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性非常敏感，通過改變?nèi)肷涔獾钠駹顟B(tài)即可分辨樣品中結(jié)構(gòu)不同的組成部分。

水分子是有極性的分子，當(dāng)處于蒸汽狀態(tài)時(shí)，水分子雜亂無章分布，水蒸汽整體表現(xiàn)出各向同性，不會(huì)產(chǎn)生二次諧波信號(hào)。但是當(dāng)水蒸汽在細(xì)微顆粒表面凝結(jié)時(shí)，水分子在細(xì)微顆粒表面有序排列，整體表現(xiàn)出各向異性，會(huì)產(chǎn)生二次諧波信號(hào)。利用這一特點(diǎn)，可以通過觀察二次諧波信號(hào)的變化特征觀察水蒸汽凝結(jié)的過程。此外，由于凝結(jié)水和凝結(jié)核的結(jié)構(gòu)和物質(zhì)不同，二次諧波信號(hào)隨著入射光的偏振和波長(zhǎng)變化的特點(diǎn)不同，利用這一特點(diǎn)，可以分辨凝結(jié)水和凝結(jié)核。