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厦门大学陈理想课题组:非线性光学中的螺旋相衬成像技术

2018-04-13

厦门大学陈理想教授课题组和哈尔滨理工大学大珩协创中心朱智涵合作,基于非线性晶体的倍频效应,将传统的螺旋相衬技术推广到了非线性光学领域,在实验上巧妙地实现了不可见光照射下相位物体边缘增强的可视化。

人们通常借助计算机利用数字图像处理的方法来实现边缘检测,但是对于运算量比较大,而且没有显著特征的物体,如透明相位物体的计算机处理效果一般比较不理想。而基于光学手段的螺旋相衬技术具有并行、实时的优势。传统螺旋相衬成像的基本原理如图1(a)所示,主要包括一个4f成像系统,通过在傅里叶平面放置一个拓扑荷数为1的螺旋相位滤波器(即螺旋相位板),从而实现了待测物体频谱与螺旋相位的乘积。据此,再根据第二个透镜的傅里叶变换性质,我们在4f系统的成像平面获得了待测物体与螺旋相位的卷积。由于螺旋相位的反对称特性,通过卷积之后,物体中透射函数均匀分布(梯度为零)的区域,光强将变为零,而边缘(梯度不为零的地方)的亮度却得到了增强。该技术在生物成像、特征提取以及模式识别等领域具有重要应用。但是,目前的研究主要集中在可见光波段,如何高效地实现红外波段的边缘检测是目前光学领域面临的技术难题之一。

图1 传统螺旋相衬成像与非线性螺旋相衬成像的原理对比图

近期,厦门大学陈理想教授团队联合哈尔滨理工大学大珩协创中心朱智涵等人,率先将传统螺旋相衬技术推广到了非线性光学领域,原理如图1(b)所示。他们结合傅里叶光学原理,基于傅里叶空间中非线性晶体的倍频效应,即利用非线性晶体将待测物体的频谱和一束轨道角动量光进行倍频,从而等效实现了物体频谱与轨道角动量光场的乘积,因此在成像平面进一步获得了待测物体与螺旋相位的卷积。有意思的地方是,该技术不仅实现了螺旋相衬边缘增强,而且借助倍频效应上转换成像,直接实现了红外光照射下透明相位物体边缘增强的可视化效果,相关实验结果如图2所示。他们还利用空间光调制器结合计算全息光栅的动态显示,演示了该方案在光学实时处理方面的应用潜力。

图2 相位物体非线性边缘增强的实验结果图

该成果以“Spiral phase contrast imaging in nonlinear optics: seeing phase objects using invisible illumination”为题发表在美国光学学会主办期刊Optica [5, 208-212 (2018)],第一作者是厦门大学物理学院博士研究生邱晓东。该工作得到了国家自然科学基金重大研究计划、厦门大学九江研究院、福建省半导体光电材料及其高效转换器件2011协同创新中心的资助。

他们的方案还可方便地推广到其他各种非线性光学效应中,以满足不同的应用需求,因此该技术在红外探测、无损生物成像、痕量气体检测等领域都具有重要的应用前景。

论文链接:https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-5-2-208