[發明專利]一種基于相干光源的共光路數字全息的折射率全場動態測量方法

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• 申請號: 202110985867.7
• 申請日: 2021-08-26
• 公開（公告）號: CN113866129A
• 公開（公告）日: 2021-12-31
• 發明（設計）人: 王大勇;馬鐸軒;戎路;趙潔;王云新;林述鋒
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45;G03H1/04;G03H1/12
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了一種基于相干光源的共光路數字全息的折射率全場動態測量方法，通過共光路全內反射全息實現的折射率全場動態測量方法。通過二維傅里葉變換獲得全息圖的頻譜，得到經過樣品后相位，計算出物平面處復振幅分布，并進而得到經過樣品后相位；根據計算分布和全內反射角可以得到樣品折射率信息；該方法通過設計菲涅耳雙全內反射棱鏡，通過共光路離軸菲涅耳全息的方法記錄全息圖，并根據全息圖重現的相位改變量計算出菲涅耳雙反射棱鏡中樣品池內的動態折射率變化。

技術領域

本發明設計了一種菲涅耳雙全內反射棱鏡，用以實現共光路全內反射全息，獲得樣品材料的實時、全場折射率。

背景技術

折射率是光在真空和介質中傳播時速度的比值，是描述物體材料性質的物理量之一。由于不同波段(如可見光、紅外、太赫茲)的光波具有不同的折射率，各個波段的折射率測量都存在著一定價值。

全內反射全息術是一種能夠獲得樣品實時全場折射率的成像方法。其原理為：通過記錄全息圖(如基于相移的同軸全息術、離軸菲涅耳全息術等)重建物光波復振幅分布，并通過復振幅分布獲得折射率分布的解析解。

在基于相移的同軸全息術中，由于需要記錄多幅全息圖，因此無法保證折射率測量的實時性。因此離軸全內反射全息被廣泛地應用于實時動態的全場的折射率測量中。

目前的離軸全內反射全息術需要將一束相干的激光分成兩束，其中一束通過樣品成為物光，而另一束作為參考光，以一定角度和物光進行干涉，通過記錄干涉條紋，能夠計算出物光光波的復振幅?？梢姽馊珒确瓷淙⑿g由于波長較小，離軸角較小，使用馬赫曾德干涉光路實現全息記錄。太赫茲波段由于波長較大，離軸角較大，使用三角干涉的光路實現全息記錄。

然而隨著分光片、反射鏡等光學元件的引入，增加了系統的復雜程度。由于光學元件價格昂貴、做工精細，不利于產品化。尤其是對于太赫茲(Terahertz wave)，作為一種尚未被完全開發的電磁波，光學元件匱乏、昂貴且具有較大損耗。除此以外，記錄距離也會因為棱鏡等光學元件的放置而增大，降低成像分辨率。

為此我們提出了一種設計了一種菲涅耳雙全內反射反射棱鏡，用以實現共光路全內反射全息，能夠獲得樣品材料的實時、全場折射率。通過該菲涅耳雙全內反射反射棱鏡，我們舍棄了分光片、反射鏡等光學元件，縮短了光束在空氣中傳播的距離，使光學系統極其緊密，易于商品化。

發明內容

本發明的目的在于提出并設計了菲涅耳雙全內反射棱鏡，通過該棱鏡記錄樣品的全內反射全息圖，并通過重建算法計算出樣品折射率的實施動態的二維分布。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為一種基于相干光源的共光路數字全息的折射率全場動態測量方法，實現該實驗方法的系統包括了s偏振或者p偏振的光纖激光器、、菲涅耳雙內全反射棱鏡、探測器。

從光纖出射的相干光經過菲涅耳雙內全反射棱鏡，在棱鏡上兩個夾角為2°的面上發生全內反射，并被分為兩束存在4°夾角的相干的半圓型光束，經過折射后，以6°為離軸角，在棱鏡后方發生干涉，并通過CCD對干涉條紋記錄，獲得全息圖。

首先獲得無樣品時全息圖I_air(x₁,y₁)，然后放置樣品，記錄全息圖I_s(x₁,y₁)。通過離軸全息術計算倏逝波經過空氣時和經過樣品時的相位差。根據相位差，進而利用菲涅耳公式計算樣品的折射率。

其計算過程包括了一下四個步驟。

S1通過二維傅里葉變換獲得全息圖I_s(x₁,y₁)的頻譜，將+1級頻譜截取并放置在中心位置后通過角譜回傳到物平面，計算出物平面處復振幅分布U_s(ξ,η)，并進而得到經過樣品后相位φ₁。