基于计算全息的飞秒激光光束整形

论文摘要

激光光束整形技术一般是指调制入射激光光束的波前分布,得到所需要的强度分布和传播特性。光束整形技术已成为当前国际光学领域的一个研究热点。随着空间光调制器的技术进步,光束整形技术得到了飞速发展,不再局限于固定的光学参数设计,而是可以通过计算全息图动态地调制光场,实现任意图案的光束整形。另一方面,飞秒激光由于其峰值功率高、热效应小,可产生各种非线性效应等优点,在激光加工、信息存储、生物医学成像等领域有重要应用,也非常依赖光束整形。飞秒激光通常并非单色光,其典型带宽为10 nm,在使用空间光调制器对其进行整形时会因为衍射产生色散,导致光束整形效果恶化。在飞秒激光双光子显微成像中,这一问题更为突出。现有方法通常使用棱镜或光栅等器件来补偿光栅引起的色散,而对于计算全息图引起的色散问题至今没有较好的解决方法。本文研究了飞秒激光经过空间光调制器之后的色散规律,提出了基于计算全息的任意图案的高分辨率飞秒激光光束整形方法,并应用于生物医学显微成像领域。主要研究内容如下:(1)本文分析了飞秒激光经过空间光调制器衍射之后的色散规律,研究表明,衍射场的色散由空间光调制器固有的二维光栅结构引起的色散和加载的计算全息图引起的色散两部分组成,而全息图可以看作是不同周期与方向的光栅成分的叠加。(2)根据飞秒激光经过空间光调制器之后的色散特征,将开普勒色散补偿模块引入到光束整形的色散补偿中,同时补偿了全息图的所有光栅成分的色散,从而全息图的色散得到消除;另外轴向色散也得到了一定程度的补偿。(3)本文设计了基于计算全息的高分辨率飞秒激光光束整形方法,用GerchbergSaxton算法生成任意图案的计算全息图,用光栅补偿空间光调制器的光栅结构引起的色散,用开普勒色散补偿模块补偿全息图引起的色散,实现了高分辨率消色差的任意图案的飞秒激光光束整形。实验结果表明,该方法可以实现全视场达到或接近衍射极限的任意图案的飞秒激光光束整形,可适用的光谱带宽大致200 nm。(4)通过计算全息可以实现光束任意位置的三维定位,本文将基于计算全息的任意图案的高分辨率飞秒激光光束整形方法应用于双光子生物显微成像,演示了三维随机扫描双光子显微镜功能,实现了19.23 kHz的快速无惯性三维随机扫描,并在脑片上成功获取了细胞图像。在放大倍数40X,数值孔径0.8的水镜下,横向分辨率达到0.75μm,轴向分辨率达到3.22μm,接近光学衍射极限。本文研究结果表明,本文提出的高分辨率飞秒激光光束整形方法能够实现任意图案的宽带飞秒激光的光束整形,并有潜力应用于生物医学显微成像等多个领域。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 英文缩写名称一览表
• 1 绪论
•   1.1 激光光束整形技术的现状及应用
•   1.2 飞秒激光光束整形及其应用
• 2 基于计算全息的激光光束整形的理论与算法
•   2.1 全息术的基本原理
•   2.2 计算全息的理论基础
•   2.3 本章小结
• 3 飞秒激光光束整形的色散补偿方法
•   3.1 飞秒激光光束整形的色散分析
•   3.2 飞秒激光光束整形的色散补偿
•   3.3 本章小结
• 4 任意图案的高分辨率飞秒激光光束整形
•   4.1 基于DMD的任意图案的高分辨率飞秒激光光束整形
•   4.2 基于LC-SLM的任意图案的高分辨率宽带消色差光束整形
•   4.3 本章小结
• 5 飞秒激光光束整形在双光子显微成像中的应用
•   5.1 三维随机扫描双光子显微镜的硬件设计
•   5.2 三维随机扫描双光子显微镜的软件设计
•   5.3 三维随机扫描双光子显微镜的实验测试
•   5.4 本章小结
• 6 总结与展望
•   6.1 本文主要研究内容和创新点
•   6.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间发表的论文和专利

文章来源

类型: 博士论文

作者: 郭一鸣

导师: 曾绍群

关键词: 光束整形,飞秒激光,计算全息,随机扫描

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技,信息科技

专业: 物理学,外科学,无线电电子学

单位: 华中科技大学

基金: 国家自然科学基金(61475059,61721092,81327802)

分类号: TN249;R622

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.000055

总页数: 136

文件大小: 6127K

下载量: 186