螺旋相位板

2021-09-30 13:36:23 浏览:1772

基本原理

螺旋相位板(Spiral Phase Plate,简称 SPP)是一种可以实现螺旋波面变换的相位滤波器。作为新的纯相位的衍射光学元器件,光学厚度与旋转方位角成正比,相位延迟函数为,其中是SPP的拓扑荷,是旋转方位角,绕中心旋转一周的相位变化是。入射平面波通过 SPP 的出射光束具有螺旋相位波前。SPP 作为一种新型的衍射光学元件,已在光信息处理、光学微操纵、生物医学、形貌测量、天文观测等诸多领域得到实际应用。

发展现状

早在1992年,S. N. Khonina 等人就提出了用 SPP 滤波器实现图像边缘增强的方法。他们将利用光刻技术制作的 SPP 放在系统频谱面内,输入物体为由准直 He-Ne 激光照明的孔径光阑,输出面上得到输入孔径光阑的轮廓图像,虽然实验结果与数字模拟结果并不是完全吻合,但还是可以看出输出图像具有边缘增强的效果。2000年,Jeffrey A. Davis 等人利用 SPP 将一维希尔伯特变换推广为二维各向同性希尔伯特变换,即径向希尔伯特变换(Radial Hilbert Transform),并进行了理论分析与实验验证;实验中通过在液晶空间光调制器(LCSLM)上加载相应的相息图来实现螺旋相位滤波,得到了输入图像(圆孔、狭缝)理想的各向同性的边缘增强效果。2006 年,Cheng-Shan Guo 等人提出了一种新型的拉盖尔高斯空间滤波器,与普通螺旋相位板相比,利用这种滤波器实现径向希尔伯特变换可以得到质量更高的边缘增强图像;同年,WeiWang 等人提出了利用这种拉盖尔高斯空间滤波器产生的相位奇点进行位移测量的方法。

利用螺旋相位滤波器实现径向希尔伯特变换这一方法的提出,为二维图像信息处理开辟了一个新的研究领域。2005 年,Severin Fürhapter与Alexander Jesacher等人指出这种方法不仅可以用于处理宏观振幅型图像(圆孔、狭缝等),还可应用于光学显微术中来观测微观复振幅或纯相位物体,即螺旋相衬显微成像。螺旋相衬显微成像是将螺旋相位滤波系统与显微观测系统相结合的方法,这种方法特别适用于观测相位物体,可以得到高对比度、高亮度的相衬图像,与传统方法(普通相衬成像法、暗场法)相比,成像质量明显提高。若将螺旋相位滤波器的中心区域稍作修改,即改变滤波面上零频成分的相位,使零频成分与其它高频成分之间产生一定的相位差,则所得相衬图像中还会产生定向的阴影效应。阴影的方向可随零频成分的相位改变而连续变化,形成物体的浮雕状边缘增强效果,更易于观察物体的凹凸细节与形貌轮廓。因此,螺旋相衬成像可用于检测晶体位错、低相衬生物组织的显微成像等,在光学显微术中具有良好的应用前景。

螺旋相位板还可用于天文观测,如提取隐藏于亮光源炫光中的弱背景信号。在较亮星体附近的背景信号往往被星体的炫光所遮盖而显得暗淡,利用螺旋相位板可以通过在亮光内部形成一个暗核的方法来分辨两个光源,这种方法可显著提高天文观测系统的分辨能力。基于以上特性,螺旋相位板还可用于日冕仪中,称为光学涡旋日冕仪,这种日冕仪利用螺旋相位板可以消除强烈的恒星光,从而可以清楚地观测到行星。

螺旋相位板还是产生光学涡旋(Optical Vortex)的重要元件。入射平面波通过SPP的出射光束具有螺旋相位波前,光束中心具有相位奇点,相位奇点处光强为零,这种光场称为光学涡旋场。光学涡旋是一种比较独特的光场,它具有独特的螺旋波前结构和确定的光子轨道角动量,因此可作为新型光镊来控制微观粒子,在光学微操纵领域有很好的应用前景。2006年,Cheng-Shan Guo 等人提出利用螺旋相位滤波产生任意形状光学涡旋与阵列光学涡旋的方法。该方法将螺旋相位板置于4f系统的频谱滤波面处,利用计算机程控的SLM编码不同的输入图像,则在输出面上即可得到相应的不同形状的涡旋分布,这样可以通过计算机程控的SLM实现实时动态的控制输出涡旋场的形状与阵列。这种方法可应用于复杂结构微粒的操纵、光学涡旋孤子阵列的研究等。另外,根据SLM 产生的基元光学涡旋的形状,还可判断反射式 SLM 的表面变形信息,再根据 Gerchberg-Saxton算法(一种迭代相位恢复算法)可对 SLM 的表面变形进行矫正,这种方法称为利用光学涡旋图形对SLM的波前矫正法[1-2]

螺旋相位板在受激发射损耗STED显微成像中,起到对损耗光进行调制的作用,进而实现对衍射光斑点扩撒函数的调制。也是该成像方法中的关键器件之一。2001年,受激发射损耗显微成像STED在轴向上对于损耗光的调制取得了新的进展,用0/π位相板取代最初的方法,在焦平面上得到轴向中空型的聚焦光斑,如图1中B所示[3],利用同样的方法,在横向上得到了同样的效果,C图是得到的损耗光斑为横向中空型。虽然采用上述0/π位相板对损耗光束进行调制,已经可以达到较好的空间超分辨效果,但是利用这种方法在对损耗光调制的过程中需要两条光路,光路比较复杂,不利于搭建,从而使得 STED 系统的结构比较复杂,光路的搭建和校准也很不方便,同样也增加了成本。2009 年,0/2π涡旋相位板的出现解决了上述问题,对损耗光束进行调制,其聚焦光斑呈现为中空型的面包圈型,如图1-3中D所示[4],这种面包光圈可以很好的猝灭激发光斑周围的荧光分子,从而提高系统的分辨率。之后一 些公司陆续推出了适合于不同波段的商用化 0/2π涡旋位相板,从而使得其在STED系统中的应用更为方便。

图 1 损耗光斑的不同调制方式

螺旋相位板常见类型

目前,螺旋相位板的类型主要有:

(1)浸入折射率匹配液中的大螺距螺旋相位板;
(2)通过多重蚀刻技术在石英材料上制作的阶梯型螺旋相位板;
(3)利用激基激光烧蚀技术在聚酰亚胺衬底上制作的阶梯型螺旋相位板;
(4)首先由高精密计算机驱动车床的金刚石工具制作一个模型,再向模型中注入聚合物,然后由紫外线固化,形成螺旋相位板;
(5)利用有裂缝的有机玻璃板制作的可调型螺旋相位板;
(6)电子束写入感光胶片形成螺旋相位板;
(7)多层汽相沉积法制作的螺旋相位板;
(8)液晶螺旋相位板(LCSPP);
(9)利用加载于计算机程控的液晶空间光调制器(LCSLM)上的计算全息图作为螺旋相位板。国内较常用的为第(9)种,其优点是利用LCSLM 的可程控性,通过计算机编码不同的全息图加载于LCSLM 上,可以实现实时动态的螺旋相位变换[5-7]

参考文献

[1] 刘婷婷. 螺旋相位板及其在光学信息处理中的应用研究[D].山东师范大学,2008.
[2] 张弘. 基于STED超分辨率荧光显微成像[D].北京工业大学,2016.
[3] KLAR T A, ENGEL E, HELL S W. Breaking Abbe’s Diffraction Resolution Limit in Fluorescence Microscopy with Stimulated Emission Depletion Beams of Various Shapes[J]. Physical review, 2001, 6(64): 066613.
[4] ASTRUP L, WILDANGER D, RANKIN B, et al. STED Microscopy with Compact Light Sources[J]. 2010, 1–13.
[5] Cheng- Shan Guo, Yan Zhang, Yu- Jing Han, Jian-Ping Ding, and Hui-Tian Wang, Generation of optical vortices with arbitrary shape and array via helical phase spatial filtering, Optics Communications. 259: 449-454 (2006)
[6] Cheng-Shan Guo, Xin Cheng,Xiu-Yun Ren, Jian-Ping Ding and Hui-Tian Wang, Optical vortex phase-shifting digital holography, Opt. Express.12(21):5166- 5171(2004)
[7] André Klauss, Marcelle König, Hille C . Upgrade of a Scanning Confocal Microscope to a Single-Beam Path STED Microscope[J]. Plos One, 2015, 10(6):e0130717.
[8] 李帅,匡翠方,丁志华,郝翔,顾兆泰,葛剑虹,刘旭.受激发射损耗显微术(STED)的机理及进展研究[J].激光生物学报,2013,22(02):103-113.

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