（材料物理与化学专业论文）体全息在共焦显微镜以及望远镜中的应用研究.pdf

摘要 摘要 激光共焦扫描显微镜己经广泛应用于医学( 生理学、病理学、 解剖学、胚胎学、临床诊断等) ，生物学( 细胞生物学，生物医学 等) ，半导体和电子工业等，作为研究细微结构的有效工具，得到 了国内外学术界和科技工作者的广泛关注和研究。光折变材料的 体全息记录性质可以用于激光共焦扫描显微镜，以获得更好的深 度分辨率。 本文采用l i n b 0 3 晶体体全息代替共焦显微镜中的反射镜和 探测器针孔，是一种新型的共焦成像方法。在物光的衍射光强最 大的条件下，记录体全息信息，随后进行读出。实验结果表明， 采用体全息技术的共焦显微镜系统的深度分辨率对探测器前的光 阑孔径大小没有明显的依赖关系。在针孔直径为1 o 1 5 m m 的体 全息共焦系统中，我们获得的半高宽值在o 5 2 r a m 附近变化。在 探测器前加尺寸不必特别小的针孔或可以不加针孔，这样可减小 出于衍射现象引起的像差。由布拉格匹配条件知，非聚焦部分光 由于不满足布拉格匹配条件将被滤掉，体全息成像本身具有滤波 的作用，物镜的像差在体全息自成像过程中由于相位共轭而消除， 从而使仪器的深度分辨率与测量的动态范围不再相互限制，为体 全息在共焦显微镜中的应用提供了理论依据和实验基础。 本文还对体全息在望远镜中的应用作了研究，由于体全息记 录受制于数值孔径，而对于数值孔径的提高在一定程度受到限制， 因此我们在成像系统中引入望远镜来对远处物体所成的像记录在 体全息晶体中，再对记录的信息进行读取。实验结果表明，衍射 摘要 光强的半高宽与望远镜物镜的数值孔径的平方成反比，晶体越厚， 深度分辨率越好。本实验采用的体全息望远镜系统，对提高远处 物体成像的深度分辨率具有很大意义。 关键词：共焦显微镜；望远镜；共焦成像；体全息：衍射效率： 衍射强度 a b s t r a c t a b s t r a c t l a s e rc o n f o c a l m i c r o s c o p y h a sb e e n a p p l i e di n m e d i c i n e ( p h y s i o l o g y , p a t h o l o g y , a n a t o m y , e m b r y o l o g y , c l i n i ca n de t c ) ，b i o l o g y ( c y t o b i o l o g y , b i o m e d i c i n ea n de t c ) ，s e m i c o n d u c t o ra n de l e c t r o n i c i n d u s t r i e sa n de t c i th a sg o tc o m p r e h e n s i v ea t t e n t i o na n dr e s e a r c h f r o ma c a d e m ea n ds c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo p e r a t o ri n s i d ea n do u t s i d e p h o t o r e f r a c t i v em a t e r i a lm a yr e c o r dv o l u m eh o l o g r a mi n f o r m a t i o n ， w h i c hi sa p p l i e di nt h el a s e rc o n f o c a lm i c r o s c o p y w ec a ng e tb e t t e r d e p t hr e s o l u t i o n i nt h et h e s i s ，an e wc o n f o c a li m a g i n gp r i n c i p l ei ss h o w nt h a tw e u s e da1 c m 3l i n b 0 3 ：f ea sah o l o g r a p h i cm e d i u mt h a tt a k ep l a c eo f t h er e f l e c t o ra n dt h ep i n h o l eo fd e t e c t o ri nt h ec o n f o c a lm i c r o s c o p y w h e nt h em a x i m u mo ft h ed i f f r a c t i o nd e n s i t yo ft h eo b j e c tl i g h ti s r e a c h e d ，t h ev o l u m eh o l o g r a mi n f o r m a t i o ni sr e c o r d e di nt h em e d i u m ， t h e nw ec a nr e a di t t h er e s u l to fo b s e r v a t i o nn e e dn o tc l e a r l yd e p e n d o nt h es i z eo fp i n h o l e w h e nt h ed i a m e t e ro fp i n h o l ei sf r o m1 0t o 1 5 m m ，t h ef u l lw i d t ha th a l fm a x i m u mi so 5 2 m mn e a r b y t h e p i n h o l eb e f o r et h e d e t e c t o rm u s t n tb ev e r ys m a l la n dm a yb e r e m o v e d ，t h e nw em a yd e c r e a s et h es h a p ed i s t i n c t i o n b a s e do nt h e b m g gm a t c h i n gt e r m s ，t h el i g h tt h a ti sn o tm e e ti to u to f f o c u sw i l lb e f i l t e r e d t h ev o l u m eh o l o g r a mp o s s e s s e st h ef u n c t i o no ff i l t e r t h e s h a p ed i s t i n c t i o no fo b j e c tl e n sm a yb ee l i m i n a t e db e c a u s eo ft h e p h a s ec o n j u g a t i o nd u r i n gt h ev o l u m eh o l o g r a ms e l f - i m a g i n g t h e a b s t r a c t d y n a m i cr a n g eo fm e a s u r ea n dt h ed e p t hr e s o l u t i o nd o e s n tc o n f i n e e a c ho t h e r i tc a np r o v i d et h eb a s eo ft h et h e o r ya n de x p e r i m e n tf o r t h ea p p l i c a t i o no f c o n f o c a lm i c r o s c o p y w er e s e a r c ha n o t h e ri m a g i n gs y s t e ma b o u tv o l u m eh o l o g r a m t e l e s c o p e b e c a u s ev o l u m eh o l o g r a mr e c o r di sr e f i n e db yn u m e r i c a l a p e r t u r ea n dt h ei m p r o v e m e n to ft h en u m e r i c a la p e r t u r ei sr e f i n e dt o ac e r t a i ne x t e n t ，v o l u m e h o l o g r a p h i cs a m p l e i s p l a c e db e h i n d t e l e s c o p e ，r e c o r d e da n dr e a d t h er e s n l te x p r e s st h a tt h ef u l lw i d t ha t h a l fm a x i m u mo ft h ed i f f r a c t i o nd e n s i t yi si n v e r s er a t i ow i t ht h e n u m e r i c a l a p e r t u r e ss q u a r e t h em o r et h i c kt h em a t e r 。i a li s ，t h e b e t t e r d e p t hr e s o l u t i o ni s w ec a ni m p r o v et h ed e p t hr e s o l u t i o n t h r o u g ht h ev o l u m eh o l o g r a mt e l e s c o p es y s t e ma n db e n e f i tw h e nw e o b s e r v et h er e m o t eo b j e c t k e yw o r d s ：c o n f o e a lm i c r o s c o p y ；t e l e s c o p e ；c o n f o c a li m a g i n g v o l u m eh o l o g r a m ；d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y ；d i f f r a c t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 凡是使用光进行工作的仪器无论是可见光、红外光、还是 紫外光，都有一个光学系统。光学系统的作用是把目标发出的光， 按仪器工作原理的要求，改变它们的传播方向和位置，送入仪器 的接收器，从而获得目标的各种信息，包括目标的几何形状，能 量强弱等等。不同仪器光学系统的工作原理和构成方式各不相同。 利用理想光学系统的公式，可以计算出系统中各个透镜组要求的 焦距、通光孑l 径、成像的位鼹和大小等一系列参数。但是对于透 镜组的具体结构参数，例如透镜表面的曲率半径、厚度、各透镜 之间的间隔和所用的玻璃材料等都不作考虑，就不能进行透镜组 的加工制造，也不能设计仪器的机械结构。因为不同结构的透镜 组尽管它们的焦距和通光孔径相同，但是主面之间的间隔和透镜 组中每个透镜的实际尺寸可能有很大差别。 对于一个透镜组，在设计的过程中，需要满足两个方面的要 求( 1 ) 光学特性：包括该透镜组的焦距、物平面位置、光束孔 径、成像范围( 物高或像高) ，这些要求在理想光学系统计算过程 中就已经确定。( 2 ) 成像质量的要求：光学系统除了满足光学特 性的要求之外，一般还要满足成像质量的要求，即要求成像清晰 和物像相似。如果仅仅满足光学特性的要求比较容易，简单的一 个薄透镜即可以达到，但是要保证成像质量优良就不那么简单了。 单个透镜往往不能满足要求，必须将两个或者多个透镜组合起来， 才能达到要求的成像质量。光学设计的任务就是根据对透镜组两 第一章绪论 个方面的要求确定透镜组的结构参数。其中最困难的是如何保证 它的成像质量，包括获得最好的像差和分辨率。为了保证光学系 统的成像质量，首先要找出在设计过程中用来评价系统成像质量 的方法和指标，使设计人员在制造出实际的系统以前就能预先确 定其成像质量的优劣。因此如何在设计过程中评价光学系统的质 量是光学设计首先要解决的问题。 提高成像质量有三个途径：1 、在原有的基础上，改革工艺制 造光学特性更加好的器件；2 、在光路设计上，提出新的成像原理， 制造出新型光学器件。光学仪器的发展对材料性能提出新的要求， 也为不断发展的光学材料尤其是非线性光学材料提供了广泛的 应用空间。 因此，通过研究光折变材料的体全息性质，研究它的光学特 性，使其在光学成像系统中发挥作用，以提高系统中的成像质量、 使物镜的像差在体全息自成像过程中由于相位共轭而消除，使仪 器的深度分辨率与测量的动态范围不再相互限制，具有重大意义。 1 2 现状 1 2 1 概述 非线性光学作为光学学科中- - i 分支学科，在新颖的高亮度 光源一激光器问世以后，就以它那新奇的面貌更加充分地展现在 世人面前。在短短的4 0 年间，非线性光学在基本原理、新型材料 的研究、新效应的发现与应用方面都得到了巨大的发展，成为光 学学科中最活跃和最重要的领域之一。 当高强度的激光作用到介质体系时，人们发现在大量的各种 第一章绪论 不同的材料中都会观察到与线性光学“。效应截然不同的现象，介 质的折射率会随光电场强度的变化而变化，吸收系数也不再是一 个常数等等，所有这些新现象就需要非线性光学的基本原理予以 解释。 光折变效应( p h o t o r e f r a c t i v ee f f e c t ) 是一种特殊的非线 性光学现象，它是光致折射率变化效应( p h o t o i n d u c e d r e f r a c t i v ei n d e xc h a n g ee f f e c t ) 的缩称。这一术语的含义是 电光材料在光辐照下，折射率随光强的空间分布而变化。折射率 的这种变化与通常在强光场作用下所引起的非线性的折射率变化 的机制完全不同，后者起因于光致瞬态非线性电极化。光折变效 应是发生在电光材料中的一种复杂光电过程。这个过程可以概括 如下：电光晶体内的杂质、空位或缺陷充当电荷的施主或受主。 当晶体在光辐照下，光激发电荷进入邻近的能带。光激发载流子 在带中或因浓度梯度扩散，或在电场作用下漂移，或由光生伏打 效应而运动。迁移的电荷可以被重新俘获。经过再激发，再迁移， 再俘获，最后离别了光照区而定居于暗光区。这样形成了与光强 空间分布相对应空间电荷分布。这些光致分离的空间电荷按照泊 松方程产生相应的空间电荷场。尽管光致空间电荷密度并不算大， 典型的量级在百万分之一左右，但由它们所产生的空间电荷可显 著地引起晶格的畸变。如果晶体不存在反演对称性，空间电荷场 将通过线性电光效应在晶体内形成折射率在空间的调制变化，或 者说在晶体内写入体相位栅( v o l u m ep h a s eg r a t i n g ) 。并且，光 束在写入相位栅同时，又受到自写入相位栅的衍射作用进行读出， 因此光束的读写过程在光折变晶体内是同时进行的。这样记录的 第一章绪论 相位栅是一种动态光栅，实时全息体光栅。这种动态光栅对写入 光束的自衍射，将引起光波的振幅、位相、偏振甚至频率的变化。 从这个意义上讲，动态光栅的自衍射为相干光的处理提供了全方 位的可能性。以上所述就是光折变效应的全过程也是光折变效应 的物理意义。 光折变效应首先是由贝尔实验室工作的h s h k i n “1 等人于6 0 年代发现的。他们当初用l i n b o ，和l i t a o ：，晶体进行光倍频实验时， 意外发现强光辐照会引起折射率的变化，从而严重地破坏了相位 匹配条件。正因为如此，当初把这种不期望的效应称为“光损伤”。 这种“光损伤”还相当顽固在暗处可保留相当长的时间。正是 这一性质，首次被c h e n 等人”。认识到“光损伤”材料是一种优质 的光数据存储材料，从此引起人们对它的普遍的重视和极大兴趣。 c h e n 等人还对“光损伤”的微观机制进行了探讨，提出了光激发 载流子的迁移模型。人们又发现，通过均匀光照或者加热等方法， 这种光损伤的痕迹可以被擦洗掉。从而使晶体恢复初态。 随后人们发现电光晶体大多数具有这种光折变效应。例如人 们先后在l i n b o 。，b a t i o 。，l i t a o “k n b o “s r x b a 。一i n b n ( s b n ) 等铁电 氧化物晶体和b i 。：s i o 。( b s o ) ，b i 。t i ( b t o ) 等立方硅族氧化物晶 体以及g a a s ，i n p ，c d t e 等半导体材料中都能观察到光折变现象。 这些光折变材料除具有较大的电光系数外，与一般在高功率激光 产作用下的非线性光学材料相比有两个显著的特点。第一个特点 是光折变材料的光学非线性效应与光强无关。这也就是说用弱激 光束照射晶体，同样会显示处可观的非线性效应。光强的大小仅 影响光折变过程进行的速度。若用毫瓦量级功率的激光照射光折 第一章绪论 变晶体，只要有足够长的时间，也会产生明显的光致折射率变化。 众所周知，在通常的受激布里渊散射和受激拉曼散射实验中，需 要相当高光强的激光照射。然而在光折变晶体中进行双光束耦合， 仅用低功率激光入射就可以产生显著的光能不可逆转移。这是由 于在通常的光学非线性材料( 原子，分枝或凝聚态体系) 中，价 键电子云在光场的作用下发生形变，电子云的畸变只引起激发态 的能级或跃迁矩阵的微扰变化，后者又对光的传递与转换产生影 响。由于原子核对价键电子的束缚作用一般远大于光场的扰动作 用，因此只有在极高功率的光场作用下才显示出明显的光学非线 性效应。而在光折变材料中，杂质在带隙中形成施主、受主能级， 在光场作用下，产生光生载流子( 电子或空穴) 。这些载流子迁移 并复合形成分离的空间电荷，从而产生很强的晶体内电场，通过 线性电光效应引起折射率变化，这种光折变效应起因于光强的空 间调制，而不是绝对光强。低功率光致折射率变化无疑为非线性 光学研究开创了更加广阔的研究领域，并方便地提供了用低功率 激光观察各种受激光现象的机会。例如在毫瓦量级功率的激光作 用下。人们用b s o 晶体制作了各种相位共轭器。一些材料在毫瓦 级可见和近红外激光作用下显示的光折变行为，无疑为光通信、 光学信息处理和光学计算技术具有潜在的应用意义。光折变材料 的另一个特点是它的非局域响应。通过光折变效应建立折射率相 位栅是需要时间的。相位栅的建立不仅在时间响应上显示出惯性， 而且在空间分布上也是非局域响应的。即折射率改变的最大处并 不对应光辐照最强处。也就是说，动态相位栅在光栅波矢k 方向 相对干涉条纹有一定的空间相移( 中0 ) 。由波耦合理论知，增 益系数r 正比于s i n o ，因此相移c d = 万2 时，将发生最大的光 第一章绪论 能不可逆转移。中= 7 2 2 的相位栅又称相移型光栅。相移型光 栅允许将泵浦光能向信号光或相位共轭波转移，从而为通过非线 性作用放大信号光提供了一种新途径。实验和理论都指出，由光 折变晶体进行光耦合，其增益系数可高达l o l o o c m 。1 量级，这远 大于激光活性物质如红宝石、铷玻璃等的增益系数。基于光折变 效应的这种高增益性，仅仅用几毫米厚的光折变材料制作的放大 器，就可以将信号光成百上千倍地进行放大。在这种光放大器上 再加上适当的正反馈，还可以在光折变晶体内形成光学振荡。显 然这是一种新型的相干光放大。它不同予以往的量子放大器，后 者是通过活性介质的粒子数反转和受激辐射过程进行的相干光放 大。由上所述。在光折变晶体内，由动态相位栅的耦合作用进行 的相干光放大完全是基于经典光学的干涉、衍射和电光效应实现 的。 由于光折变效应具有上述的特性，光折变效应的应用从一开 始就处于雨后春笋般地发展中。不仅应用十分广泛，其发展速度 也是空前的。目前已用光折变材料制作成各种用途的非线性光学 器件。例如体全息实时存储器、光象放大器和振荡器，相位共轭 器、空间光调制器以及在光学信息处理和光学计算技术方面的各 种实用器件。 1 2 2 光折变材料的基本性能参数 以下给出光折变晶体在应用中的一些重要参量。它们是光栅 建立的时间常数( 响应时间) 、相位光栅的稳态衍射效率、稳态折 射率变化和光折变灵敏度。 ( 1 ) 响应时间 第一章绪论 在应用光折变晶体时，一个重要的特征参数就是光栅写入和 擦除的时间。由于光折变效应是一个电光过程，相继涉及光激发 载流子的产生、迁移、俘获和泡克尔效应等过程，光激发载流子 的产生和迁移是需要时间完成的。它决定着写入光栅所需要的时 间。 响应时间的测量。光折变响应时间通常取为从光辐照算起到 光折变达到饱和时间的1 e ，有时取达到饱和时间的9 0 或1 0 0 作为光折变响应时间。测量时从光辐照瞬间开始记录光强的透 射或衍射曲线，直到达到饱和时的时间作为响应时间的测量值。 ( 2 ) 稳态相位栅衍射效率 光折变材料的光栅衍射效率定义为： 衍射光强 r 。页丽丽丽丽西丽 在光折变晶体内，光致相位栅是一种体相位栅，对于透射光 栅，其衍射效率为 i n 2 ( 患) e x p ( x p ( 一盖) 刁25 1 n 。( 瓦五) 。一面】 虽然在大多数实验中透射光栅是主要的，但由反方向入射光 束所记录的反射光栅具有较高的空间响应频率。对于这种组态， 反射光栅的效率为 刁- t a n h 2 ( 啬c o se x p ( _ 为c o s 其中d 为晶体的厚度；n 为折射率相位栅的折射率变化， 第一章绪论 不仅与光折变效应、电光效率有关，还依赖于外加( 或晶体内) 电场以及光栅的运动状态等。对于具有较大的电光系数的铁电体 材料，如b a t i 0 3 ，s b n ( 电光系数1 0 3 p m v ) ，k n b 0 3 ( 电光系数 3 8 0 p m v ) ，其折射率变化a n 也很大。虽然在另一些材料如b s o ， b g o ，g a a s ，l n p ，电光系数较小( r l 3p m v ) ，但可通过施加 外场e 。提高n 的大小。当外场达到饱和场e ，时，a n 也达到饱 和。 稳态衍射效率玎通常是用双光束耦合方法进行测量的。等强 度的两束相干光i 和i ：在光折变晶体内相干写入相位光栅。i 。和 i ：的偏振方向与晶体的c 轴平行。i 。经写入的相位栅布拉格衍射 得到它的衍射光i ， i - 经衍射后得到它的衍射光i z _ 7 。i - 玎和i ：，7 分别分别平行i ：和i 。待衍射光强i ，刁( 或i ：，7 ) 达到饱和时， 测量其光强，并与i ( 或i ：) 的初始透射光强i ，。( 或i 。) 相比， 从而给出体相位透射光栅的衍射效率玎，即 打：生：生 。k 图1 1 测量叩的光路图 第一章绪论 ( 3 ) 稳态折射率指数变化 稳态折射率变化又称为最大折射率指数变化。它指晶体在光 照时间大于光折变响应时间以后所达到的折射率指数变化值。 加：- 1 1 n o r , v e , 。2 其中是晶体折射率指数，对于大多数光折变材料为2 5 。 a n 的大小主要由瓦决定；为有效电光系数；艮是空间电 荷场振幅。 ( 4 ) 光折变灵敏度 光折变灵明度用s 表示，定义为每吸收单位能量密度所引起 折射率的变化，即 s ：_ 垒l o i o ! r s c 其中a 为记录波长为五的晶体的吸收系数；r 。为晶体的响应 时间：i 。为入射光强或入射功率密度。光折变灵敏度是一个很有 用的品质因数，因为它允许人们比较在给定波长下具有不同吸收 系数材料的性能。 ( 5 ) 记录l 衍射效率光栅的能密度 这个特征参数是阐述在l m m 厚的光折变晶体中，写入具有1 衍射效率的基本光栅( m = 1 ) 所需要每单位面积的能量w 。这个 指标可用来比较快响应低电光系数的材料与慢响应高电光系数材 第一章结论 料的性质。它在光数据处理中较为有用，因为在这类应用中，大 的衍射效率并不需要。但对一些材料，l 的效率也难达到。例如 在b s o 晶体中，由扩散记录的光栅，其衍射效率为，7 = 1 0 。 1 2 3 光折变材料 光折变晶体材料科学是一门在晶体材料的基础上发展起来的 新兴学科，它与物理光学、化学、结晶学和材料学等学科密切相 关，并结合了晶体生长技术和光电子工程等领域的成果，既涉及 现代理论研究，又具有巨大的实际应用价值因此从诞生之日起， 就引起了人们的浓厚兴趣，一直是热门的重要前沿研究课题之一。 经过几十年的探索和研究，同时吸收和借鉴了相关领域的研究成 果，光折变晶体材料科学的发展取得了重大的进展。人们已经发 现了大量的光折变材料，并且从被动地试探现有的材料是否具有 光折变效应，发展到有目的合成、制备，以及控制改善材料的性 能，光折变新现象、新效应持续地被发现和报道，光折变晶体向 着更大尺寸：更高品质的目标不断进步。利用光折变晶体，人们 已经实现了，并且仍不停的探索不同的光学信息处理、运算器件 和成像系统。 ( 1 ) 氧八面体铁电晶体 由于氧八面体铁电晶体具有较大的电光效应以及其它一些有 用的性质，有关光折变效应研究和应用的大多数工作都集中在这 一类材料上。在氧八面铁电晶体材料中，光激发载流子主要来源 于杂质。对于未掺杂的铁电晶体，光激发载流子光激发载流子的 第一章绪论 来源是在晶体生长过程中进入体内的f e 。对于掺杂铁电晶体， 其杂质主要是过渡金属元素。它们虽不改变晶体的电光性质，但 对光折变效应如迁移参数、光吸收系数和光折变灵敏度影响很大。 在所有的光折变材料中。l i n b o 。晶体被研究得最为广泛。l i n b o ， 晶体是全息存储和波导器件内的关键材料，它具有很高的品质因 数，容易生长大尺寸和高质量的同成分单晶。由于光折变效应， 它具有低的损伤阈值，因而限制了它在许多方面的非线性应用， 但是，正是因为它的高光折变灵敏度和长的暗存储时间，成为理 想的光折变和光存储材料。 ( 2 ) 铋硅族氧化物 硅酸铋b i ，：s i o 。( b s o ) 和它的同型晶体锗酸铋b i ：g e o ：。( b g o ) 钛酸铋b i ：t i o 。( b t o ) 是一类很有前途的光折变材料虽然它们的 电光系数较小，但它们的响应时间很短当用l o l o o m w c m 。光强的 a r 离子激光的蓝绿线记录基本光栅，其响应时间约为1 0 l o o m s 左右。这种材料的快响应和高灵敏度对光存储和光处理应用来说 是十分必要的。这种材料还显示出很强的旋光性。 ( 3 ) 半导体材料 随着光折变效应的应用的推广，光折变效应在光学记忆和光 学处理上的应用也越来越受到重视，在这些快速应用中，还要求 材料具有较短的响应时间。响应时间与光激发载流子的迁移率有 关。面多数铁电氧化物的迁移率很小( * i c m 2 v s ) ，这是由于自 由载流子与点阵通过铁电光学膜发生强相互作用所致，众所周知， 第一章结论 半导体具有相当大的迁移率( ；1 0 0 - - 1 0 0 0 0 c m ! v s ) 。这导致半导 体作为光折变材料具有如下特点：1 ) 高速的空间电荷分离；2 ) 较 高的光电导性：3 ) 较短的弛豫时间。又由于它们可工作在近红外 波长区( o 9 5 1 3 5 , u m ) ，并具有快的记录速度，这使半导体材 料在光折变效应应用上具有潜在的应用价值。实验证明。半导体 光折变材料的电光系数相当小，工作波长有很宽的选择余地。 g a a s ，l a p 和c d t e 是近红外光波区工作的最合适的材料，这对光 通信应用来说是十分重要的。光致相位栅的建立和停光后光栅弛 豫的快慢在很大程度上决定着材料在光数据处理方面的应用。对 于半导体材料则可以通过掺杂加以控制如g a a s 和i n p 。其值可 以从毫秒到微微秒范围内改变。 ( 4 ) 电光陶瓷 电光陶瓷是铁电单晶颗粒的透明集合体，具有p o c k e l s 或 k e r r 非线性。 电光陶瓷比单晶具有以下优点： ( a ) 制作程序简单： ( b ) 样品的尺寸和形状可以在很宽的范围内改变； ( c ) 在极化陶瓷中光轴的取向可以控制； ( d ) 通过适当调整组分或制作参量可以人为设计光学和电学性质。 透明电光陶瓷( t f c ) 性能成为介于液晶和电光单晶中间的新 材料，具有许多独特的优点，与液晶相比，它具有较快的响应速 度和较强的抗环境能力，具有抗蚀和抗辐照能力。与电光单晶材 料相比，它不需要高的控制电压，尤其是它的制作和加工工艺简 第一章绪论 单，并可研制成大块、大面积器件，这是单晶无法比拟的。缺点 是透明度差，机械韧性差，均匀性和重复性常常难以保证。 p l z t 是目前研究和应用最多的电光陶瓷，主要光学性质是光 学透明性，适当控制z r t i 比率和l a 的含量可以获得不同的电光 效应。 ( 5 ) 高聚物 直到九十年代初，光折变材料主要集中在无机材料上。无机 材料制备复杂、周期长、价格昂贵，并且掺杂晶体的均匀性很难 保证，以致于同一块材料的各种参数随晶体位置变化而有所不同， 此外，由于光折变效应涉及了电光效应，所以光折变无机晶体材 料必须具有电光效应，这就使得我们只能在2 1 种具有无对称中心 结构的晶体巾选择。相对于无机和有机晶体，聚合物材料的掺杂 和人为设计、改性是非常容易的，而且聚合物还可以很容易地制 备成各种结构：如各种厚度的薄膜结构，以及目前正在研制的多 层模叠加形成的体材料结构，聚合物的非线性可以通过掺杂非线 性生色团在外场极化下产生，则相对于无机晶体只能在无对称中 心的晶体结构中选择要广泛得多。此外。光折变效应对材料所要 求的光电导特性可以由光电导聚合物来提供。由于聚合物在光电 导性和非线性两方面的理论、实验和材料的研究已经比较成熟， 所以人们企图通过两者合成具有光折变效应的聚合物是很现实 的。 第一章绪论 1 i3 本论文所要解决的主要问题 本文研究光折变材料的体全息特性与及其在光学器件中的应 用。一方面研究在共焦成像系统中，利用体全息光栅的滤波选择 作用代替共焦显微镜系统中的针孔，研究成像系统的深度分辨率； 另一方面研究通过望远镜系统提高体全息成像系统的纵向分辨 率。 第二章体全息在共焦疆微镜以及望远镜中的应用 第二章体全息在共焦显微镜以及望远镜中的应用 2 1 共焦显微的发展及现状 激光共焦显微镜与传统的光学显微镜相比，它既具有比普通 光学显微镜高的横向分辨率，又克服了普通显微镜景深小的缺点， 具有较高的纵向分辨率。激光共焦扫描显微镜的独特成像特性来 自于点光源和点探测器的引入，使其能抑制共焦点以外的光线进 入探测器中。因此激光共焦扫描显微镜共焦平面的图像不会被来 自其共焦平面以外的扫描反射光线所模糊，能够实现光学层析， 这是与普通光学显微镜的根本区别。正因为激光共焦扫描显微镜 突破了普通光学显微镜在观察三维结构时受到的限制，它可以将 一系n - 维断层图片通过计算机合成三维立体图像。 激光扫描共焦显微镜是经过几十年的不断改进才逐渐发展 起来的。m i k s n y 在5 0 年代提出扫描共焦显微镜技术的基本原理 时，由于没有合适的光源和数据处理系统，并没有引起人们的特 别注意。1 9 6 7 年e g g e r 和h t r r a n 第一次成功的用带n i p k o w 转盘 扫描的共焦显微镜产生了一个光学横截面”。此盘位于光源和针 孔之后，透明的圆盘上开一系列矩形小孔各孔的位置相对于圆盘 中心角问隔恒定，而半径是以一定比例缩短。圆盘以一定速度旋 转从而将完整的被测平面图像分解成顺序扫描点。共焦显微术是 随着紫外光源的使用和激光的发明而成熟起来的。1 9 8 7 年第一代 现代通常意义上的激光共焦扫描显微镜( c l s m ) 问世。自9 0 年代， 激光共焦扫描显微镜己经广泛应用于医学( 生理学、病理学、解 剖学、胚胎学、l 临床诊断等) ，生物学( 细胞生物学，生物医学等) ， 第二苹体全息在共焦显微镜以及望远镜中的应用 半导体和电子工业等。激光共焦扫描显徽镜系统作为研究细微结 构的有效工具，得到了国内外学术界和科技工作者的广泛关注和 研究。 早期的激光扫描共焦显微镜采用的是扫描速度较快的狭缝 扫描方式”。，由于其在平行狭缝的光轴面上不遵循共焦原理，由 此得到的图像的清晰度和质量都受到影响，而被淘汰。随后发展 起来的是台阶式扫描方式它的原理是扫描时针孔代替狭缝) 不 动，靠平行移动工作台来逐点扫描物体，没有轴外像差提高了图 像分辨率，但是它扫描时必须把物体固定死，以至使它的扫描速 度比以前慢得多，无法实时观察。现在比较流行的激光扫描共焦 显微镜采用的是光束扫描器，即驱动激光束扫描物体，它具有扫 描速度较快和符合共焦原理的特点。光束扫描器包括：单光束和多 光束。单光束主要采用镜扫描，多光束可以使用屯机带动n i p k o w 盘旋转和光学微器件”“来完成。 点光源和点探测器是激光共焦扫描显微镜系统中的关键元 件。在传统的激光共焦扫描显微镜系统中通常是将一微米量级的 针孔分别放置在光源和探测器之前来构成点光源和点探测器。之 后通过对光纤的传输特性进行研究发现，用光纤代替针孔来构成 点光源和点探测器是完全可行的，而且光纤光学共焦扫描显微镜 ( f o c s m ) 的轴向分辨能力在特定条件下近似于点光源和点探测的 理想共焦成像系统”。 在超短脉冲照明下的共焦显微术也是目前一个活跃的的研究 领域4 删，该技术依靠超短脉冲激光器的发展把时间自由度 1 6 第二章体全包花共焦显礅镜以及望远镜中的应用 第四个维度引入到共焦技术中，因此可以取得样品的动态信息而 获得更广泛的应用- 1 2 1 。该技术使人们能够测量与时间相关的 3 - d 像，因此取得样品的动态信息以及对隐藏在高散射介质中的 物体成像变为可能。这种超短脉冲照明下的共焦显微术是目前最 活跃的研究领域。例如，由高峰值功率所导致的非线性光学显微 术，具有深层结构的厚物体时间分辨成像，以及通过高散射介质 的飞行时间成像等。这些应用对于小到未引起人们注意的肿瘤早 期渗断有着实际意义。 为了进一步改善分辨率，特别是轴向分辨率，最近提出了4 p i 共焦显微术9 “1 。它通过两个显微镜物镜从样品中采集和照射光 样品两侧光束的干涉引起了驻波强度沿显微物镜轴向的增强，这 种驻波调制光强，与传播着的光束相比，减小了作用于信号的区 域范围，在这种形式中，由两束光在相对的方向上照明样品并 且是从两个相对的侧面收集信号光。结果使物镜的有效数值孔径 增加了，明显地改进了共焦成像的轴向分辨率。这项技术改进了 共焦成像的分辨率。 共焦显微术可以利用不同的方式来实现。共焦明场显微术能 够以透射和反射两种方式来完成“。在这两种系统中，虽然二维 ( 2 - d ) 成像性质是相同的，但是3 一d 成像性质是完全不同的。对 荧光材料标记的生物样品，可以利用测量样品的辐射来记录共焦 像蚓。该方法被称为荧光显微术。若入射光足够强，可以在样 品上激发双光子荧光，因此提出了共焦双光子荧光显微术u “，而 且最近已经演示了这种技术。 第二章体全息在共焦显微镜以及望远镜中的应用 最近在共焦显微术中的另一个新发展是引入了光纤和光纤光 学元件，以取代普通的小尺度光源和探测器n 8 11 9 , 2 0 , 2 t , 2 2 ，因此形 成了一种更为紧凑和灵巧的光纤光学共焦扫描显微镜( f o c s m ) 。 这种系统受到激光器所导致的振动以及放置在较远距离的电子器 件和设备的影响较小。f o c s m 最重要的特性是对明场成像完全相 干的2 0 2 “，这就允许人们完成定量的显微术。 同时另一种新的光学显微术一一光学相干显微术( o c m ) “ 也获得了极大的研究进展，相干显微术就是将共焦显微术与低相 干干涉结合成一体的新技术它在共焦显微术的高横向和轴向分辨 率的基础上利用低相干光源干涉长度短的特点采用迈克尔逊干涉 术。其分辨率远大于普通共焦显微镜。 在一些书和评论文章已经很好地阐述了2 - d 共焦成像理论 1 4 , 2 4 , 2 5 。近5 年来，其理论研究集中在3 - d 成像性质的理解方面， 以便促进该技术的应用。为了完成对各种3 - d 共焦成像方式的描 述，人们引入了3 - d 传递函数的概念2 ”。利用这种3 - d 传递函 数可以推导出任何物体的成像。它不仅能够描述3 一d 成像。而且 也可以描述2 - d 和卜d 成像2 ”。 2 2 共焦光学显微原理 光学显微术是一种观测微观世界而被研究了几个世纪的古老 话题。光学显微术的无破坏性对各种领域都很重要，例如对生物 和材料科学的研究。普通光学显微镜的主要缺点是分辨率受到了 衍射极限的限制，它的分辨率与照明波长是一个数量级；另一个 1 8 第二章体全息在共焦显微镜以及望远镜中的应用 限制是它的有限焦深。这些限制使利用普通光学显微术对具有一 定厚度的物体成像很困难，因此对厚样品不可能三维成像。 共焦显微术的概念首先是由 i i n s k y 在6 0 年代提出的”t2 ”。 当时他企图消除普通光学显微镜在探测样品时产生的多种散射 光。在这样一个新的成像系统中，利用点光源照明样品，而且样 品上被照明点的信息被一个很小的探测器收集( 该探测器被处理 为点探测器) ，利用移动样品，可以记录下样品不同部分的信息。 虽然6 0 年代的一些研究者已经报道过利用该系统突破成像分辨 率的限制3 0 3 3 引但是没有引起人们的重视。7 0 年代人们对共焦 成像给予了更细致的研究。首先阐明它的横向分辨率是相同孔焦 比的普通显微镜的1 4 倍。”。这种分辨率的改进利用减小显微镜 的视场小的缺点可以利用扫描机制来补偿。人们很快认识到共焦 显微术具有很强的纵向深度的分辨能力：探测到焦点外的信号强 度比在焦点内的信号强度要弱很多，正是这些焦外的信息使普通 显微镜的成像变得模糊“。共焦成像还有另外一个优点，即它探 测器前面所加的针孔掩模，大大减小了不想要的闪烁和散射光所 形成的噪声2 4 - 2 。 共焦成像的纵向深度可区分性质( 我们称之为层析性1 ) 显 得尤为重要，正是因为这种特性才允许人们利用它去记录厚样品 特定截面的像，从而形成一个样品的三维像。 1 9 第二章体全息庄共焦址礅镜以及掣远镜中的应用 光 物镜 ，= 一：= = - 针孔 探测器 i 帼2 1 反射式共编_ 娃微镜的光路l ! f 1 利用反射镜的轴向扣描演示 光学层折原理其轴向响应越带，则兰维成像的轴向分辨牢越高 图2 1 示出一个反射式共焦扫描成像系统的光学层析原理 图。假设被测物是一个全反射体( 例如一个反射镜) ，沿着物镜的 轴对它进行扫描。当该物体在焦面时( 图2 1 中的实线) ，反射光 束被精确地聚焦在点探测器上，此时探测器接受到大量的入射光 能量。若反射物从焦面上移开( 图2 1 中的虚线) ，则反射光被聚 焦在点探测器的前面或后面的某个位置上，这要依据扫描方向而 定，此时探测器仅仅收集到一小部分能量，即离焦的信号比焦点 上的弱。该性质意味着反射物的位置能够确定，而且只有当反射 物位于焦顽上时，其反射物才被有效地记录下来。对于一个实在 的厚物体首先记录一系列不同纵向深度的截面像，再利用这些截 面像来重构厚物体完整的像。即在不剖析被测物的情况下，可以 记录到一个厚样品的三维像。很明显，图2 1 所示的轴向响应带 第二章体全息侄共建盟微镜以及望远镜中的应用 宽确定了系统三维成像的分辨率。因为轴向响应带宽越窄，在相 邻两层像面中的响应跨度越小。正是这种三维成像的能力，使得 共焦显微术已经应用于生物、生物医学、工业探测以及计量学等 领域1 4 2 4 t2 5 剐6 3 7 3 8 1 。 2 3 实验方法及研究 2 3 1 实验原理 在共焦显微镜中，探测器前端的针孔是一个孔径大小可以改 变的光学元件。当观测物位于物镜焦平面且在光轴上时，反射光 的像j 下好会聚到针孔中，且光强最大。当观测物位于物镜焦平面 但不完全在光轴上时。由于探测器前的针孔大小有限，反射光的 像中不在光轴的部分将会被滤掉。理论上，针孔越小，深度分辨 率越高【3 9 】，这样的装置被视为理想的光学系统。但是实际应用时 这种尺寸特别小的针孑l 光阑系统与光学系统的脉冲响应匹配的并 不理想，主要由于针孔尺寸太小，会伴有衍射现象发生。使深度 分辨率受到不可避免的限制( 如测量的动态范围) 【删。另外一个 原因，就是由于物镜引起的像差存在并且较大。当观测光强为荧 光或双光子发光这类光强很弱的光时，深度分辨率与测量的动态 范围同时达到要求设计的光学系统是很难实现的【4 “。 本实验研究一种新型的共焦成像系统，即利用体全息记录信 息的方法代替共焦显微镜系统中的针孔【4 2 1 。在物光的衍射光强最 大的条件下，记录体全息信息。由布拉格匹配条件知。非聚焦部 分光由于不满足布拉格匹配条件将被滤掉。测量的动态范围由体 2 第二章体全息在共焦显微镜以2 之望远镜中的应用 全息的衍射效率决定，而深度分辨率取决于物镜的数值孔径和记 录介质的厚度大小，这样把深度分辨率与测量的动态范围分开。 物镜的像差在体全息自成像过程中由于相位共轭而消除。另外， 在探测器前加针孔尺寸不必非常小或不需加针孔，可减小由于衍 射现象引起的像差，这种体全息共焦显微镜系统，在物体位于焦 点上时，在样品上写入体相位光栅。通过移动物距来研究衍射光 强变化，在物体位于焦点上时衍射光强最大，当物偏离物镜的焦 平面一个很小的距离时，衍射光强度明显减小；通过改变探测器 前端光阑孔径的大小，来研究光阑孔径的大小对于光栅衍射光强 大小的影响。 2 3 2 实验装置图 激光器( 5 3 2 n m )扩柬镜分束镜l i n b 0 3 ：f e 晶体探测器 图2 2 实验光路装置示意图 第二章体全息在共焦址微镜以及望远镜中的应用 2 3 3 实验各个元件的选择 光源的选择 由于气体激光器尤其是常用的氦氖激光器有很好的稳频特 性、输出光束发散角小接近衍射极限：相干性好；并且输出光 是可见光，所以氦氖激光器是激光准直测量中常用的光源。但是 氦氖激光器驱动电压高，维护保养与调节较麻烦，最主要的是氦 氖激光器体积大，不适合测量系统小型化的设计要求。而随着半 导体激光器制造技术的发展，半导体激光器以其