[发明专利]一种基于相干光源的共光路数字全息的折射率全场动态测量方法

说明书

本发明公开了一种基于相干光源的共光路数字全息的折射率全场动态测量方法，通过共光路全内反射全息实现的折射率全场动态测量方法。通过二维傅里叶变换获得全息图的频谱，得到经过样品后相位，计算出物平面处复振幅分布，并进而得到经过样品后相位；根据计算分布和全内反射角可以得到样品折射率信息；该方法通过设计菲涅耳双全内反射棱镜，通过共光路离轴菲涅耳全息的方法记录全息图，并根据全息图重现的相位改变量计算出菲涅耳双反射棱镜中样品池内的动态折射率变化。

技术领域

本发明设计了一种菲涅耳双全内反射棱镜，用以实现共光路全内反射全息，获得样品材料的实时、全场折射率。

背景技术

折射率是光在真空和介质中传播时速度的比值，是描述物体材料性质的物理量之一。由于不同波段(如可见光、红外、太赫兹)的光波具有不同的折射率，各个波段的折射率测量都存在着一定价值。

全内反射全息术是一种能够获得样品实时全场折射率的成像方法。其原理为：通过记录全息图(如基于相移的同轴全息术、离轴菲涅耳全息术等)重建物光波复振幅分布，并通过复振幅分布获得折射率分布的解析解。

在基于相移的同轴全息术中，由于需要记录多幅全息图，因此无法保证折射率测量的实时性。因此离轴全内反射全息被广泛地应用于实时动态的全场的折射率测量中。

目前的离轴全内反射全息术需要将一束相干的激光分成两束，其中一束通过样品成为物光，而另一束作为参考光，以一定角度和物光进行干涉，通过记录干涉条纹，能够计算出物光光波的复振幅。可见光全内反射全息术由于波长较小，离轴角较小，使用马赫曾德干涉光路实现全息记录。太赫兹波段由于波长较大，离轴角较大，使用三角干涉的光路实现全息记录。

然而随着分光片、反射镜等光学元件的引入，增加了系统的复杂程度。由于光学元件价格昂贵、做工精细，不利于产品化。尤其是对于太赫兹(Terahertz wave)，作为一种尚未被完全开发的电磁波，光学元件匮乏、昂贵且具有较大损耗。除此以外，记录距离也会因为棱镜等光学元件的放置而增大，降低成像分辨率。

为此我们提出了一种设计了一种菲涅耳双全内反射反射棱镜，用以实现共光路全内反射全息，能够获得样品材料的实时、全场折射率。通过该菲涅耳双全内反射反射棱镜，我们舍弃了分光片、反射镜等光学元件，缩短了光束在空气中传播的距离，使光学系统极其紧密，易于商品化。

发明内容

本发明的目的在于提出并设计了菲涅耳双全内反射棱镜，通过该棱镜记录样品的全内反射全息图，并通过重建算法计算出样品折射率的实施动态的二维分布。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于相干光源的共光路数字全息的折射率全场动态测量方法，实现该实验方法的系统包括了s偏振或者p偏振的光纤激光器、、菲涅耳双内全反射棱镜、探测器。

从光纤出射的相干光经过菲涅耳双内全反射棱镜，在棱镜上两个夹角为2°的面上发生全内反射，并被分为两束存在4°夹角的相干的半圆型光束，经过折射后，以6°为离轴角，在棱镜后方发生干涉，并通过CCD对干涉条纹记录，获得全息图。

首先获得无样品时全息图I_air(x₁,y₁)，然后放置样品，记录全息图I_s(x₁,y₁)。通过离轴全息术计算倏逝波经过空气时和经过样品时的相位差。根据相位差，进而利用菲涅耳公式计算样品的折射率。

其计算过程包括了一下四个步骤。

S1通过二维傅里叶变换获得全息图I_s(x₁,y₁)的频谱，将+1级频谱截取并放置在中心位置后通过角谱回传到物平面，计算出物平面处复振幅分布U_s(ξ,η)，并进而得到经过样品后相位φ₁。