光源的空間相干性一旦發(fā)生退化，情況就復(fù)雜很多,。對于理想的高斯謝爾模部分相干光,，尚可用有限厄密高斯模的非相干疊加表征其波前分布;對于更復(fù)雜的相干性退化，則要引入更冗長的疊加,，甚至需要摒棄二維復(fù)振幅表達,，采用四維互相關(guān)函數(shù)描述其波前。然而,，一旦引入四個維度的坐標體系,，計算量會立即上升好幾個數(shù)量級,。這么看來，光源空間相干性的退化給研究者帶來了,。
圖1. 相干性退化可能發(fā)生的場景[1],。a 光源為混合態(tài);b 樣品或傳輸介質(zhì)為混合態(tài);c 探測器為混合態(tài)
在相位恢復(fù)問題中，單一模式的相干照明給計算模擬的簡化和恢復(fù)程序的編寫帶來了極大的便利,。對于相干衍射成像,，相干性的退化意味著必須在原本就復(fù)雜耗時的迭代程序中再引入混合態(tài)模型同步更新，否則只能得到混亂無序的恢復(fù)結(jié)果,，甚至導(dǎo)致計算無法收斂;對于全息干涉成像,，光源相干結(jié)構(gòu)的相位信息也會雜糅在最終恢復(fù)的相位中;對于光強傳輸方程算法，復(fù)雜關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)引入的未知卷積效應(yīng)直接影響計算所得的相位,。
于是科學(xué)家絞盡腦汁研究如何避免光源相干性的退化,，給應(yīng)用場景施加了嚴格的限制，例如要求光源亮度足夠高以方便引入光闌,，通過大大縮減通量來獲得高空間相干性;所有組件的振動可忽略不計;傳輸介質(zhì)理想,、無湍流;待測對象為靜態(tài)樣本或光源為超短脈沖。
然而,，逃避麻煩解決不了所有問題,?？傆幸恍┭芯空卟辉赶蛲讼喔尚?yīng)“繳械"妥協(xié),，而是選擇正面迎戰(zhàn)?；趯Σ糠窒喔晒庠磧?nèi)在秉性和規(guī)則的掌握,，他們游刃有余地處理著相關(guān)的物理計算和算法開發(fā)。
圖2. 忽略退相干效應(yīng),，會導(dǎo)致恢復(fù)結(jié)果扭曲錯亂[1],。a 忽略系統(tǒng)的退相干效應(yīng)，使用傳統(tǒng)恢復(fù)方法得到的混亂結(jié)果;b 在相干衍射成像算法基礎(chǔ)上引入多態(tài)混合模型可實現(xiàn)高精度恢復(fù)
什么是相位恢復(fù),？
想象一個弱散射對象,，比如細胞或組織，直接觀測將呈現(xiàn)無色透明,，我們稱之為純相位物體,。鑒于大多數(shù)探測器都是采集光強，并不能直接記錄相位信息,，觀察這類純相位物體之前,，通常需要制樣、染色和標記,，讓相位的變化可以在強度信息中體現(xiàn),。
但是這些操作會對樣品造成不可逆轉(zhuǎn)的損害,，例如引入改變蛋白質(zhì)功能的細胞毒素或者基因修飾等等。此時,，非接觸,、非侵入式的相位成像或相位恢復(fù)技術(shù)便顯得尤為重要。我們將利用光強信息恢復(fù)相位信息的技術(shù)稱為波前檢測技術(shù)或者相位恢復(fù)技術(shù),。
經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,，相位信息的獲取技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟。例如澤尼克相襯顯微成像,、微分干涉顯微成像等定性的相位成像技術(shù),，以及一系列基于迭代算法的定量相位恢復(fù)技術(shù)，包括最早的GS算法以及目前廣泛應(yīng)用的疊層成像算法等,。此外,，還有一些非迭代的相位恢復(fù)方法，如全息法及其衍生方法,，強度傳輸方程算法等,。這些相位恢復(fù)方法已被廣泛應(yīng)用于晶體學(xué)、生物醫(yī)學(xué),、材料科學(xué)以及天文學(xué)等領(lǐng)域,。
有哪些針對空間相干性退化提出的相位恢復(fù)技術(shù)？
2009年,，Nugent提出在相干衍射成像迭代算法基礎(chǔ)上,，將部分相干光源進行模式分解可以實現(xiàn)信息的準確恢復(fù)。隨即,，Thibault等人給出了相干性退化可能發(fā)生的更豐富情形,，提出了普適的相干衍射成像多態(tài)混合模型。
除了光源本身相干性發(fā)生退化,，樣本的擾動,，環(huán)境的湍流以及記錄面的振動都可以等效為光源相干性的退化?；谡彰鞴庠礊橄喔晒獾募僭O(shè),，Teague推導(dǎo)出光強傳輸方程，進而提出相位恢復(fù)方法,。南京理工大學(xué)的左超課題組基于此引入四維維格納函數(shù),，給出了強度傳輸方程，該方程適用于部分相干光照明的廣義形式,。
干涉全息技術(shù)的出現(xiàn),，使得全息干涉技術(shù)擺脫了對光源相干性的依賴。研究者發(fā)現(xiàn)，在全息干涉實驗中適當?shù)亟档凸庠吹目臻g相干性,，有助于改善較厚物體離焦帶來的分辨率降低效應(yīng),。蘇州大學(xué)蔡陽健課題組與荷蘭代爾夫特理工大學(xué)H. Paul課題組合作，基于部分相干光場理論提出了自參考全息技術(shù),，通過在實空間待測平面引入單次或多次相位微擾,，實現(xiàn)了復(fù)雜照明情況下的準確相位恢復(fù);進一步在光路中引入多孔陣列板，還可以順利解決因相干度降低而引起的視場縮小問題,。
圖3. 復(fù)雜照明情況下,，利用自參考全息技術(shù)實現(xiàn)的相位恢復(fù)[2]
圖4. 光路中引入多孔陣列板，實現(xiàn)在光源相干寬度低于物體尺寸情況下實現(xiàn)完整視場恢復(fù)[3]
復(fù)制部分相干光場的波前重構(gòu)
利用成像算法做波前重構(gòu)的想法早就出現(xiàn),，恢復(fù)完整的復(fù)數(shù)場,，不僅可以了解某個平面的光場分布，還可以反向傳播到系統(tǒng)內(nèi)的任意平面,，從而顯示光學(xué)器件中的任何相位像差,。這比簡單的分辨率測試要有用得多。2017年,，Seiboth提出了使用疊層成像方法精準測量X光實驗中所用的反射鏡的相差,，并制造合適的校正相位板以矯正波前，實現(xiàn)了聚焦,。
在光場調(diào)控領(lǐng)域,，對光源相干結(jié)構(gòu)的精準調(diào)控可以使激光擁有全新的面貌，例如平頂或渦旋的光強分布,，傳輸時自聚焦,、自分裂或者自彎曲的特征，以及在經(jīng)過湍流傳輸后仍能保持相對穩(wěn)定和柔和形態(tài)的能力,。
相干性的精準調(diào)控離不開波前的精準重構(gòu),。一旦實現(xiàn)了部分相干光的復(fù)雜波前重構(gòu)，不僅可以了解某個平面的光強分布特性,，正向傳輸可以預(yù)測光強和相位演化，反向傳輸可以檢測系統(tǒng)誤差,。
圖5. 利用自參考全息相位恢復(fù)技術(shù)測量得到的部分相干渦旋光束相干奇點[4]
展望：光源空間相干性的退化,，有害無利嗎？
2017年,，蘇州大學(xué)蔡陽健教授課題組曾發(fā)表文章,，表明對光源關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的調(diào)控或能使成像分辨率突破衍射極限。我們都知道,，同步輻射X射線源,，波長短，能量高，用于高分辨相干衍射成像再好不過,。再配有精心設(shè)計的實驗裝置,，系統(tǒng)有著可忽略不計的振動，雖相干濾波將通量減小了幾個數(shù)量級,，如此費勁心思保證的高空間相干性如愿換來了X射線成像的高分辨結(jié)果,。
如果能利用部分相干光的規(guī)則，在降低場景限制的情況下,，也能得到同等甚至更佳的分辨率,，豈不美哉?至少現(xiàn)在，光源空間相干性的退化,，對于成像是福是禍,，還不能妄下定論。
參考文獻： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)
您好,可以免費咨詢,技術(shù)客服,Daisy
筱曉(上海)光子技術(shù)有限公司 (microphotons.cn)
歡迎大家給我們留言,，私信我們會詳細解答,，分享產(chǎn)品鏈接給您。
免責聲明： 資訊內(nèi)容來源于互聯(lián)網(wǎng),，目的在于傳遞信息,，提供專業(yè)服務(wù)，不代表本網(wǎng)站及新媒體平臺贊同其觀點和對其真實性負責,。如對文,、圖等版權(quán)問題存在異議的,，請聯(lián)系我們將協(xié)調(diào)給予刪除處理,。行業(yè)資訊僅供參考，不存在競爭的經(jīng)濟利益,。
5
立即詢價
您提交后,，專屬客服將第一時間為您服務(wù)