基于矢量点扩展函数算法实现快速矢量聚焦的研究

Generally, the object to be measured is often hidden behind the scattering medium, and random scattering disturbs the wavefront of the light, which brings great difficulty to high-quality imaging. How to overcome the scattering effect to achieve focusing and imaging through the scattering medium becomes The research hotspot of modern information optics. This project shortens the measurement time of the vector transmission matrix (VTM) by introducing the array-type corrected off-axis interference holographic coding method. At the same time, it combines with the vector point spread function to realize vector focusing of light through the scattering medium, and improves the vector focusing efficiency. The measurement system of the scattering medium VTM is built based on the vector space light modulator and the two-channel angular division multiplexing polarization digital holographic interference device; and then combined with the dual channel array type modified off-axis interference hologram algorithm, the sample points to be tested are coded in one In the hologram, a one-step measurement of the scattering medium VTM is realized; combined with the transposed conjugate of VTM, the discrete vector convolution vector point spread function algorithm is used to directly calculate the required input vector light field, and finally the fast vector focusing of the light transmitting scattering medium is realized. . This method does not require a complex Fourier transform. Through the research of this project, the vector space light modulation technology is further improved, which lays an experimental foundation for in-depth study of the measurement and characterization of vector light information and its application in microscopic imaging.

一般所关注的待测物体常常隐藏在散射介质之后，而随机散射扰乱了光波波前，给高质量成像带来了极大的困难，如何克服散射效应实现透过散射介质的聚焦和成像就成为了现代信息光学的研究热点。本项目通过引入阵列型修正离轴干涉全息编码方式，缩短矢量透射矩阵（VTM）的测量时间；同时与矢量点扩展函数相结合，实现光通过散射介质的矢量聚焦，而且提高了矢量聚焦效率。基于矢量空间光调制器和双通道角分复用偏振数字全息干涉装置搭建散射介质VTM的测量系统；然后与双通道阵列型修正离轴干涉全息图算法相结合，将待测抽样点编码在一张全息图内，实现一步测量散射介质VTM；结合VTM的转置共轭利用离散卷积的矢量点扩展函数算法直接计算所需的输入矢量光场，最终实现光透过散射介质的快速矢量聚焦。该方法不需要复杂的傅里叶变换。通过本项目的研究，进一步完善矢量空间光调制技术，为深入研究矢量光信息的测量、表征及其在显微成像中的应用奠定实验基础。

近年来，光子作为信息载体，其新现象、新效应和新应用的探索对当前的科学研究、技术开发以及国防、经济、医学等领域产生愈来愈深远的影响。如何充分发挥光子作为信息载体的优势，光场的调控和表征起到至关重要的作用。作为传统光束调制方法的延伸，波前调制技术已经成为信息光学的一个新的研究热点，目前该项技术已经在激光及器件加工、表面等离子体激元、超分辨率成像、生物传感等领域显示出巨大的应用潜力。本项目基于波前调制技术对随机散射光场的矢量透射矩阵进行了探索和研究，结合相位奇点和偏振奇点的统计关系，定量分析了散射光场中相位奇点和偏振奇点的统计特性。研究表明同一输入位置对应的矢量透射矩阵中四个分量（标量散射光场）的相位奇点平均密度近似一致，而且近似等于同一输入位置不同偏振分量对应的偏振散射光场中C点密度的二分之一。这也与相位奇点和偏振奇点的统计关系一致。通过修正离轴干涉型全息图编码方式，提出一种产生任意矢量光场的灵活方法，该方法主要部分采用两个反射式液晶空间光调制器（RLC-SLM）和一个偏振分光棱镜组成, 可以产生所需任意复振幅分布的矢量光场，并且本方法不受光波波长与SLM的像素大小所限制。同时还成功搭建了双波长非线性偏振旋转锁模掺铒光纤激光器，其光谱由1530 nm和1558 nm处的两个峰值组成。在该项目的资助下，还对太赫兹参量振荡器和表面等离子体共振（LSPR）传感器进行了研究。设计了一种菱形环腔结构的太赫兹参量振荡器。菱形环腔结构的太赫兹参量振荡器输出的太赫兹波脉冲能量为3.21 uJ，其太赫兹波的输出能量相比传统的太赫兹参量振荡器提高了近3倍。提出了一种新型的基于四连锥形结构的局域LSPR传感器制备方法，实现了对人体内葡萄糖浓度的精确检测。此外，还对四连锥光纤(SQTF)探针的可重用性、重复性、稳定性和选择性进行了评估，以证明其在测量人体内葡萄糖含量的潜力。本项目的研究为进一步探索波前调制技术的新效应和新应用提供了一些有价值的研究思路和科学依据。