应用于超光谱成像的单晶体二次声光可调滤波技术研究

超光谱成像是国际光学领域研究的前沿课题之一。利用超光谱成像，可以获得被测目标丰富的图像信息和光谱信息，因而在众多领域具有广阔应用前景。分光技术是超光谱成像领域的研究核心之一。非共线声光可调滤波器（AOTF），可实现对输出光信号的快速电扫描，具有用于超光谱成像的优势。本项目拟研究利用一个非共线AOTF在单晶体中实现二次声光可调滤波的方法，具有光谱分辨率提高明显、光路简洁，操作方便等优点，能够为超光谱成像提供一种实用的分光技术。研究全面考虑声光晶体相关材料学特性的改进型声光作用理论；探讨单晶体二次滤波实现的参数条件，研究二次滤波光谱宽度和衍射效率随AOTF参数变化的规律；获取保障信号质量情况下提高AOTF光谱分辨率的有效方法；研究单晶体二次滤波信号的稳定性和空间分辨性能的改善方法。本项目还将建立单晶体二次声光滤波的实验平台并开展相关研究，通过结果反馈，完善AOTF的设计。

超光谱成像是国际光学领域研究的前沿课题之一。非共线声光可调滤波器（AOTF），作为分光元件，可实现对输出光信号波长的快速电扫描。非共线AOTF，它的体积小、重量轻、调谐范围宽、调谐灵活，具有用于超光谱成像的优势。光谱分辨率是非共线AOTF的重要性能指标之一。本项目提出并研究了利用一个非共线AOTF 在单晶体中实现二次声光可调滤波的方法。研究表明，单晶体二次滤波方法能够明显提高光谱分辨率，而且光路简洁、调谐方便、成本低，可为超光谱成像提供一种实用的分光新技术。具体地，从声光作用基本原理出发，研究了入射光波为右旋e光和左旋o光两种模式下的TeO2非共线AOTF的声光作用关系，获得了两种光波模式下的声光衍射效率、光谱宽度、衍射光方向等与AOTF的入射光方向、超声频率的关系，建立了单晶体声光二次滤波技术参数选择的理论基础；深入研究了单晶体二次声光滤波的原理，明确交叉光谱区的存在是单晶体二次滤波实现的必要前提；获得了存在交叉光谱区前提下单晶体二次滤波的衍射效率、光谱宽度与入射光方向、超声频率和方向等参数的关系；研究了二次滤波信号的稳定性和空间分辨性能随着超声频率、方向变化的规律，结果表明，恰当选择后置棱镜两顶角的消色散方法可以有效地提高二次滤波光信号的稳定性和空间分辨性能；研究建立了单晶体二次滤波的实验平台，测试结果表明，可见光范围内，声光衍射效率保持在较好水平，旁瓣抑制效果明显，衍射光信号的稳定性和空间分辨能力较好，光谱分辨率可达1.15nm @633.0 nm，较单次声光滤波光谱分辨率平均提高27%；结合荧光倒置显微镜，建立了基于非共线AOTF的超光谱显微成像系统，选取了植物花粉和花蕊、小鼠和人体皮肤、人体胃壁粘膜、舌体粘膜、前列腺等组织样品为被测对象，在可见光范围内获得了目标样品的超光谱图像，实验结果表明，采集到的样品各波段光谱信号较好，超光谱图像能够在微米量级上清晰分辨出样品的微观结构，研究体现了已建立的超光谱成像系统用于生物医学超光谱成像的可行性和巨大潜力。综上，通过项目组成员齐心合力、合理分工协作，完成了预期的研究任务、目标；本项目研究的单晶体二次滤波方法能够为超光谱成像提供实用、高性能的分光技术。