【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及太赫兹成像领域，更具体地涉及一种太赫兹全息荧光成像系统及方法。
技术介绍
1、太赫兹(thz)波，在电磁频谱中位于微波和红外光之间，处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段,覆盖半导体以及等离子体的特征能量、有机和生物分子的转动和振动能量。太赫兹波具有高穿透性、低能量性、指纹光谱等独特性质，这些属性使得太赫兹成像技术在国家安全、智能通讯和生物医学等多学科前沿领域具有潜在的应用价值。
2、尽管太赫兹具有重要的应用价值，但是太赫兹成像技术一直是太赫兹领域的难题。当前太赫兹成像技术根据探测器类型可以分为两类：第一种方法是用太赫兹探测器，通常包括热探测器、光电探测器、量子探测器、场效应管探测器、石墨烯探测器等，直接探测太赫兹辐射的方法；第二种方法是基于原子无线传感的方法。
3、其中，第一种方法需要专用的太赫兹探测设备，如迈克尔逊干涉仪、热电堆等热探测器响应时间长，如光导天线、微波光子探测器等光电探测器和如超导探测器、量子级联探测器等量子探测器需要极低的工作温度且该类设备工艺复杂制造成本高，场效应管探测器和石墨烯探测器则面临噪声水平高、温度和环境稳定性差、制造成本高等问题。
4、第二种方法是基于原子无线传感技术的方法，其可将太赫兹光转化为可见光成像，因此可采用可见光相机成像，该方法具有许多优点：1、可进行远场成像；2、成像速率快；3、灵敏度高可对微弱太赫兹场成像。
5、然而，基于原子无线传感技术的太赫兹成像方法目前尚无已报道的获取待成像物体相位信息的方法，因而无法做到对待成像物体的
6、为了基于原子无线传感技术实现太赫兹全息成像，有必要提出一种太赫兹全息荧光成像系统及方法。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种太赫兹全息荧光成像系统及方法，以实现高速、高灵敏度的太赫兹全息成像。
2、基于上述目的，本专利技术提供一种太赫兹全息荧光成像系统，包括沿光路的走向依次排布的太赫兹源、太赫兹波分束模块、太赫兹波合束模块、其中原子受激跃迁至里德堡态的原子气室、和图像采集模块，所述图像采集模块与数据处理模块通信连接；太赫兹波分束模块和太赫兹波合束模块之间设有间隔开的探测光光路和参考光光路、在探测光光路上的固定待成像物体的样品台和太赫兹波第一衰减器，在参考光光路上的可移除挡光件和太赫兹波第二衰减器、位于探测光光路和参考光光路中的一个上的太赫兹波延迟模块。
3、所述太赫兹源和太赫兹波分束模块之间设有太赫兹波整形模块，所述太赫兹整形模块包括太赫兹准直透镜、扩束装置和第一太赫兹偏振片，所述太赫兹源位于所述太赫兹准直透镜的焦点处，所述太赫兹源发射的太赫兹波经过所述太赫兹准直透镜准直后透过所述扩束装置，所述扩束装置将所述太赫兹波扩束后通过第一太赫兹偏振片转化成线偏振光。
4、所述太赫兹波第一衰减器和太赫兹波第二衰减器均包括太赫兹波偏振片和太赫兹波衰减片中的至少一种。
5、所述太赫兹波第一衰减模块包括第二太赫兹偏振片和第三太赫兹偏振片，其中第二太赫兹偏振片的偏振方向可调，第三太赫兹偏振片的偏振方向固定与第一太赫兹偏振片的偏振方向一致；所述太赫兹波第二衰减模块包括第四太赫兹偏振片、第五太赫兹偏振片，其中第四太赫兹偏振片的偏振方向可调，而第五太赫兹偏振片的偏振方向固定与第一太赫兹偏振片的偏振方向一致。
6、所述原子气室的上游还设有激光模块，所述激光模块包括第一激光器、第二激光器和第三激光器，所述第一激光器用于产生第一波长的第一激光，所述第一激光将原子由基态激发至第一跃迁态；所述第二激光器用于产生第二波长的第二激光，所述第二激光将原子激发至第二跃迁态；所述第三激光器用于产生第三波长的第三激光；所述第三激光将原子激发至里德堡态下能级；所述原子气室设置为在接收到太赫兹波时，通过太赫兹波将原子激发至里德堡态上能级，进而退激到第一跃迁态并辐射出可见荧光。
7、所述原子气室和激光模块之间设有激光整形模块，所述激光整形模块包括第一整形装置、第一分束镜和第二整形装置，所述第一激光器、所述第二激光器、所述第一整形装置和所述第一分束镜均位于所述原子气室的第一侧，所述第三激光器和所述第二整形装置均位于所述原子气室的第二侧；所述第一激光器、所述第一分束镜和所述第一整形装置沿所述第一激光光路依次设置，所述第二激光器、所述第一分束镜和所述第一整形装置沿第二激光光路依次设置，所述第三激光器和所述第二整形装置沿第三激光光路依次设置。
8、所述第一整形装置和所述第二整形装置均包括依次设置的棱镜对和柱透镜组，以将激光整形为光强分布均匀的薄片状，并使激光沿垂直于所述太赫兹波的传输方向照射至所述原子气室。
9、所述太赫兹全息荧光成像系统满足以下各项中的至少一项：
10、a1)在太赫兹波合束模块和原子气室之间设有太赫兹聚焦模块，太赫兹聚焦模块包括成像透镜组，所述成像透镜组包含太赫兹凸透镜和太赫兹凹透镜；
11、a2)在探测光光路和参考光光路中的一个上设有太赫兹波传输模块；
12、a3)所述可移除挡光件为电子光阑，电子光阑为斩波器；
13、a4)所述太赫兹波延迟模块包括声光调制器、反射镜、平面透镜、微电机系统中的一种。
14、另一方面，本专利技术提供一种太赫兹全息荧光成像方法，其采用如上文所述的太赫兹全息荧光成像系统实现，包括以下步骤：
15、s100，启动所述太赫兹源，并使得所述原子气室中的原子受激跃迁至里德堡态；
16、s200，调节太赫兹波第一衰减模块，使得所述探测光强度衰减至0；将可移除挡光件移出光路，使得仅所述参考光通过太赫兹波合束模块入射所述原子气室；调节太赫兹波第二衰减模块以衰减所述参考光的强度，直到所述参考光的强度远离所述原子气室饱和吸收对应的太赫兹波入射强度；利用图像采集模块和所述数据处理模块采集所述原子气室产生的荧光并处理得到参考光的相对强度，作为标定强度；
17、s300，将可移除挡光件移入光路，使得所述原子气室屏蔽所述参考光而仅入射所述探测光；调节太赫兹波第一衰减模块，直至利用图像采集模块和所述数据处理模块采集和处理得到的探测光的相对强度与s200中的标定强度相近；
18、s400，将可移除挡光件移出光路，使得所述探测光和所述参考光经过所述太赫兹波合束模块同时入射所述原子气室；调节所述太赫兹波延迟模块以使得所述探测光和所述参考光最大程度相干相消；
19、s500，将可移除挡光件移入光路，固定待成像物体于所述样品台，使得所述探测光反射或透射待成像物体后携带成像信息；利用所述图像采集模块采集仅包含待成像物体强度信息的荧光图像；
20、s600，将可移除挡光件移出光路，使得携带成像信息的探测光和所述参考光入射所述原子气室并发生干涉；利用所述图像采集模块采集包含待成像物体相位信息的荧光图像；
21、s700，利用所述数据处理模块对比计算s500和s600的荧光图像，以得到本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种太赫兹全息荧光成像系统，其特征在于，包括沿光路的走向依次排布的太赫兹源、太赫兹波分束模块、太赫兹波合束模块、其中原子受激跃迁至里德堡态的原子气室、和图像采集模块，所述图像采集模块与数据处理模块通信连接；
2.根据权利要求1所述的太赫兹全息荧光成像系统，其特征在于，所述太赫兹源和太赫兹波分束模块之间设有太赫兹波整形模块，所述太赫兹整形模块包括太赫兹准直透镜、扩束装置和第一太赫兹偏振片，所述太赫兹源位于所述太赫兹准直透镜的焦点处，所述太赫兹源发射的太赫兹波经过所述太赫兹准直透镜准直后透过所述扩束装置，所述扩束装置将所述太赫兹波扩束后通过第一太赫兹偏振片转化成线偏振光。
3.根据权利要求2所述的太赫兹全息荧光成像系统，其特征在于，所述太赫兹波第一衰减器和太赫兹波第二衰减器均包括太赫兹波偏振片和太赫兹波衰减片中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的太赫兹全息荧光成像系统，其特征在于，所述太赫兹波第一衰减模块包括第二太赫兹偏振片和第三太赫兹偏振片，其中第二太赫兹偏振片的偏振方向可调，第三太赫兹偏振片的偏振方向固定与第一太赫兹偏振片的偏振方向一致；
5.根据权利要求1所述的太赫兹全息荧光成像系统，其特征在于，所述原子气室的上游还设有激光模块，所述激光模块包括第一激光器、第二激光器和第三激光器，所述第一激光器用于产生第一波长的第一激光，所述第一激光将原子由基态激发至第一跃迁态；所述第二激光器用于产生第二波长的第二激光，所述第二激光将原子激发至第二跃迁态；所述第三激光器用于产生第三波长的第三激光；所述第三激光将原子激发至里德堡态下能级；所述原子气室设置为在接收到太赫兹波时，通过太赫兹波将原子激发至里德堡态上能级，进而退激到第一跃迁态并辐射出可见荧光。
6.根据权利要求5所述的太赫兹全息荧光成像系统，其特征在于，所述原子气室和激光模块之间设有激光整形模块，所述激光整形模块包括第一整形装置、第一分束镜和第二整形装置，所述第一激光器、所述第二激光器、所述第一整形装置和所述第一分束镜均位于所述原子气室的第一侧，所述第三激光器和所述第二整形装置均位于所述原子气室的第二侧；所述第一激光器、所述第一分束镜和所述第一整形装置沿所述第一激光光路依次设置，所述第二激光器、所述第一分束镜和所述第一整形装置沿第二激光光路依次设置，所述第三激光器和所述第二整形装置沿第三激光光路依次设置。
7.根据权利要求6所述的太赫兹全息荧光成像系统，其特征在于，所述第一整形装置和所述第二整形装置均包括依次设置的棱镜对和柱透镜组，以将激光整形为光强分布均匀的薄片状，并使激光沿垂直于所述太赫兹波的传输方向照射至所述原子气室。
8.根据权利要求1所述的太赫兹全息荧光成像系统，其特征在于，太赫兹全息荧光成像系统满足以下各项中的至少一项：
9.一种太赫兹全息荧光成像方法，其特征在于，其采用如权利要求1-8中任一项所述的太赫兹全息荧光成像系统实现，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种太赫兹全息荧光成像系统，其特征在于，包括沿光路的走向依次排布的太赫兹源、太赫兹波分束模块、太赫兹波合束模块、其中原子受激跃迁至里德堡态的原子气室、和图像采集模块，所述图像采集模块与数据处理模块通信连接；
2.根据权利要求1所述的太赫兹全息荧光成像系统，其特征在于，所述太赫兹源和太赫兹波分束模块之间设有太赫兹波整形模块，所述太赫兹整形模块包括太赫兹准直透镜、扩束装置和第一太赫兹偏振片，所述太赫兹源位于所述太赫兹准直透镜的焦点处，所述太赫兹源发射的太赫兹波经过所述太赫兹准直透镜准直后透过所述扩束装置，所述扩束装置将所述太赫兹波扩束后通过第一太赫兹偏振片转化成线偏振光。
3.根据权利要求2所述的太赫兹全息荧光成像系统，其特征在于，所述太赫兹波第一衰减器和太赫兹波第二衰减器均包括太赫兹波偏振片和太赫兹波衰减片中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的太赫兹全息荧光成像系统，其特征在于，所述太赫兹波第一衰减模块包括第二太赫兹偏振片和第三太赫兹偏振片，其中第二太赫兹偏振片的偏振方向可调，第三太赫兹偏振片的偏振方向固定与第一太赫兹偏振片的偏振方向一致；
5.根据权利要求1所述的太赫兹全息荧光成像系统，其特征在于，所述原子气室的上游还设有激光模块，所述激光模块包括第一激光器、第二激光器和第三激光器，所述第一激光器用于产生第一波长的第一激光，所述第一激光将原子由基态激发至第一跃迁态；所述第二激光器用于产生第二波长的第...
【专利技术属性】
技术研发人员：万钧，张开庆，李显喆，张斌，邓海啸，
申请(专利权)人：中国科学院上海高等研究院，
类型：发明
国别省市：
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