一种抵抗脉冲散射传输畸变的波前整形方法及系统

本发明涉及光场调控，更具体地，涉及一种抵抗脉冲散射传输畸变的波前整形方法及系统。

背景技术：

1、脉冲激光是一种特殊类型的激光，其输出以脉冲形式出现，具有高能量、高峰值功率、短脉冲宽度和高重复频率等特点。脉冲激光的产生是通过光学增益介质(例如固体激光介质、气体激光介质或液体激光介质)中的激发和受激辐射过程实现的，典型的脉冲激光器包括固体激光器、气体激光器和半导体激光器等。脉冲激光的特殊之处在于其脉冲宽度通常为纳秒或皮秒级别，甚至更短，这种非常短的脉冲宽度使得脉冲激光在很短的时间内释放出巨大的能量，从而在很小的区域内产生高峰值功率，同时极窄的脉冲宽度使得它具有对应很宽的频谱宽度，从而可携带大量的光谱信息。脉冲激光的特性使得它在生物医学相关领域中得到应用，其中典型的应用有光学成像，光学生物传感和激光治疗。

2、然而脉冲激光的散射传输畸变一直是一个长期的问题，这是因为散射介质内微观尺度上的不均匀性会对脉冲光进行随机散射。脉冲不同频谱部分携带了不同的光谱信息，各部分遇到散射时所受到的散射效应影响不一样，导致脉冲不同部分受到不同程度的信息丢失与改变，脉冲发生散射传输畸变。若脉冲经过散射介质前后携带信息发生巨大变化，则难以恢复原来的脉冲波形，影响后续的光信息提取和分析处理。

3、除此之外，脉冲的能量透过率也是一个问题：在所有能够穿透过散射介质的光中，仅仅只有很少部分的光可以不受散射的影响仍然沿直线通过，随着穿透深度的增加，弹道光子数量呈指数衰减。由于脉冲散射传输畸变的影响，当对象是一定厚度的、成分和结构复杂的活细胞或在体组织等生物样品时，光学成像会受到很大的制约，导致成像分辨率，成像深度和信噪比等图像指标方面有较大的提升空间，同时也会影响光与物质之间的相互作用，降低光学生物传感器的灵敏度、特异性、在体稳定性、抗干扰能力，引起检测误差，降低高通量光学信号的采集与处理速度，对激光能量调控的精度缺失也会影响激光应用的效果。

技术实现思路

1、本发明为克服上述现有技术所述的脉冲激光存在散射传输畸变、能量透过率低的缺陷，提供一种抵抗脉冲散射传输畸变的波前整形方法及系统。

2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

3、第一方面，一种抵抗脉冲散射传输畸变的波前整形系统，沿光路依次包括：

4、宽光谱脉冲激光源，被配置为连续出射成像光束；

5、分光光度计，被配置为对所述成像光束基于光谱分辨率进行光谱分离；

6、半波片，被配置为对所述成像光束进行偏振态调制；

7、第一光学透镜模组，被配置为对所述成像光束进行扩束；

8、第一光阑，被配置为所述成像光束进行空间滤波与阻挡；

9、偏振分束器，被配置为对所述成像光束进行分束，以得到水平偏振光束和竖直偏振光束；还被配置为对经过相位调制的所述水平偏振光束和所述竖直偏振光束进行合束，并输出合束光至散射介质；

10、空间光调制器，被配置为根据预加载的探测矩阵，对所述水平偏振光束和所述竖直偏振光束进行相位调制；

11、第一空间光探测器，被配置为捕捉所述合束光经所述散射介质传播后形成的散斑，以得到所述散斑对应的第一光强空间分布信息；

12、信号采集处理器，被配置为根据所述第一光强空间分布信息和所述探测矩阵，输出传输通道信息至所述空间光调制器，实现波前整形调制。

13、第二方面，一种抵抗脉冲散射传输畸变的波前整形方法，包括：

14、令宽光谱脉冲激光源连续出射成像光束，通过分光光度计对所述成像光束进行光谱分离后，对所述成像光束进行能量强度及偏振态的调节；

15、对经过偏振态调制后的所述成像光束进行扩束，并通过第一光阑进行空间滤波与阻挡；

16、利用偏振分束器对经空间滤波后的所述成像光束进行分束，得到水平偏振光束和竖直偏振光束；

17、通过空间光调制器根据预加载的探测矩阵对应的相位图案，分别对所述水平偏振光束和所述竖直偏振光束进行相位调制后，反射回所述偏振分束器进行合束，并输出合束光至散射介质；

18、通过第一空间光探测器捕捉所述合束光经过所述散射介质传播后形成的散斑，得到所述散斑对应的第一光强空间分布信息；

19、根据所述第一光强空间分布信息和所述探测矩阵，确定传输通道信息；

20、将所述传输通道信息以相位信息的形式加载到所述空间光调制器上，对入射脉冲不同频谱部分的波前进行整形调制。

21、与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

22、本发明公开了一种抵抗脉冲散射传输畸变的波前整形方法及系统，所述系统包括：宽光谱脉冲激光源、分光光度计、半波片、第一光学透镜模组、第一光阑、偏振分束器、空间光调制器、第一空间光探测器及信号采集处理器，利用分光光度计监测对成像光束的光谱部分进行调制，通过空间光调制器中预加载的探测矩阵以及通过所述第一空间光探测器与信号采集处理器得到的第一光强空间分布信息，确定散射介质对应的传输通道信息，进而将传输通道信息加载所述空间光调制器来实现波前整形。相较于现有技术，本发明可以降低脉冲畸变原本的光信息丢失程度，提高了光信息传输过程中的信息完整度与正确度，易于对光信息进行恢复重建，脉冲经过波前整形调制后，具有更高的能量透过率，增强了脉冲通过散射介质时对散射传输畸变的抗干扰能力，可满足一些需要高功率激光的应用场景需求。

技术特征：

1.一种抵抗脉冲散射传输畸变的波前整形系统，其特征在于，沿光路依次包括：

2.根据权利要求1所述的一种抵抗脉冲散射传输畸变的波前整形系统，其特征在于，所述宽光谱脉冲激光源与所述分光光度计间还设置有光学反射模组和第一分束器；其中，

3.根据权利要求1所述的一种抵抗脉冲散射传输畸变的波前整形系统，其特征在于，所述空间光调制器与所述散射介质间还设置有低通滤波器，以过滤高频噪声。

4.根据权利要求3所述的一种抵抗脉冲散射传输畸变的波前整形系统，其特征在于，所述低通滤波器包括第二光学透镜模组和第二光阑。

5.根据权利要求1所述的一种抵抗脉冲散射传输畸变的波前整形系统，其特征在于，所述散射介质的输入端与输出端分别设置有物镜；其中，所述散射介质的输入端处的所述物镜被配置为使所述合束光聚焦于所述散射介质内部，所述散射介质的输出端处的所述物镜被配置为收集经所述散射介质输出的散斑。

6.根据权利要求5所述的一种抵抗脉冲散射传输畸变的波前整形系统，其特征在于，所述散射介质的输出端处的所述物镜与所述第一空间光探测器间还设置有第一偏振检偏器，用于过滤非工作偏振态的未调制闲散光。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种抵抗脉冲散射传输畸变的波前整形系统，其特征在于，所述散射介质与所述偏振分束器间还设置有第二分束器，所述第二分束器被配置为将来自于所述散介质的反射光调离出主光路，并通过第二偏振检偏器过滤未被所述空间光调制器调制的所述反射光，经第二空间光探测器捕捉，生成第二光强空间分布信息。

8.一种抵抗脉冲散射传输畸变的波前整形方法，应用权利要求1-7任一项所述系统，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的一种抵抗脉冲散射传输畸变的波前整形方法，其特征在于，所述根据所述第一光强空间分布信息和所述探测矩阵，确定传输通道信息，包括：

10.根据权利要求9所述的一种抵抗脉冲散射传输畸变的波前整形方法，其特征在于，所述对所述多维传输矩阵进行奇异值分解，得到所述多维传输矩阵对应的所述传输通道信息，包括：

技术总结本发明公开了一种抵抗脉冲散射传输畸变的波前整形方法及系统，涉及光场调控领域。所述系统沿光路包括：宽光谱脉冲激光源、分光光度计、半波片、第一光学透镜模组、第一光阑、偏振分束器、空间光调制器、第一空间光探测器及信号采集处理器。相较于现有技术，本发明可以降低脉冲畸变原本的光信息丢失程度，提高了光信息传输过程中的信息完整度与正确度，易于对光信息进行恢复重建，脉冲经过波前整形调制后，具有更高的能量透过率，增强了脉冲通过散射介质时对散射传输畸变的抗干扰能力，可满足一些需要高功率激光的应用场景需求。技术研发人员：杜晋邺,沈乐成,伍代轩,王大伟受保护的技术使用者：中山大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13