热光鬼成像的实用化研究

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鬼成像是一种利用光场二阶相干性进行成像的技术。不同于传统成像,鬼成像只需要用一个没有空间分辨能力的桶探测器获取来自物体的光,而具有空间分辨能力的探测器用来探测光源信息,通过二阶关联运算即可获得物体的像。由于其特殊的成像方式,以及抗空气扰动等优点,鬼成像引起了研究者的广泛关注。虽然鬼成像最初是利用自发参量下转换产生的纠缠光子对实现的,但之后人们发现用热光源同样可以实现鬼成像。与纠缠光相比,热光源更易获得,而且热光可以实现无透镜鬼成像,这些使热光鬼成像拥有了重要的应用价值和广阔的应用前景。本文的主要内容是关于热光鬼成像实用化的研究,包括以下几个方面:  ⑴利用非高斯态光场提高热光鬼成像的图像质量。与传统成像相比,鬼成像的成像质量较差,还不能达到实际应用的要求。因此,提高成像质量是促进鬼成像实用化的重要课题。本文首次从赝热光场强度涨落统计性质的角度分析,给出热光鬼成像的对比度与光强涨落程度的关系。光强涨落越剧烈,成像对比度越高。基于此,本文提出可以使用空间光调制器人为产生强度涨落更剧烈的非高斯态光场,利用这种光场进行鬼成像可以有效提高成像对比度。与传统提高成像对比度的方法相比,这种方法不会对分辨率等其他成像指标产生影响,同时简化了鬼成像光路,十分容易实现。  ⑵利用热光鬼成像演示了透射物体的光学相干层析。光学相干层析是一种获取样品三维信息的成像技术,在生物医学等方面用途广泛。已有的光学相干层析都需要探测样品的反射光,本文利用赝热光鬼成像首次实现了对透射物体的光学相干层析,通过探测样品的透射光即可获得样品的三维信息。这一方案在使用X射线等高穿透力的光源或者对弱反射样本进行光学层析时具有重要应用价值。实验中我们提出了互补鬼成像的方法,可以提高弱反射、弱吸收物体的成像信噪比,获得了高质量的物体三维图像。  ⑶实现了太阳光为光源的鬼成像实验。太阳光是自然界最易获得的真热光源,使用太阳光实现鬼成像在对地观测等方面具有重要的应用价值,但这方面的工作还未见报道。我们搭建了太阳光HBT实验和鬼成像系统,包括可以自动跟踪太阳轨迹的望远镜收集系统;以原子滤波器为核心的窄带滤波系统,获得了带宽<0.01 nm的窄带太阳光;以及单光子探测器和时间相关计数模块组成的符合测量系统。利用这一实验系统我们得到了太阳光HBT实验结果,并首次实现了太阳光为光源的鬼成像实验。
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