黄昊翀：矿物晶体动态表征新工具：自由视场红外数字全息成像仪【CG&D，2023】

发布时间：2023-10-27       阅读：8次

多数矿物具有晶体性质，探索晶体生长机理是其研究的基础，在地球科学探索中具有重要的应用价值。传统的表征和研究实验手段都无法获得样品中重要的相位信息，例如光学显微镜和红外光谱常常难以捕捉到关键折射率信息，同时存在视野范围的普遍局限，因此迫切需要一种高分辨率的相衬检测方法来填补红外波段的空白。

针对上述问题，中国地质大学（北京）数理学院黄昊翀副教授，地质光学研究团队郑志远教授、张自力教授、高禄教授，地球科学与资源学院邱昆峰教授，中国科学院上海技术物理研究所孙德新研究员，波兰尼古拉哥白尼大学的合作者开展交叉学科研究工作，自主设计并研发了一套面向矿物晶体探测应用的红外波数字全息成像仪器，并构建了高精度自由视场探测方案与算法。通过这种方法，在红外波段中可以获得稳态分辨率目标的相位特征，包括中国地质大学（北京）缩写“CUGB”相位字样，云母片岩、白云岩，氯化钠、硫酸铜结晶过程等，实现了对样品在红外波段的“全息”真三维照相。

该论文的主要工作可以分为以下几个部分：

1. 自由视场红外数字全息成像系统和算法：本论文提出了一种自由视场方案，该方案通过位移样品捕捉子全息图像，从而扩大了系统的视场，可用于静态和动态的晶体样品观察。与传统方法相比，该方法在不改变探测硬件关键参数的情况下，实现了对系统视场的调整，从而提高了成像效果，该技术的一个显著特点是可以实现像素视场从120万至5500万像素的自由扩展切换。

2. 抗振误差抑制优化方法：针对实验中的振动误差问题，理论分析了振动误差的影响，从而提高成像质量。利用强度配准算法和位移误差消除算法，通过重叠区域的优化设计，实现了子全息图像的边缘误差和亚像素位移校准，减小了样品位移和光照均匀性误差对成像结果的影响。

3.红外全息动态结晶检测：利用红外全息术获取样品的幅度和相位信息，验证了该方法在不同类型样品上的可行性，并应用于多个成像应用领域，包括振幅型分辨率板和相位型物体的成像，静态矿物云切片的观察以及动态结晶过程的监测。通过这些成像技术，能够获取更多的视觉信息，并通过相位定量分析来准确获取结晶过程中的形态、浓度和特征变化。这些实验证明了自由视场方案在红外数字全息成像中的有效性和优越性。

自由视场红外数字全息对于观测晶体具有明显优势，它不仅可以捕捉样品的二维振幅信息，还能获取三维相位信号，从而增强对样品的视觉检测能力。当样品尺寸发生变化时，此方法可以自由调整视场大小以获取更多信息。面向时间变化的目标，该成像系统可以对其进行动态实时监测。尤其是在传统检测技术的盲区，通过相位分布可以获取更丰富的指针信息。这种大视场和高分辨率的相干探测方法在晶体学和矿物材料的表征研究中展现出重要价值，是一种有效的技术工具。

图1 封面设计---红外、全息、结晶

图2 自由视场红外数字全息成像系统与原理图

图3 中国地质大学（北京）英文缩写相位型样品成像结果

图4 结晶过程的红外全息动态成像结果

本项工作受到国家自然科学基金(61805214)、红外物理国家重点实验室开放基金(SITP-NLIST-YB-2022-12)、航天宏图遥感学科交叉研究项目(HTHT202202)、中央高校基本科研业务费-优秀青年教师创新交叉团队建设项目(2-9-2022-203, 2652019107, 2652020032)、北京市科协青年人才托举工程项目(BYESS2020037)的联合资助，成果发表在国际权威期刊《Crystal Growth & Design》上并被选为内封面文章：Haochong Huang^*, Enhui Yuan^#, Dongshun Zhang^#, Dexin Sun^*, Meihui Yang, Zhiyuan Zheng, Zili Zhang, Lu Gao, Spozmai Panezai, Kunfeng Qiu, 2023. Free field of view infrared digital holography for mineral crystallization. Crystal Growth & Design. [IF = 3.8，2023]

DOI：10.1021/acs.cgd.3c00780

全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.cgd.3c00780