專利名稱：一種基于超短脈沖色散整形和分幅技術(shù)的超高速光學成像系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超快光學和瞬態(tài)成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有皮秒甚至飛秒的時 間分辨率的基于超短脈沖色散整形和分幅技術(shù)的超高速的光學成像系統(tǒng)和光學成像方法。
背景技術(shù)：
極高速光學成像技術(shù)在許多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用，例如極速飛片技術(shù)、Z-Pinch炸磁 箍縮和可變比沖磁等離子體火箭等極端條件下的科學研究。這些瞬態(tài)光學過程具有高達 50 100km/S的飛逸速度，需要100皮秒量級的分幅時間，需要在5 10納秒的關(guān)鍵過程 時間里得到10 20幅高時間分辨的圖像，相應(yīng)的攝影頻率要求達到IOkiPPS IO11PPS (幅 /秒)。在現(xiàn)有的技術(shù)中，轉(zhuǎn)鏡高速成像技術(shù)主要的攝影頻率在IO6PPs IO7PPs (幅/秒) 范圍。結(jié)合光學加速、網(wǎng)絡(luò)攝影等技術(shù)也只能達到IO9PPs(幅/秒)量級。變像管技術(shù)具 有波長轉(zhuǎn)換、弱光成像的優(yōu)勢，但其成像的空間帶寬積和畫幅數(shù)量受到電子光學成像系統(tǒng) 和電子偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)本身的限制，輔之以像分解技術(shù)可將攝影頻率提高到109pps。隨著超短脈 沖激光技術(shù)的迅速發(fā)展，飛秒時間分辨的超快全息成像技術(shù)得到飛速發(fā)展。振幅分光方位 角編碼的超短脈沖全息技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)分幅時間達0. 3皮秒的超高速成像。利用波前分光方 位角編碼的超快全息技術(shù)也成功得到了 4幅皮秒量級分幅間隔的水和CS2非線性變化過程 的圖像。另外還出現(xiàn)了波長編碼以及偏振編碼等技術(shù)，但這些技術(shù)難以獲得十幅以上高時 間分辨的光學圖像。因此，對于皮秒級極高速光學成像，高時間分辨、高空間帶寬積、高分幅 頻率以及高數(shù)量圖像拍攝幅數(shù)都是至關(guān)重要的技術(shù)參數(shù)。雖然超快光學技術(shù)可以獲得高時 間分辨的光學圖像，但如果還要同時滿足高空間帶寬積、高分幅頻率和超過十幅的多幅成 像還是面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有皮秒甚至飛秒時間分辨率的超高速的光學成像 裝置和光學成像方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種光學成像系統(tǒng)，包括飛秒激光振蕩器、超短子脈沖串產(chǎn)生器、飛秒激光放大 器、光學擴束系統(tǒng)、無焦光學系統(tǒng)、波長分幅光學系統(tǒng)、多個圖像記錄系統(tǒng)；飛秒激光振蕩器 用于輸出飛秒、寬帶的激光脈沖；超短子脈沖串產(chǎn)生器用于將每個脈沖變成一組子脈沖串； 飛秒激光放大器用于放大每個子脈沖；光學擴束系統(tǒng)用于對放大后的子脈沖進行準直擴 束；經(jīng)過準直擴束后的子脈沖投射到待測物體上，從待測物體透射或反射后的子脈沖經(jīng)過 無焦光學系統(tǒng)后進入波長分幅光學系統(tǒng)；波長分幅光學系統(tǒng)用于使載有不同時刻物體信息 的子脈沖沿不同的方向傳播；位于多個不同位置的圖像記錄系統(tǒng)相應(yīng)接收不同方向的子脈 沖。所述的光學成像系統(tǒng)，其中，還包括設(shè)置在光學成像系統(tǒng)內(nèi)的用于改變光路方向的平面鏡，例如第一平面鏡和第二平面鏡，第一平面鏡設(shè)置在超短子脈沖串產(chǎn)生器和飛秒 激光放大器之間，第二平面鏡設(shè)置在飛秒激光放大器和光學擴束系統(tǒng)之間，第一平面鏡和 第二平面鏡都是用于改變光路。所述的光學成像系統(tǒng)，其中，超短子脈沖串產(chǎn)生器包括第一布儒斯特角棱鏡、第二 布儒斯特角棱鏡、多縫光闌、由多個反射鏡單元組成的反射鏡陣列，脈沖通過第一布儒斯特 角棱鏡后變成一組子脈沖串，第二布儒斯特角棱鏡用于對子脈沖串進行準直，多縫光闌垂 直于子脈沖的傳輸方向放置，反射鏡陣列垂直于通過多縫光闌后的各個子脈沖的傳輸方向 放置，并且各反射鏡單元具有不同的軸向位置。所述的光學成像系統(tǒng)，其中，超短子脈沖串產(chǎn)生器包括第一色散光柵、第二色散光 柵、多縫光闌、由多個反射鏡單元組成的反射鏡陣列，脈沖通過第二色散光柵后變成一組子 脈沖串，第二色散光柵用于對子脈沖串進行準直，多縫光闌垂直于子脈沖的傳輸方向放置， 反射鏡陣列垂直于通過多縫光闌后的各個子脈沖的傳輸方向放置，并且各反射鏡單元具有 不同的軸向位置。所述的光學成像系統(tǒng)，其中，用一個階梯反射鏡代替反射鏡列陣。所述的光學成像系統(tǒng)，其中，飛秒激光放大器是寬帶再生放大器或多通放大器。
所述的光學成像系統(tǒng)，其中，波長分幅光學系統(tǒng)包括第一脈沖色散器，第一脈沖色 散器包括第一光柵和第二光柵，第一光柵用于使子脈沖產(chǎn)生角色散，第二光柵用于對角色 散后的子脈沖進行準直。兩光柵相互并行放置，此兩光束我們成為光柵對。所述的光學成像系統(tǒng)，其中，波長分幅光學系統(tǒng)還包括第二脈沖色散器，第二脈沖 色散器和第一脈沖色散器是鏡像對稱的，第二脈沖色散器包括第三光柵和第四光柵(它們 也構(gòu)成光柵對)。所述的光學成像系統(tǒng)，其中，分別用一系列同參數(shù)的小光柵取代第二光柵、第三光 柵、第四光柵。取代第二光柵的小光柵相互間平行放置。這些小光柵分別與第一光柵構(gòu)成 光柵對。取代第三光柵的小光柵相互間平行放置，取代第四光柵的小光柵相互間平行放置。 取代第三光柵的小光柵與取代第四光柵的小光柵之間分別一一對應(yīng)構(gòu)成各自的光柵對。所述的光學成像系統(tǒng)，其中，各光柵對內(nèi)部還可置有開普勒望遠鏡系統(tǒng)，此時構(gòu)成 光柵對的兩光柵應(yīng)反平行放置。所述的光學成像系統(tǒng)，其中，波長分幅光學系統(tǒng)還包括一些平面反射鏡用于改變 光路方向。所述的光學成像系統(tǒng)，其中，各圖像記錄系統(tǒng)所在平面與待測物體所在平面是物 象共軛關(guān)系。一種光學成像方法，包括輸出飛秒激光脈沖串；將每個脈沖變成一組子脈沖串； 放大每個子脈沖；對放大后的子脈沖進行準直擴束；將經(jīng)過準直擴束后的子脈沖投射到待 測物體上；使載有不同時刻物體信息的子脈沖沿不同的方向傳播；接收并記錄不同方向的 子脈沖。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明通過采用對寬帶飛秒脈沖整形將每個脈沖變成一組子 脈沖串，這些子脈沖串具有不同的時間頻率但在空間上是完全重合的。這些子脈沖在不同 時刻經(jīng)過同一地點的物體，即可實現(xiàn)對物體的不同時刻進行成像。因此，本發(fā)明能實現(xiàn)具有 皮秒甚至飛秒時間分辨率的超高速光學成像。
圖1是本發(fā)明光學成像系統(tǒng)的示意圖。圖2是圖1中超短子脈沖串產(chǎn)生器第一實施方式的示意圖。圖3是圖1中超短子脈沖串產(chǎn)生器第二實施方式的示意圖。圖4是圖1中波長分幅光學系統(tǒng)第一實施方式的示意圖。圖5是圖1中波長分幅光學系統(tǒng)第二實施方式的示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對 本發(fā)明進一步詳細說明。本發(fā)明提出了一種基于啁啾脈沖整形和空間色散技術(shù)的極高速光學成像技術(shù)，利 用超短激光脈沖的時間整形技術(shù)產(chǎn)生空間傳輸方向重合的不同波長的脈沖序列。該序列 的子脈沖寬度為皮秒甚至飛秒量級，而脈沖間隔可以從幾十皮秒調(diào)整到納秒級(視需要而 定)，所以可用于皮秒時間分辨的幾十皮秒到幾十納秒過程的多幅圖像記錄。請參閱圖1，本發(fā)明的光學成像系統(tǒng)包括飛秒激光振蕩器11、超短子脈沖串產(chǎn)生 器12、第一平面鏡13、飛秒激光放大器14、第二平面鏡15、光學擴束系統(tǒng)16、無焦光學系統(tǒng) 17、波長分幅光學系統(tǒng)18、多個圖像記錄系統(tǒng)19。其中，第一平面鏡13和第二平面鏡15不 是必須的，只是用于改變光路布局，以減小整個光學成像系統(tǒng)的體積。飛秒激光振蕩器11用于輸出飛秒激光脈沖串。飛秒激光振蕩器11具有較寬的輸 出帶寬(一般大于20納米)和較大的脈沖能量(不小于2. 0納焦耳)，以便后續(xù)的脈沖整 形和放大。例如可采用Ti =Sapphire飛秒激光振蕩器，其輸出的飛秒激光脈沖中心波長為 800納米，一般時間為幾十飛秒，光譜帶寬為幾十納米。超短子脈沖串產(chǎn)生器12的作用是使每個脈沖變成一組子脈沖串(例如N個子脈 沖)，且每個子脈沖的中心波長是不同的。每個子脈沖的寬度和彼此之間的時間延遲決定于 超短子脈沖串產(chǎn)生器12的設(shè)計參數(shù)。子脈沖的寬度可以從飛秒到皮秒量級，而子脈沖之間 的時間延遲可以為幾十皮秒到納秒量級。實現(xiàn)這個功能的超短子脈沖串產(chǎn)生器12可由傳 統(tǒng)的棱鏡對整形器或光柵對整形器改制而成。請參閱圖2，本發(fā)明的第一實施方式的超短子脈沖串產(chǎn)生器包括第一布儒斯特角 棱鏡21、第二布儒斯特角棱鏡22、多縫光闌23、反射鏡列陣24。脈沖通過第一布儒斯特角棱鏡21產(chǎn)生角色散，傳輸一段距離后，被另一個相同光 學材料的第二布儒斯特角棱鏡22準直。這樣平行出射的不同波長的子脈沖在空間上是分 開的。分開的程度取決于兩個棱鏡的距離和棱鏡的光學材料。在第二布儒斯特角棱鏡22的 后面垂直于子脈沖傳輸方向放置一個多縫光闌23，縫的數(shù)量由所需要的子脈沖數(shù)決定，縫 的寬度則決定子脈沖的光譜寬度，而縫的間隔決定子脈沖間的中心波長間隔。于是在多縫 光闌23后就有N束子脈沖，這N束子脈沖具有不同的中心波長。這些子脈沖隨后被各自對 應(yīng)的反射鏡24反射，原路返回。在超短子脈沖串產(chǎn)生器12的輸出端形成空間傳輸方向重 合的子脈沖序列，各子脈沖的時間間隔由各自對應(yīng)的反射鏡列陣24單元的時間延遲決定。 顯然，調(diào)節(jié)各個反射鏡24單元沿光軸方向的位置就基本上決定了各個子脈沖間的相對時間間隔，當然也與棱鏡對或光柵對的群速度色散有關(guān)。子脈沖的寬度主要取決于各個子脈 沖的光譜寬度以及棱鏡對的群速度色散。多縫光闌23的作用是用于限制各個子脈沖的光 譜寬度和位置。在脈沖延遲量固定的應(yīng)用場合，多個反射鏡24可由一個階梯反射鏡代替。請參閱圖3，第二實施方式的超短子脈沖串產(chǎn)生器的結(jié)構(gòu)與第一實施方式的超短 子脈沖串產(chǎn)生器的結(jié)構(gòu)基本相同，二者的區(qū)別是角色散的產(chǎn)生和準直由光柵對(第一色散 光柵31和第二色散光柵32)來完成。光柵對整形器由于具有較大的色散能力，比較容易讓 光譜在空間上實現(xiàn)較大程度的分離。例如選擇高密度光柵(1700線/mm)以及適當?shù)墓鈻?間距，可使通過在多縫光闌23處的光譜橫向空間分布線度達到30cm左右。因此通過設(shè)計 適當?shù)亩嗫p光闌23，就可得到十幾個脈沖寬度為皮秒或飛秒的子脈沖。這些子脈沖之間的 時間間距調(diào)節(jié)范圍可以從皮秒級到幾百皮秒級。從超短子脈沖串產(chǎn)生器12輸出的子脈沖串在空間上是完全重合的。將這些子脈 沖通過第一平面鏡13的反射，作為種子注入到飛秒激光放大器14中，將每個子脈沖放大到 百微焦耳水平是現(xiàn)實可行的。飛秒激光放大器14的工作介質(zhì)需與飛秒激光振蕩器11匹配。 例如對于中心波長為SOOnm的Ti =Sapphire飛秒激光振蕩器，可以采用寬帶再生放大器或 多通放大器。放大后的子脈沖通過第二平面鏡15反射后進入光學擴束系統(tǒng)16進行準直擴束， 然后投射到待測物體10上。從待測物體10透射或反射后的子脈沖就攜帶了物體的結(jié)構(gòu)信 息。由于其空間分布是完全重合的，這些具有不同中心波長的脈沖在不同時刻經(jīng)過同一地 點的物體，即可對物體的不同時刻進行成像。子脈沖的寬度決定成像的時間分辨率，子脈沖 的間隔決定分幅時間，而子脈沖數(shù)則等于拍攝幅數(shù)。待測物體10后面的無焦光學系統(tǒng)17是用于控制入射到后續(xù)波長分幅光學系統(tǒng)18 的光斑尺寸。波長分幅光學系統(tǒng)18的作用是使載有不同時刻物體信息的子脈沖沿不同的方向 傳播，從而可以被不同位置的圖像記錄系統(tǒng)19接收，但是不能破壞光波所載有的物體信 息。為了減少損耗，同時使整個裝置盡量緊湊，本發(fā)明采用一組光柵達到不同波長脈沖空間 分割的目的。由于光束單次通過色散光柵和準直光柵會產(chǎn)生像散效應(yīng)，本發(fā)明借助于對稱 的光柵對脈沖色散器來消除像散。請參閱圖4，第一實施方式的波長分幅光學系統(tǒng)包括第一脈沖色散器和第二脈沖 色散器，第一脈沖色散器和第二脈沖色散器是鏡像對稱的。第一光柵41和第二光柵42構(gòu) 成第一脈沖色散器，第三光柵43和第四光柵44構(gòu)成第二脈沖色散器。所有的子脈沖都入 射到第一光柵41上，不同的子脈沖由于波長不同，衍射方向各不相同(圖中僅示意了兩個 子脈沖的情況)。第二光柵42對第一光柵41產(chǎn)生的角色散進行準直。第三光柵43和第四 光柵44與第二光柵42和第一光柵41是鏡像對稱的，因此脈沖經(jīng)過這四塊光柵在光學上等 價于脈沖經(jīng)第一光柵41與第二光柵42后被0°反射鏡原路返回。第一光柵41和第二光柵42是平行放置的。如果第一光柵41和第二光柵42之間 有開普勒望遠鏡系統(tǒng)，則第一光柵41和第二光柵42應(yīng)為反平行放置。請參閱圖5，為了在空間上截取方便和記錄，可將圖4中的第二光柵42用一系列同 參數(shù)的小光柵取代(例如圖5中的光柵42'和42")。小光柵的數(shù)量根據(jù)子脈沖數(shù)的需要 而定。這些小光柵相互間平行放置，但與光柵41的間距可視需要而定。這樣圖4中的第三光柵43第四光柵44構(gòu)成的鏡像結(jié)構(gòu)在圖5中也需要有相應(yīng)的多個鏡像結(jié)構(gòu)(例如圖5中 的光柵43'和44'、光柵43"和44")。這樣不同的子脈沖就可在空間上區(qū)分開來，且不 引入像散。圖5中第三平面鏡51和第四平面鏡52的作用僅僅是改變光路的方向。最后， 各子脈沖被各自對應(yīng)的圖像記錄系統(tǒng)19 (可以是高靈敏的CCD器件或膠卷)記錄。這里各 個圖像記錄系統(tǒng)19的表面與待測物體成共軛物象關(guān)系。本發(fā)明的光學成像系統(tǒng)中加入的反射、折射光學元件的作用僅僅是改變光的傳輸 方向。相比以往的高速成像技術(shù)，本發(fā)明具有下列特點1)高時間分辨率的多幅成像。其時間分辨率可以達到皮秒(甚至亞皮秒量級)， 分幅頻率可以達到IOkiPPS以上，幅數(shù)可大于10幅。2)此分幅技術(shù)原理上無像差。利用不同的波長對超快過程的不同時刻成像，并利 用色散元件實現(xiàn)不同時刻成像的空間分離，方便圖像記錄系統(tǒng)19接收，也使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更 加緊湊。3)整個系統(tǒng)工作過程中沒有運動部件，簡化了系統(tǒng)的機械和光學設(shè)計，且穩(wěn)定性 好。4)利用光程差來控制各子脈沖之間的相對時間延遲，精度高，穩(wěn)定性好。5)將傳統(tǒng)的光柵/棱鏡脈沖整形器和反射鏡24列陣結(jié)合，可方便地調(diào)節(jié)脈沖之間 的相對時間延遲，使得該系統(tǒng)工作范圍靈活可調(diào)。6)采用先整形后放大的光源系統(tǒng)設(shè)計，使得每個激光子脈沖具有足夠的脈沖能量 用于光學成像。應(yīng)當理解的是，本發(fā)明的應(yīng)用不限于上述的舉例，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，根 據(jù)上述說明所作的無原理性的改進或變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
一種光學成像系統(tǒng)，其特征在于，包括飛秒激光振蕩器、超短子脈沖串產(chǎn)生器、飛秒激光放大器、光學擴束系統(tǒng)、無焦光學系統(tǒng)、波長分幅光學系統(tǒng)、多個圖像記錄系統(tǒng)；飛秒激光振蕩器用于輸出飛秒、寬帶的激光脈沖；超短子脈沖串產(chǎn)生器用于將每個脈沖變成一組子脈沖串；飛秒激光放大器用于放大每個子脈沖；光學擴束系統(tǒng)用于對放大后的子脈沖進行準直擴束；經(jīng)過準直擴束后的子脈沖投射到待測物體上，從待測物體透射或反射后的子脈沖經(jīng)過無焦光學系統(tǒng)后進入波長分幅光學系統(tǒng)；波長分幅光學系統(tǒng)用于使載有不同時刻物體信息的子脈沖沿不同的方向傳播；位于多個不同位置的圖像記錄系統(tǒng)相應(yīng)接收不同方向的子脈沖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學成像系統(tǒng)，其特征在于，還包括設(shè)置在光學成像系統(tǒng)內(nèi) 的用于改變光路方向的平面鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學成像系統(tǒng)，其特征在于，超短子脈沖串產(chǎn)生器包括第一 布儒斯特角棱鏡、第二布儒斯特角棱鏡、多縫光闌、由多個反射鏡單元組成的反射鏡陣列， 脈沖通過第一布儒斯特角棱鏡后變成一組子脈沖串，第二布儒斯特角棱鏡用于對子脈沖串 進行準直，多縫光闌垂直于子脈沖的傳輸方向放置，反射鏡陣列垂直于通過多縫光闌后的 各個子脈沖的傳輸方向放置，并且各反射鏡單元具有不同的軸向位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學成像系統(tǒng)，其特征在于，超短子脈沖串產(chǎn)生器包括第一 色散光柵、第二色散光柵、多縫光闌、由多個反射鏡單元組成的反射鏡陣列，脈沖通過第二 色散光柵后變成一組子脈沖串，第二色散光柵用于對子脈沖串進行準直，多縫光闌垂直于 子脈沖的傳輸方向放置，反射鏡陣列垂直于通過多縫光闌后的各個子脈沖的傳輸方向放 置，并且各反射鏡單元具有不同的軸向位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光學成像系統(tǒng)，其特征在于，用一個階梯反射鏡代替反射 鏡列陣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學成像系統(tǒng)，其特征在于，飛秒激光放大器是寬帶再生放 大器或多通放大器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學成像系統(tǒng)，其特征在于，波長分幅光學系統(tǒng)包括第一脈 沖色散器，第一脈沖色散器包括第一光柵和第二光柵，第一光柵和第二光柵相互平行放置， 第一光柵用于使子脈沖產(chǎn)生角色散，第二光柵用于對角色散后的子脈沖進行準直。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學成像系統(tǒng)，其特征在于，第一光柵和第二光柵之間還設(shè) 置有開普勒望遠鏡系統(tǒng)，此時第一光柵和第二光柵呈反平行放置。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學成像系統(tǒng)，其特征在于，波長分幅光學系統(tǒng)還包括第二 脈沖色散器，第二脈沖色散器和第一脈沖色散器是鏡像對稱的，第二脈沖色散器包括第三 光柵和第四光柵。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學成像系統(tǒng)，其特征在于，第二光柵、第三光柵、第四光柵 分別用一系列同參數(shù)的小光柵取代，且各組內(nèi)每塊小光柵相互平行放置。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學成像系統(tǒng)，其特征在于，各圖像記錄系統(tǒng)所在平面與待 測物體所在平面是物象共軛關(guān)系。
12.一種光學成像方法，其特征在于，包括輸出飛秒激光脈沖串；將每個脈沖變成一組子脈沖串；放大每個子脈沖；對放大后的子脈沖進行準直擴束；將經(jīng)過準直擴束后的子脈沖投射到待測物體上；使載有不同時刻物體信息的子脈沖沿不同的方向傳播；接收并記錄不同方向的子脈沖。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于超短脈沖色散整形和分幅技術(shù)的超高速光學成像系統(tǒng)及方法，光學成像系統(tǒng)包括飛秒激光振蕩器、超短子脈沖串產(chǎn)生器、飛秒激光放大器、光學擴束系統(tǒng)、無焦光學系統(tǒng)、波長分幅光學系統(tǒng)、多個圖像記錄系統(tǒng)。光學成像方法包括輸出飛秒激光脈沖串；將每個脈沖變成一組子脈沖串；放大每個子脈沖；對放大后的子脈沖進行準直擴束；將經(jīng)過準直擴束后的子脈沖投射到待測物體上；使載有不同時刻物體信息的子脈沖沿不同的方向傳播；接收并記錄不同方向的子脈沖。本發(fā)明可實現(xiàn)皮秒時間分辨的幾十皮秒到幾十納秒過程的多幅圖像記錄。
文檔編號G03B39/00GK101976016SQ20101027862
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月3日
發(fā)明者劉晉, 徐世祥, 李景鎮(zhèn), 陸小微, 陳紅藝 申請人:深圳大學