基于頻域時空變換的電子動態(tài)超快連續(xù)觀測裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于頻域時空變換的超快激光連續(xù)成像裝置及方法，屬于超快成像領域。該裝置包括用于超短脈沖激光器、色散延時器、時域頻率整形器、第一寬波帶反射鏡、第二寬波帶反射鏡、空域頻率整形器、二維CCD光譜儀。本發(fā)明的方法是利用超短脈沖激光器產(chǎn)生寬頻譜范圍的激光，利用色散延時器改變延時間隔，利用時域頻率整形器、空域頻率整形器對激光的頻率分量進行整形，通過樣本以后使用二維CCD光譜儀進行探測，從而獲得樣本的電子動態(tài)。本發(fā)明可使時間分辨能力提高到飛秒量級；實現(xiàn)連續(xù)的拍攝，對不具備重復實驗條件的過程進行完整拍攝；拍攝周期以及拍攝數(shù)量可控調(diào)節(jié)；使用光譜儀代替成像系統(tǒng)，易于實現(xiàn)。
【專利說明】基于頻域時空變換的電子動態(tài)超快連續(xù)觀測裝置及方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及超快過程的超高時間分辨能力的探測，屬于超快成像領域。

【背景技術】
[0002]在科學研究和技術研發(fā)的過程中，經(jīng)常需要對某一過程進行時間間隔非常短的連續(xù)拍照。例如，激光制造過程中的材料對光子能量轉(zhuǎn)移、電子激發(fā)等過程直接影響和決定了后續(xù)制造結果的質(zhì)量和精度，對該過程的觀察至關重要。然而，該過程持續(xù)時間短，變化快，約為飛秒量級(10_15S)。該時間尺度的二維成像觀測對科學、生產(chǎn)具有重要意義。
[0003]傳統(tǒng)的連續(xù)成像設備，無法實現(xiàn)飛秒量級的成像。依靠傳統(tǒng)的機械方法或者電子設備，已經(jīng)無法滿足該過程的需求。電子相機的時間分辨能力取決于控制電路的響應速度，目前處于納秒(10_9s)的水平，而且很難再繼續(xù)提高。使用分幅相機的方法成像，可以進一步提高時間分辨率，但是時間分辨力仍然有限，仍未突破皮秒(I(T12S)的水平，而且成像幀數(shù)有限。
[0004]傳統(tǒng)的飛秒量級的成像技術，無法實現(xiàn)連續(xù)拍攝。泵浦探測技術是一種具有飛秒量級時間分辨力的探測技術，在泵浦探測實驗中，為了完整記錄探測對象的整個變化過程，一般通過多次重復實驗，每次選取一個不同的時刻進行拍攝，最后按照時間順序?qū)⑦@多次重復實驗中拍攝的一系列照片拼湊在一起來還原探測對象的動態(tài)連續(xù)變化過程。由于每次實驗不可能做到完全重復，所以這種方法存在著誤差，而且對于不具備重復實驗條件的過程，則無法進行連續(xù)觀測。
[0005]因此，當且迫切需要一種能夠達到飛秒量級時間分辨率且可以多幀數(shù)連續(xù)拍攝的觀測手段。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有成像手段時間分辨率低、無法對間隔為飛秒到皮秒量級的過程進行連續(xù)成像、難以滿足科研和生產(chǎn)需要的問題，提出一種基于頻域時空變換的超快激光連續(xù)成像裝置及方法
[0007]本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現(xiàn)的。
[0008]基于頻域時空變換的超快激光連續(xù)成像裝置，包括:超快激光器、色散延時器、時域頻率整形器、第一寬波帶反射鏡、第二寬波帶反射鏡、空域頻率整形器、觀測對象、二維光譜分析儀。
[0009]其光路走向為:首先，超快激光器產(chǎn)生寬頻譜寬度的超快激光脈沖；其后，光束通過色散延時器后其脈沖寬度變寬且不同頻率的成分產(chǎn)生不同延時；其后，光束通過時域頻率整形器，將光束分為時間間隔可控的多個子脈沖，單個子脈沖包含不同的頻率成分；其后，通過第一寬波帶反射鏡、第二寬波帶反射鏡后，改變光路方向；其后，通過空域頻率整形器，將不同頻率的光譜在空間中均勻排列；其后，通過觀測對象；最后，光束被二維光譜分析儀收集，經(jīng)計算機處理后得到成像。
[0010]基于頻域時空變換的超快激光連續(xù)成像方法，實現(xiàn)步驟如下:
[0011]I)超快脈沖激光器產(chǎn)生寬頻譜寬度的超短激光脈沖；
[0012]2)色散延時器改變超快激光的脈沖持續(xù)時間以及不同頻率的激光的延時間隔。
[0013]3)時域頻率整形器將原激光脈沖的頻譜在頻域上分成若干波段，每個波段形成一個子脈沖，不同子脈沖之間具有可控的時間間隔。
[0014]4)空域頻率整形器用于將子脈沖不同頻率的光譜在空間中均勻排列。
[0015]5)整形后的光束通過被測物體，多個子脈沖依次通過，由于子脈沖之間具有一定的時間間隔，從而采集不同時刻的信息；而不同空間位置的信息由不同頻率的光攜帶，將不同頻率的一維成像組合即可對二維成像，為下一步的二維成像提供條件。
[0016]6)使用二維CCD光譜儀，測量不同頻率的光譜信息。采集完成以后，按照之前的頻率分段，將屬于同一子脈沖的頻率譜線組合在一起，形成一個圖像。不同子脈沖則成多個圖像。
[0017]7)對圖像進行去除背景的處理，需要采集背景光。對步驟6)的圖像進行去除背景處理，得到最終圖像。
[0018]有益效果
[0019]本發(fā)明的優(yōu)點包括:
[0020]1.能突破時間分辨能力的瓶頸，使得時間分辨能力提高到飛秒量級；
[0021]2.能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的拍攝，可以對不具備重復實驗條件的過程進行完整拍攝；
[0022]3.拍攝周期以及拍攝數(shù)量可控調(diào)節(jié)；
[0023]4.使用光譜儀代替成像系統(tǒng)，易于實現(xiàn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明專利的一個實施例的結構示意圖；
[0025]圖2是本發(fā)明一個實施例的延時器的示意圖；
[0026]圖3是時域整形裝置的示意圖；
[0027]圖中，1-超快激光器、2-色散延時器、3-時域頻率整形器、4-第一寬波帶反射鏡、
5-第二寬波帶反射鏡、6-空域頻率整形器、7-觀測對象、8-二維光譜分析儀、9-寬波帶反射鏡、10-光柵、11-透鏡、12-空間光調(diào)制器、13-透鏡、14-光柵、15-寬波帶反射鏡、16-散射光柵、17-準直光柵。

【具體實施方式】
[0028]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚、明確，以下結合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案做進一步說明。
[0029]基于頻域時空變換的超快激光連續(xù)成像裝置，包括超快激光器1、色散延時器2、時域頻率整形器3、第一寬波帶反射鏡4、第二寬波帶反射鏡5、空域頻率整形器6、觀測對象7、二維光譜分析儀8。
[0030]其連接關系為:首先，超快激光器I產(chǎn)生寬頻譜寬度的超快激光脈沖；其后，光束通過色散延時器2后其脈沖寬度變寬且不同頻率的成分產(chǎn)生不同延時；其后，光束通過時域頻率整形器3，將光束分為時間間隔可控的多個子脈沖，單個子脈沖包含不同的頻率成分；其后，通過第一寬波帶反射鏡4、第二寬波帶反射鏡5后，改變光路方向；其后，通過空域頻率整形器6，將不同頻率的光譜在空間中均勻排列；其后，通過觀測對象7 ;最后，光束被二維光譜分析儀8收集，經(jīng)計算機處理后得到成像。
[0031]基于頻域時空變換的超快激光連續(xù)成像方法，步驟如下:
[0032]I)首先將超快脈沖激光器I產(chǎn)生超短激光脈沖，嚴格控制脈沖的能量，防止脈沖能量太大，對探測結果造成干擾；脈沖帶寬一般大于50納米。本實施例中，超快脈沖激光器產(chǎn)生的脈沖的帶寬為775nm-825nm。
[0033]2)色散延時器的作用是改變超快激光的脈沖持續(xù)時間以及不同頻率的激光的延時間隔。根據(jù)需要可以選擇不同種類的延時器件，例如，利用石英薄片可以實現(xiàn)飛秒量級的延時；利用光柵對可以實現(xiàn)皮秒量級的延時；利用大長度的光纖可以實現(xiàn)納秒量級的延時。
[0034]3)時域頻率整形器的作用是將原激光脈沖的頻譜在頻域上分成若干波段，每個波段形成一個子脈沖，不同子脈沖之間具有可控的時間間隔。
[0035]圖2展示了一種基于空間光整形器的時域頻率整形器。反射鏡9將光束發(fā)射至光柵10，光柵10將光束依頻率展開，透鏡11將光束準直后通過液晶相位延時器12，液晶相位延時器12對光束進行頻域傅里葉變換從而進行時域整形。整形光經(jīng)過透鏡13和光柵14進行聚焦以及合束，從而產(chǎn)生具有特定延時的多個子脈沖，且每個子脈沖包含的頻率不同。在本實施例中，以5個子脈沖為例，不同子脈沖的波段依次為:775-785nm，785-795nm，795_805nm，805_815nm，815_825nm。
[0036]實施例中產(chǎn)生5個子脈沖，從而可以對不同時刻的5個圖像，但是不限于5幅圖像?？梢詫⒉ǘ蝿澐譃楦〉膮^(qū)域，從而獲得更多的成像幀數(shù)。
[0037]4)空域頻率整形器用于將子脈沖不同頻率的光譜在空間中均勻排列。通過控制光柵之間的距離，控制光斑的大小，使得其盡量接近被測物體的尺寸，從而充分利用光束，達到最佳成像效果。
[0038]圖3展示了一種空域頻率整形器。光束經(jīng)過光柵16、17展開，不同頻率的光分布在空間不同位置。在本實施例中，不同波長的成分在空間中展開，例如，對于775-785nm的子脈沖，由于展開作用，可以使得775nm的波長成分與776nm的成分相隔I微米，從而不同的步長成分可以實現(xiàn)不同位置的成像。
[0039]5)上述整形后通過被測物體。被測物體具有變化的電子動態(tài)，不同的電子密度對光的吸收程度不同。多個子脈沖依次通過，由于子脈沖之間具有一定的時間間隔，從而采集不同時刻的信息；而不同空間位置的信息由不同頻率的光攜帶，將不同頻率的一維成像組合即可對二維成像，為下一步的二維成像提供條件。
[0040]6)使用二維CCD光譜儀，測量不同頻率的光譜信息。采集完成一周，按照之前的頻率分段，將屬于同一子脈沖的頻率譜線組合在一起，形成一個圖像。不同子脈沖則成多個圖像。
[0041]在本實施例中，不同子脈沖的時間不同，例如，775-785nm的子脈沖與785_795nm的子脈沖的時間有一定延時；故而可以實現(xiàn)不同時刻的成像；對于同一子脈沖，例如775-785nm的子脈沖，其中不同波長成分之間的成像位置不同，例如775nm的波長成分與776nm的成分相隔I微米，因而可以實現(xiàn)不同位置的成像。通過將不同成分組合起來，可以實現(xiàn)二維成像。
[0042]7)對圖像進行去除背景的處理，需要采集背景光，步驟是將觀察對象移開，其余光路與圖1相同。使用相同的步驟采集得到背景圖像。對步驟6)的圖像進行去除背景處理，即可得到最終圖像。
[0043]綜上，該方法一種能夠達到飛秒量級時間分辨率且可以多幀數(shù)連續(xù)拍攝的觀測手段。與已有的方法相比，該方法能突破時間分辨能力的瓶頸，使得時間分辨能力提高到飛秒量級；且能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的拍攝，可以對不具備重復實驗條件的過程進行完整拍攝；拍攝周期以及拍攝數(shù)量可控調(diào)節(jié)；該方法使用光譜儀代替成像系統(tǒng)，易于實現(xiàn)。
【權利要求】
1.基于頻域時空變換的超快激光連續(xù)成像裝置，其特征在于:包括超快脈沖激光器(I)、色散延時器(2)、時域頻率整形器(3)、第一寬波帶反射鏡(4)、第二寬波帶反射鏡(5)、空間頻率整形器￠)、觀測對象(7)、二維光譜分析儀(8)； 其光路走向為:超快脈沖激光器(I)產(chǎn)生寬頻譜寬度的超快激光脈沖；光束通過色散延時器(2)后其脈沖寬度變寬且不同頻率的成分產(chǎn)生不同延時；光束通過時域頻率整形器(3)，將光束分為時間間隔可控的多個子脈沖，單個子脈沖包含不同的頻率成分；其后，通過第一寬波帶反射鏡(4)、第二寬波帶反射鏡(5)后，改變光路方向；其后，通過空域頻率整形器(6)，將不同頻率的光譜在空間中均勻排列；其后，通過觀測對象(7);最后，光束被二維CCD光譜分析儀(8)收集，經(jīng)計算機處理后得到成像。
2.根據(jù)權利要求1所述的超快連續(xù)成像裝置，其特征在于，所述時域頻率整形器包括:光柵展開對、透鏡對以及液晶相位延時器。
3.根據(jù)權利要求1所述的超快連續(xù)成像裝置，其特征在于，所述二維CXD光譜儀，用于對不同頻率的光譜進行探測。
4.一種基于頻域時空變換的超快激光連續(xù)成像方法，其特征在于，實現(xiàn)步驟如下: 1)超快脈沖激光器產(chǎn)生寬頻譜寬度的超短激光脈沖； 2)色散延時器改變超快激光的脈沖持續(xù)時間以及不同頻率的激光的延時間隔； 3)時域頻率整形器將原激光脈沖的頻譜在頻域上分成若干波段，每個波段形成一個子脈沖，不同子脈沖之間具有可控的時間間隔； 4)空域頻率整形器用于將子脈沖不同頻率的光譜在空間中均勻排列； 5)整形后的光束通過被測物體，多個子脈沖依次通過，由于子脈沖之間具有一定的時間間隔，從而采集不同時刻的信息；而不同空間位置的信息由不同頻率的光攜帶，將不同頻率的一維成像組合即可對二維成像，為下一步的二維成像提供條件； 6)使用二維CCD光譜儀，測量不同頻率的光譜信息；采集完成以后，按照之前的頻率分段，將屬于同一子脈沖的頻率譜線組合在一起，形成一個圖像；不同子脈沖則成多個圖像； 7)對圖像進行去除背景的處理，需要采集背景光；對步驟6)的圖像進行去除背景處理，得到最終圖像。
【文檔編號】G03B39/00GK104375374SQ201410683514
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月25日 優(yōu)先權日:2014年11月25日
【發(fā)明者】姜瀾, 王安東, 曹強, 李曉煒, 余彥武, 譚旭東 申請人:北京理工大學