高時空分辨的多分幅光學成像裝置及成像方法與流程

本發明涉及高速成像和超快成像技術領域，具體涉及一種高時空分辨的多分幅光學成像裝置及成像方法。

背景技術：

開展超快現象研究對自然科學、能源、材料、生物、光物理、光化學、激光技術、強光物理、高能物理等研究及技術領域具有重要意義。超快成像技術是超快現象研究的重要手段，傳統超快成像技術時空分辨指標難以滿足研究需求，成為超快現象研究的瓶頸。傳統的二維超快成像技術主要分為掃描型分幅技術和微帶型分幅技術。掃描型分幅技術對掃描電路要求苛刻并且邊緣圖像易畸變，因而沒有得到實際的推廣應用，而微帶型分幅技術則受電子在微通道板內渡越時間彌散以及微通道板技術的制約，其極限時間分辨率只有30ps～40ps，空間分辨只有20lp/mm左右,可測量的動態范圍小，且僅僅限于X射線波段。

因此，迫切需要一種能同時具有高時間和空間分辨、寬譜段覆蓋的分幅成像技術。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明提供一種高時空分辨的多分幅光學成像裝置及成像方法。本發明主要是利用時間序列化的探針光讀取超快事件的瞬態圖像信號，攜帶圖像信號的探針光再通過光學系統進行空間分幅，實現超快圖像記錄。從而避免了基于電信號的分幅系統中的問題，可將超快成像技術時間分辨推進到皮秒量級。

本發明高時空分辨的多分幅光學成像裝置，包括：飛秒量級的超短脈沖激光系統、時間延遲系統、空間整形系統、時間序列化系統、半導體探測器、傅里葉濾波系統、空間分幅展開系統、成像記錄系統；

其中，飛秒量級的超短脈沖激光系統，用于產生飛秒量級超短脈沖激光，作為探針光的光源；

時間延遲系統，通過調整探針光傳輸路徑長度控制探針光的記錄起始時刻，從而實現與待探測事件的高精度同步；

空間整形系統，用于調整探針光的空間分布，如光束直徑大小，光束空間分布的均勻性；

時間序列化系統，用于將單個飛秒量級的超短脈沖激光在時間域上展開為序列化的脈沖串，形成探針光，包括啁啾展寬裝置及偏振延遲裝置；啁啾展寬裝置，用于把寬頻譜超短激光利用色散使其在時間上進行展寬；偏振延遲裝置用于把單個飛秒量級的超短脈沖激光通過調節其偏振態，變成序列化超短脈沖激光；

半導體探測器，其正面用于接收待探測超快事件產生的信號光，探針光經一個半透半反鏡后，從背面入射到半導體探測器；信號光攜帶的變化圖像信息通過半導體探測器調制到探針光的序列化光脈沖上；

傅里葉濾波系統，用于將攜帶變化圖像信息的超短脈沖激光進行空間濾波；

空間分幅展開系統，用于把調制后的時序化的探針光在空間上展開；

成像記錄系統，用于將經過空間分幅展開系統的光束成像，包括平面探測器。該平面探測器可以為CCD探測器或者CMOS探測器。

進一步地，所述的半導體探測器，它的結構從左到右依次為：光柵，探針光增反膜，半導體材料，探針光增透膜；光柵，用于調制從正面入射的信號光，被調制的信號光引起半導體材料變化，從背面入射的探針光探測到半導體的變化信息后，被探針光增反膜反射出半導體探測器。

進一步地，所述的傅里葉濾波系統包括：傅里葉透鏡組和傅里葉濾波平板。

進一步地，所述的空間分幅系統由波長分幅裝置和偏振分幅裝置組成。

本發明高時空分辨的多分幅光學成像裝置的成像方法，實現步驟如下：

1)飛秒量級的超短脈沖激光系統產生寬頻譜寬度的超短激光脈沖作為探針光；

2)時間延遲系統調節探針光傳輸長度控制探針光起始記錄時刻；

3)空間整形系統調整探針光的空間分布；

4)時間序列化系統，用于將單個飛秒量級的超短脈沖激光在時間域上展開為序列化的脈沖串，形成探針光序列；

5)待探測超快事件產生信號光，從正面入射到半導體探測器，引起材料的折射率變化；

6)探針光序列經一個半透半反鏡后從背面入射到半導體探測器，攜帶因信號光產生的變化信息后從半導體探測器出射；

7)傅里葉濾波系統用于將攜帶變化圖像信息的探針光序列進行空間濾波；

8)空間分幅展開系統把探針光序列在空間上分波段展開，以便在平面探測器上成像；

9)使用平面探測器記錄圖像；

10)對圖像進行去背景處理；對步驟9)的圖像進行去除背景處理，得到最終圖像。

有益效果

本發明具備如下有益效果：

本發明能實現高時間分辨、高空間分辨和多分幅成像，其空間分辨率大于30lp/mm、時間分辨優于5ps、分幅達到8分幅。

附圖說明

圖1和圖2是高時空分辨的多分幅光學成像裝置的兩種結構示意圖；

圖3是時間序列化系統的效果圖；單個超短脈沖經過時間序列化系統后形成時間序列化的探針光脈沖串。

圖4為空間分幅的一個效果圖，經過空間分幅展開系統后，在成像記錄系統成8分幅圖像，分別對應不同時刻的圖像；

圖5展示了一種時間延時系統。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步的描述。

實施例1

本實施例高時空分辨的多分幅光學成像裝置，包括：飛秒量級的超短脈沖激光系統、時間延遲系統、空間整形系統、時間序列化系統、半導體探測器、傅里葉濾波系統、空間分幅展開系統、成像記錄系統；

其中，飛秒量級的超短脈沖激光系統，用于產生飛秒量級超短脈沖激光，作為探針光的光源；

時間延遲系統，通過調整探針光傳輸路徑長度控制探針光的記錄起始時刻，從而實現與待探測事件的高精度同步。

空間整形系統，用于調整探針光的空間分布，如光束直徑大小，光束空間分布的均勻性；

時間延遲系統和空間整形系統順序可以互換；

時間序列化系統，用于將單個飛秒量級的超短脈沖激光在時間域上展開為序列化的脈沖串，形成探針光。主要由啁啾展寬裝置及偏振延遲裝置組成。啁啾展寬裝置，用于把寬頻譜超短激光利用色散使其在時間上進行展寬。偏振延遲裝置用于把單個飛秒量級的超短脈沖激光通過調節其偏振態，變成序列化超短脈沖激光。圖3是時間序列化的一個效果圖。50fs的超短脈沖激光，通過時間序列化系統后，產生線性啁啾序列及偏振時間延遲，完成波長—偏振態—時間時序化編碼。如圖3所示，t1時刻脈沖對應的波長為λ₁，偏振方向為p，脈寬為5ps，以此類推。

空間整形系統和時間序列化系統的前后順序可以互換；

半導體探測器，其正面用于接收待探測超快事件產生的信號光，探針光經一個半透半反鏡后，從背面入射到半導體探測器；信號光攜帶的變化圖像信息通過半導體探測器調制到探針光的序列化光脈沖上；

傅里葉濾波系統，用于將攜帶變化圖像信息的超短脈沖激光進行空間濾波；

空間分幅展開系統，用于把調制后的時序化的探針光在空間上展開，不同時刻的圖像將成像在CCD不同的位置。圖3為空間分幅的一個效果圖，經過空間分幅展開系統后，在成像記錄系統成8分幅圖像，分別對應不同時刻的圖像。

成像記錄系統，用于將經過空間分幅展開系統的光束成像，包括平面探測器。

進一步地，所述的半導體探測器，它的結構從左到右依次為：光柵，探針光增反膜，半導體材料，探針光增透膜；光柵，用于調制從正面入射的泵浦光，被調制的泵浦光引起半導體材料變化，從背面入射的探針光探測到半導體的變化信息后，被探針光增反膜反射出半導體探測晶體。

進一步地，本實施例中所述的傅里葉濾波系統包括：傅里葉凸透鏡組和傅里葉濾波平板。

進一步地，本實施例中所述的空間分幅系統由波長分幅裝置和偏振分幅裝置組成。

實施例2

本實施例高時空分辨的多分幅光學成像裝置的成像方法，如附圖1所示，實現步驟如下

1)飛秒量級的超短脈沖激光系統產生寬頻譜寬度的超短激光脈沖作為探針光，本實施例中，超快脈沖激光為800nm為中心波長的鈦寶石激光，半高寬為40nm；

2)時間延遲系統調節探針光傳輸長度控制探針光起始記錄時刻。

圖5展示了一種時間延時系統。光束由反射鏡M1入射，由反射鏡M2，M3傳輸后由反射鏡M4輸出。其中M1和M4固定位置不變，M2和M3固定在一個可移動的平移臺上，可以同時沿左右移動，從而改變入射光的光程。

3)空間整形系統調整探針光的空間分布，如光束直徑大小，光束空間分布的均勻性。根據需要可以選擇不同的器件，如利用擴束器和縮束器可以把光斑變大或者變小；利用小孔濾波可以改變光斑均勻性；本實例中，選用了倍數可變縮束器把光斑縮小了3倍。

4)時間序列化系統，用于將單個飛秒量級的超短脈沖激光在時間域上展開為序列化的脈沖串，形成探針光序列。主要由啁啾展寬裝置和偏振延時裝置組成，啁啾展寬裝置，用于把寬頻譜超短激光利用色散使其在時間是進行展寬，可以利用光纖的色散實現；本例中，偏振延時裝置由偏振片和延時晶體組成，偏振片用于旋轉超短脈沖激光偏振方向，延遲晶體是利用晶體雙折射性，使超短脈沖激光通過晶體后，產生具有固定時間間隔的兩個超短脈沖，它們的偏振方向分別沿水平和豎直方向，兩個晶體的延遲間隔可以通過調節晶體的長度改變。

5)待探測超快事件產生信號光，從正面入射到半導體探測器，引起材料的折射率變化；

6)探針光序列經一個半透半反鏡后從背面入射到半導體探測器，攜帶因信號光產生的變化信息后從半導體探測器出射。

7)傅里葉濾波系統用于將攜帶變化圖像信息的探針光序列進行空間濾波，傅里葉濾波系統由傅里葉透鏡組和傅里葉濾波平板組成，傅里葉濾波平板放在兩個透鏡的焦平面上，濾掉零級和負級，留下正級。

8)空間分幅展開系統由波長分幅裝置和偏振分幅裝置組成，用于把探針光序列在空間上分波段分偏振態展開，以便在CCD上成像；本例中波長分幅裝置由3個半透半反分束片和4個窄帶濾波片組成。3個半透半反分束片用于把攜帶待探測超快事件信息的探針光平均分成4束探針光，經過4個窄帶濾波片后，把4個不同波段的探針光提取出來，分別在4個CCD上成4幅圖像；偏振分幅裝置由光束位移器組成，用于把偏振方向不同超短激光脈沖在CCD上下分開，所以最后在CCD上呈8幅圖像。

9)使用CCD記錄；

10)對圖像進行去背景處理；對步驟9)的圖像進行去除背景處理，得到最終圖像。

實施例3

本實施例高時空分辨的多分幅光學成像裝置的成像方法，如附圖2所示，實現步驟如下

1)飛秒量級的超短脈沖激光系統產生寬頻譜寬度的超短激光脈沖作為探針光，本實施例中，超快脈沖激光為800nm為中心波長的鈦寶石激光，半高寬為40nm；

2)時間延遲系統調節探針光傳輸長度控制探針光起始記錄時刻。

圖5展示了一種時間延時系統。光束由反射鏡M1入射，由反射鏡M2，M3傳輸后由反射鏡M4輸出。其中M1和M4固定位置不變，M2和M3固定在一個可移動的平移臺上，可以同時沿左右移動，從而改變入射光的光程。

3)空間整形系統調整探針光的空間分布，如光束直徑大小，光束空間分布的均勻性。根據需要可以選擇不同的器件，如利用擴束器和縮束器可以把光斑變大或者變小；利用小孔濾波可以改變光斑均勻性；本實例中，選用了倍數可變縮束器把光斑縮小了3倍。

4)時間序列化系統，用于將單個飛秒量級的超短脈沖激光在時間域上展開為序列化的脈沖串，形成探針光序列。主要由啁啾展寬裝置和偏振延時裝置組成，啁啾展寬裝置，用于把寬頻譜超短激光利用色散使其在時間是進行展寬，可以利用光纖的色散實現；本例中，偏振延時裝置由偏振片和延時晶體組成，偏振片用于旋轉超短脈沖激光偏振方向，延遲晶體是利用晶體雙折射性，使超短脈沖激光通過晶體后，產生具有固定時間間隔的兩個超短脈沖，它們的偏振方向分別沿水平和豎直方向，兩個晶體的延遲間隔可以通過調節晶體的長度改變。

5)待探測超快事件產生信號光，從正面入射到半導體探測器，引起材料的折射率變化；

6)探針光序列經一個半透半反鏡后從背面入射到半導體探測器，攜帶因信號光產生的變化信息后從半導體探測器出射。

7)傅里葉濾波系統用于將攜帶變化圖像信息的探針光序列進行空間濾波，傅里葉濾波系統由傅里葉透鏡組和傅里葉濾波平板組成，傅里葉濾波平板放在兩個透鏡的焦平面上，濾掉零級和負級，留下正級。

8)空間分幅展開系統由波長分幅裝置和偏振分幅裝置組成，用于把探針光序列在空間上分波段分偏振態展開，以便在CCD上成像；本例中波長分幅裝置由3個半透半反分束片和4個窄帶濾波片，以及一個4合1多路光纖傳像器組成。3個半透半反分束片用于把攜帶待探測超快事件信息的探針光平均分成4束探針光，經過4個窄帶濾波片后，把4個不同波段的探針光提取出來，然后由1個4合1多路光纖傳像器集成1路，在CCD上成4幅圖像；偏振分幅裝置由光束位移器組成，用于把偏振方向不同超短激光脈沖在CCD上下分開，所以最后在CCD上呈8幅圖像。

9)使用CCD記錄；

10)對圖像進行去背景處理；對步驟9)的圖像進行去除背景處理，得到最終圖像。

上述各實施例中，時間延遲系統和空間整形系統順序可以互換；

對本發明應當理解的是，以上所述的實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細的說明，以上僅為本發明的實施例而已，并不用于限定本發明，凡是在本發明的精神原則之內，所作出的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內，本發明的保護范圍應該以權利要求所界定的保護范圍為準。