[發明專利]一種基于超短脈沖色散整形和分幅技術的超高速光學成像系統及方法

有效

• 申請號: 201010278627.5
• 申請日: 2010-09-03
• 公開（公告）號: CN101976016A
• 公開（公告）日: 2011-02-16
• 發明（設計）人: 徐世祥;陸小微;陳紅藝;劉晉;李景鎮
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: G03B39/00
• 分類號: G03B39/00;G02F1/39;G02B27/09
• 代理公司: 深圳市君勝知識產權代理事務所 44268
• 代理人: 劉文求

技術領域

本發明涉及超快光學和瞬態成像技術領域，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的超高速的光學成像系統和光學成像方法。

背景技術

極高速光學成像技術在許多領域都有重要應用，例如極速飛片技術、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納秒的關鍵過程時間里得到10～20幅高時間分辨的圖像，相應的攝影頻率要求達到10¹⁰pps～10¹¹pps(幅/秒)。在現有的技術中，轉鏡高速成像技術主要的攝影頻率在10⁶pps～10⁷pps(幅/秒)范圍。結合光學加速、網絡攝影等技術也只能達到10⁹pps(幅/秒)量級。變像管技術具有波長轉換、弱光成像的優勢，但其成像的空間帶寬積和畫幅數量受到電子光學成像系統和電子偏轉系統本身的限制，輔之以像分解技術可將攝影頻率提高到10⁹pps。隨著超短脈沖激光技術的迅速發展，飛秒時間分辨的超快全息成像技術得到飛速發展。振幅分光方位角編碼的超短脈沖全息技術已經實現分幅時間達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。另外還出現了波長編碼以及偏振編碼等技術，但這些技術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量圖像拍攝幅數都是至關重要的技術參數。雖然超快光學技術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挑戰。

發明內容

本發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。

本發明的技術方案如下：

一種光學成像系統，包括飛秒激光振蕩器、超短子脈沖串產生器、飛秒激光放大器、光學擴束系統、無焦光學系統、波長分幅光學系統、多個圖像記錄系統；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；光學擴束系統用于對放大后的子脈沖進行準直擴束；經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過無焦光學系統后進入波長分幅光學系統；波長分幅光學系統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相應接收不同方向的子脈沖。

所述的光學成像系統，其中，還包括設置在光學成像系統內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，第一平面鏡設置在超短子脈沖串產生器和飛秒激光放大器之間，第二平面鏡設置在飛秒激光放大器和光學擴束系統之間，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，其中，超短子脈沖串產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，其中，超短子脈沖串產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，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，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，其中，波長分幅光學系統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，其中，波長分幅光學系統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(它們也構成光柵對)。