[發明專利]一種超靈敏時間分辨成像光譜儀及其時間分辨成像方法

有效

• 申請號: 201310027775.3
• 申請日: 2013-01-24
• 公開（公告）號: CN103090971A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 翟光杰;俞文凱;王超
• 申請（專利權）人: 中國科學院空間科學與應用研究中心
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J11/00;G01N21/25;G01N21/64
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;楊青

1.一種超靈敏時間分辨成像光譜儀，其特征在于，包括光學單元（I）和電學單元（II），其中，所述光學單元（I）包括入射狹縫（1）、光擴束準直部件（2）、光學成像部件（3）、第一空間光調制器（4_1）、凹面鏡（5）、光柵分光部件（6）、第二空間光調制器（4_2）、會聚收光部件（7）；所述電學單元（II）包括第一隨機數發生器（10_1）、第二隨機數發生器（10_2）、單光子點探測器（11）、計數器（12）、時間測量儀（13）、控制模塊（15）、數據包存儲器（16）以及壓縮感知模塊（17）；

單光子級別的待測極弱光通過所述入射狹縫（1）入射，然后經過所述光擴束準直部件（2）的擴束和準直后變成平行光，該平行光再透過所述光學成像部件（3）成像在所述第一空間光調制器（4_1）上；所述第一空間光調制器（4_1）對在其上的像做隨機調制，使得其出射光以一定的隨機概率向所述凹面鏡（5）反射；所述凹面鏡（5）將入射光反射并準直，使之再次變成平行光，打向所述光柵分光部件（6）；所述光柵分光部件（6）形成光譜場，并在位于所述光柵分光部分（6）的焦平面上的第二空間光調制器（4_2）上形成光譜帶；所述第二空間光調制器（4_2）對在其上的光譜帶做隨機調制，使得出射光以一定隨機的概率向所述會聚收光部件（7）反射；所述會聚收光部件（7）濾除雜散光，將過濾后的待測極弱光傳輸到電學單元（II）中的單光子點探測器（11）；

所述第一隨機數發生器（10_1）、第二隨機數發生器（10_2）分別生成隨機數并分別提供給所述第一空間光調制器（4_1）與第二空間光調制器（4_2），每一空間光調制器中區域總像素長度的隨機數組成一個相應的隨機基，所述第一空間光調制器（4_1）與第二空間光調制器（4_2）根據各自的隨機基實現隨機調制；所述的單光子點探測器（11）探測待測極弱光中的各個單光子點，將采集到的光信號轉換成有效脈沖信號后輸出；所述計數器（12）記錄所述單光子點探測器（11）探測到的單光子點的數目；所述的時間測量儀（13）記錄單光子點到達的時間信息；所述控制模塊（15）對整個超靈敏時間分辨成像光譜儀進行控制協調，包括對各部件的使能和觸發脈沖控制，確保計數器（12）、第一空間光調制器（4_1）、第二空間光調制器（4_2）和時間測量儀（13）之間的步調協調；所述計數器（12）所記錄的單光子點的數目、時間測量儀（13）所記錄的時間信息以及第一隨機數發生器（10_1）、第二隨機數發生器（10_2）所生成的兩組隨機基一起存入所述數據包存儲器（16）中，最后導入所述壓縮感知模塊（17）中，在該模塊中經過兩次壓縮感知計算，實現光譜帶信號重建，輸出含五維信息的時間分辨成像光譜。

2.根據權利要求1所述的超靈敏時間分辨成像光譜儀，其特征在于，所述光學單元（I）還包括反射鏡（8）以及出射狹縫（9）；所述反射鏡（8）位于所述光柵分光部件（6）與所述第二空間光調制器（4_2）的光路之間，用于將光譜反射至出射狹縫（9）。

3.根據權利要求1或2所述的超靈敏時間分辨成像光譜儀，其特征在于，所述電學單元（II）還包括數字延遲器（14），所述數字延遲器（14）在所述控制模塊（15）的控制下，完成對所述單光子點探測器（11）的皮秒級門控。

4.根據權利要求1或2或3所述的超靈敏時間分辨成像光譜儀，其特征在于，所述含五維信息的時間分辨成像光譜包括以下任意一種或多種：光譜強度曲線（λ，I）、時間分辨光譜強度圖（λ，I，t）、超靈敏二維成像（x，y）、超靈敏三維成像（x，y，z）、超靈敏二維成像光譜（x，y，λ）、超靈敏時間分辨二維成像（x，y，t）、超靈敏三維成像光譜（x，y，z，λ）、超靈敏時間分辨三維成像（x，y，z，t）、超靈敏時間分辨二維成像光譜（x，y，λ，t）和超靈敏時間分辨三維成像光譜（x，y，z，λ，t）；其中，I表示光強，λ表示波長，x、y、z表示空間三維坐標，t表示時間。

5.根據權利要求1或2或3所述的超靈敏時間分辨成像光譜儀，其特征在于，所述光柵分光部件（6）將不同波長的光場按波長從短到長依次投射到所述第二空間光調制器（4_2）的不同位置上。

6.根據權利要求1或2或3所述的超靈敏時間分辨成像光譜儀，其特征在于，所述第一空間光調制器（4_1）、第二空間光調制器（4_2）采用數字微鏡器件實現。

7.根據權利要求6所述的超靈敏時間分辨成像光譜儀，其特征在于，將所述數字微鏡器件的對角線作為所述光譜帶的成像位置。