CN102841498B - 一种超快分幅成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超快分幅成像装置，包括：啁啾脉冲光生成装置，用于生成啁啾脉冲光以入射待测样品；分光器，用于将来自待测样品的啁啾脉冲光的不同波长成分在空间上相互分离；以及相机阵列，用于对分光器分离出的啁啾脉冲光的不同波长成分进行分别成像。与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：能够突破时间分辨能力的瓶颈，使时间分辨能力达到皮秒甚至飞秒量级。不需要使用超快控制电路，成本相对低廉。结构相对简单，拥有超短脉冲激光的实验室都可以应用本发明。原则上对超快摄像的画面帧数没有限制，而基于超快电子快门的分幅相机的画面帧数是有限且固定的。

Description

一种超快分幅成像装置

技术领域

本发明涉及超快摄像领域，具体地说，本发明涉及一种超快分幅成像装置。

背景技术

在科学研究和技术研发的过程中，经常需要对某一过程进行时间间隔非常短的连续拍照。当时间分辨要求达到微秒的水平时，一台数字相机的信号读取速度已经难以满足高速连续拍摄的需求，因此需要采用多张胶片或多台相机分别记录样品在不同时刻的图像，此类装置的名称叫做高速分幅相机。传统的高速分幅相机分为两类，一类是旋转镜法，另一类是基于高速电子快门的数字照相系统。旋转镜法采用一个高速旋转的反射镜将不同时刻样品的图像投射到不同的感光胶片或电子感光芯片上，由于采用的是机械设备，其时间分辨能力只能达到微秒的水平，并且操作过程比较复杂，目前正在逐渐被淘汰。如今商用的超快分幅相机多数是基于多通道成像原理，将输入光分成多路，分别在不同的电子感光芯片上成像，电子感光芯片的曝光时间和顺序由超快电路控制，这样即可实现对样品的分幅成像。基于超快电子快门的分幅成像装置的时间分辨能力取决于控制电路的响应速度，目前处于纳秒的水平，而且很难再继续提高。并且，由于超快电子控制系统的成本较高，因此这类分幅成像装置的价格十分昂贵。另外，基于超快电子快门的分幅相机的画面帧数是有限且固定的。

因此，当前迫切需要一种能够突破时间分辨能力的瓶颈且成本低的超快分幅成像装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够突破时间分辨能力的瓶颈且成本低的超快分幅成像装置。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种超快分幅成像装置，包括：

啁啾脉冲光生成装置，用于生成啁啾脉冲光以入射待测样品；

分光器，用于将来自待测样品的啁啾脉冲光的不同波长成分在空间上相互分离；以及

相机阵列，用于对分光器分离出的啁啾脉冲光的不同波长成分进行分别成像。

其中，所述啁啾脉冲光生成装置包括：

超短脉冲激光器，用于产生的超短激光脉冲；

超短超连续光激光产生装置，用于利用非线性光学效应将所述超短激光脉冲转化为超短超连续光激光脉冲；以及

展宽器，用于将所述超短超连续光激光脉冲转化为啁啾脉冲光。

其中，所述超短超连续光激光产生装置沿光路依次包括：聚焦透镜、传输介质和准直透镜。

其中，所述展宽器采用群速度色散介质。

其中，所述展宽器采用棱镜对。

其中，所述展宽器采用光栅对。

其中，所述相机阵列中的各个相机分别对准所述分光器所分离出的与该相机对应的中心波长的光的所在角度；所述中心波长是啁啾脉冲光中携带着待测样品特定时刻信息的波长成分，不同的中心波长对应着待测样品的不同时刻。

与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：

1、能够突破时间分辨能力的瓶颈，使时间分辨能力达到皮秒甚至飞秒量级。

2、不需要使用超快控制电路，成本相对低廉。

3、结构相对简单，拥有超短脉冲激光的实验室都可以应用本发明。

4、本发明原则上对超快摄像的画面帧数没有限制。

附图说明

图1示出了本发明一个实施例的超快分幅成像装置的结构示意图；

图2示出了本发明一个优选实施例的超短超连续光激光产生装置的示意图；

图3示出了本发明一个优选实施例的展宽器的示意图；

图4示出了一个啁啾脉冲的不同波长成分的衍射角度与波长的关系的示例。

具体实施方式

本发明提出了一种基于啁啾脉冲的超快分幅成像装置。因此首先介绍一下啁啾脉冲。

物理学中通常用慢变振幅的方法描述激光脉冲的电场，

其中A(t)是随时间缓慢变化(与电场的周期振荡相比较)的振幅，ω是激光的角频率(以下简称频率)，为电场的相位。当一个脉冲没有啁啾时，其瞬时频率ω和相位是常数，A(t)为实数函数。而啁啾脉冲是指瞬时频率(或波长)随时间变化的脉冲，此时ω本身成为时间的函数。

当超短脉冲在具有群速色散(二阶色散)的介质中传播时，一方面其脉冲宽度(持续时间)被展宽，另一方面，展宽后的脉冲出现啁啾，即ω(t)是时间的函数。

假设一线性啁啾脉冲的强度恒定，脉冲宽度为4ps。在时间t＝0时刻的瞬时波长为650nm，在t＝4ps时刻的瞬时波长为450nm。那么这个脉冲的电场强度随时间的变化可表示为：

                  E(t)＝E₀exp[(3.25x10²⁶t+2.9x10¹⁵)t]   (1)

其中E₀为脉冲的电场强度，t为时间，单位是秒。

下面，结合附图和实施例对本发明做进一步地描述。

根据本发明的一个实施例，提供了一种超快分幅成像装置，如图1所示，该超快分幅成像装置包括超短脉冲激光器1、超短超连续光激光产生装置2、展宽器3、分光器5和相机阵列6，被探测样品4置于展宽器3和分光器5之间。

首先将超短脉冲激光器1产生的超短激光脉冲在超短超连续光激光产生装置2(即超连续光激光转换器)中利用非线性光学效应转化为超短超连续光激光脉冲，然后经过展宽器3转化为啁啾脉冲光，啁啾脉冲光与被探测样品4相互作用，这样啁啾脉冲光的不同的波长成分就携带了样品在不同时刻的信息，然后利用分光器5使啁啾脉冲光的不同波长成分沿不同的方向偏转，最后采用相机阵列对啁啾脉冲光的不同的波长成分单独成像，即可获得样品在不同时刻的照片。以公式(1)所描述的啁啾脉冲为例，当时间从t＝0增加到t＝4ps时，脉冲的频率从2.9x10¹⁵增加到4.2x10¹⁵，频率和时间的对应关系为：

                          ω＝3.25x10²⁶t+2.9x10¹⁵        (2)

实际应用中啁啾脉冲通常不是严格的线性啁啾。如果要探测样品在某一时刻t的信息，首先根据脉冲的啁啾特性确定时刻t所对应的频率，然后把相机的镜头对准分光器分出的该频率的探测光，即可获得样品在t时刻附近的信息。由于分光器将啁啾脉冲的不同频率成分在空间上分离，因此可以用多部相机分别观测样品在不同时刻的信息。进一步地，例如：持续时间为30飞秒的激光脉冲经超连续光产生装置转化为100飞秒的超连续白光激光，假设超连续白光激光的波长范围是从450nm～650nm。这样的飞秒超连续白光激光脉冲通过6厘米长的石英玻璃展宽器将被展宽成大约5皮秒的啁啾脉冲。不同波长的光对应着不同的时刻，设定638纳米波长对应0时刻，那么579纳米对应1皮秒，535纳米波长对应2皮秒，500纳米波长对应3皮秒，473纳米对应4皮秒。这样的啁啾脉冲在经过样品后，638纳米波长携带样品在0时刻的图像信息，579纳米波长携带样品在1皮秒时刻的图像信息，依次类推。包含样品信息的啁啾脉冲经过分光器后，不同波长成分沿不同的传播方向偏转，最后用5个CCD相机对上述5个波长的光分别进行成像，即可获得样品分别在0，1，2，3，4皮秒的图像信息。

本领域的技术人员应该理解，本实施例中的超连续光的光谱宽度，啁啾脉冲的脉冲宽度，以及相机阵列中相机的数量均可根据实验需要进行调节。另外，上述实施例中，超短脉冲激光器1、超短超连续光激光产生装置2和展宽器3构成啁啾脉冲光生成装置，本发明中也可以使用其它类型的啁啾脉冲光生成装置来代替，这是本领域的技术人员易于理解的。

在另一个实施例中，所述超短超连续光激光产生装置如图2所示，沿光路依次包括：聚焦透镜2、传输介质3(例如空气，水，玻璃等)和准直透镜4。其工作过程如下：超短激光脉冲1经聚焦透镜2聚焦在传输介质3中，在焦点附近产生超短超连续光脉冲，再经准直透镜4准直为平行光5，该平行光5即为所述超短超连续光激光产生装置输出的超短超连续光激光脉冲。

在另一个实施例中，所述展宽器采用群速度色散介质2，如图3所示，超短超连续光激光脉冲1输入群速度色散介质2中，在群速度色散介质2中传输时，由于其不同波长成分的传输速度不同，因此随着传输距离的不断增加，超连续光激光的不同波长成分就会在时间上相互分离，最终形成啁啾脉冲光3。

上述实施例中，展宽器的主要功能是把超短白光脉冲的不同波长成分在时间上分开。展宽器除了可以采用群速度色散介质外，还可以采用棱镜对，光栅对等不同的方案。

其中，基于群速度色彩介质的展宽器的工作原理可做如下简单描述：由于不同波长的光在介质中的群速度不同，那么随着光脉冲在介质中的传输距离的增加，白光中的不同波长成分就会在时间上相互分离，在这个过程中，白光脉冲的持续时间不断增加，同时演变为啁啾脉冲。

而棱镜对和光栅对利用光学元件的角色散来实现光脉冲的展宽，不同波长的光在经过棱镜和光栅时具有不同的折射角和衍射角，利用棱镜对和光栅对的这种性质可以在白光脉冲的不同波长成分之间引入光程差，从而使得超短白光脉冲的不同波长成分在时间上相互分离，形成展宽的啁啾脉冲。

上述的几种展宽器是啁啾脉冲放大(CPA)激光技术中的常用标准技术，其具体细节可参考相关文献资料。其中群速度色散介质和棱镜对通常能将超短脉冲展宽到几个皮秒至十几皮秒，而光栅对展宽器可以将超短脉冲展宽至数百皮秒。

下面给出一个仿真计算。

脉冲宽度为飞秒激光脉冲聚焦在介质中会产生光谱带宽很宽的超连续白光脉冲，如果介质的厚度足够薄(＜1mm)，那么产生的超连续白光的脉冲宽度与入射光相差不大，如果入射光的脉冲宽度为30fs，那么出射光的脉冲宽度通常不会超过100fs。

假设一个超短白光脉冲(脉冲宽度＜100fs)的光谱范围是从450nm～650nm，那么这样的白光脉冲穿过一定厚度的石英玻璃时，由于不同的波长成分的传输速度(群速度)不同，因此在传输过程中脉冲的时间宽度会逐渐增加，同时不同波长成分的光辐射相互分离，产生啁啾。假设石英玻璃的厚度为6cm，下面我们根据不同波长的光在石英玻璃介质中的传输速度估算输出啁啾脉冲的时间宽度。

石英玻璃的色散关系可用Sellmier经验公式计算：

$n^2\left(\mathrm{\λ}\right)=1.0+\frac{b_1{\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2-c_1}+\frac{b_2{\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2-c_2}+\frac{b_3{\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2-c_3}$

其中n为折射率，λ为波长(单位是微米)。b1＝0.6961663，b2＝0.4079426，b3＝0.8974794，c1＝0.00467914826，c2＝0.0135120631，c3＝97.9340025.

根据Sellmier经验公式可以计算出不同波长的光在石英玻璃中的传输速度(群速度)及其通过6厘米长石英玻璃所需要的时间如表1所示：

表1

波长(nm)	传输速度(108m/s)	传输时间(ps)
			450	2.000	300.0
473	2.007	299.0
			500	2.013	298.0
535	2.020	297.0
			550	2.023	296.6
579	2.027	296.0
			600	2.030	295.6
638	2.034	295.0
			650	2.035	294.8

从表1可以看出，超短白光脉冲在通过石英玻璃后脉冲宽度被展宽到了5.2ps。

啁啾脉冲光在经过棱镜或光栅等色散材料时，其不同的波长成分会沿着不同的角度衍射，由于啁啾脉冲的波长是随时间变化的，因此啁啾脉冲不同时刻的光辐射会沿着不同的角度偏转。

以光栅为例子，假设上述的啁啾脉冲垂直入射到反射光栅上，光栅的刻线间距为d，那么波长λ的光的衍射方向满足光栅公式

                         dsinθ＝mλ

其中θ为衍射角(衍射光线与光栅法线的夹角)，整数m为衍射级。M＝0代表0级衍射，此时所有波长的衍射光都沿法线返回，实际应用中利用M≠0的衍射级才可以实现分光，例如m＝1时，不同波长的光的衍射角度

                      θ＝arcsin(λ/d)

假设线性啁啾脉冲的波长范围是450nm～650nm，光栅刻线的间距为700nm，那么这个啁啾脉冲的不同波长成分的衍射角度与波长的关系见图4。

如果以638nm波长的光到达介质出口的时刻为时间零点，那么1ps，2ps，3ps，4ps时刻对应的衍射光的波长及其在光栅上的衍射角度如表2所示。

表2

波长(颜色)	对应时刻(ps)	衍射角度
			638(红)	0	65.7
579(黄)	1	55.8
			535(绿)	2	49.9
500(青)	3	45.6
			473(蓝)	4	42.5

以图1所示的超快分幅成像装置为例，如果要拍摄样品在3ps时刻的图象，那么就应该把相机对准波长500纳米的衍射光进行成像即(45.6度的衍射光)，这时候相机拍摄到图像就是样品在3ps时刻的图像，实际上由于相机的镜头都有一定的口径，所以其接收到的衍射光不可能是单一的波长，而是一定范围的波长，拍摄到的图象是样品在3ps附近的一定时间范围内的积分信号。实际工作时，首先在啁啾脉冲的持续时间内选取样品的一系列时刻，然后确定每个时刻对应的中心波长，将每个相机对准各自所对应的中心波长的光的衍射角(即分光器所分离出的与相机对应的中心波长的光的所在角度)方向，这样各个相机实际将记录下样品在所对应时刻附近的一定时间内的时间积分图象。例如，在表2的例子中，假如某个相机对准45.6度衍射角的光(对应的时刻为3ps，中心波长500nm)，而其实际接收到的信号光的带宽是从490～510nm，那么相机记录下的关于样品的图象是从2.7～3.3ps的时间积分信号。

最后，上述的实施例仅用来说明本发明，它不应该理解为是对本发明的保护范围进行任何限制。而且，本领域的技术人员可以明白，在不脱离上述实施例精神和原理下，对上述实施例所进行的各种等效变化、变型以及在文中没有描述的各种改进均在本专利的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超快分幅成像装置，包括：

啁啾脉冲光生成装置，用于生成啁啾脉冲光以入射待测样品；

分光器，用于将来自待测样品的啁啾脉冲光的不同波长成分在空间上相互分离；以及

相机阵列，用于对分光器分离出的啁啾脉冲光的不同波长成分进行分别成像；

所述啁啾脉冲光生成装置包括：

超短脉冲激光器，用于产生超短激光脉冲；

超短超连续光激光产生装置，用于利用非线性光学效应将所述超短激光脉冲转化为超短超连续光激光脉冲；以及

展宽器，用于将所述超短超连续光激光脉冲转化为啁啾脉冲光；

其中，所述超短超连续光激光产生装置沿光路依次包括：聚焦透镜、传输介质和准直透镜；所述聚焦透镜用于将来自于所述超短脉冲激光器的超短激光脉冲聚焦在所述传输介质中，在焦点附近产生超短超连续光激光脉冲；所述准直透镜用于将所述超短超连续光激光脉冲准直为平行光。

2.根据权利要求1所述的超快分幅成像装置，其特征在于，所述展宽器采用群速度色散介质。

3.根据权利要求1所述的超快分幅成像装置，其特征在于，所述展宽器采用棱镜对。

4.根据权利要求1所述的超快分幅成像装置，其特征在于，所述展宽器采用光栅对。

5.根据权利要求1所述的超快分幅成像装置，其特征在于，所述相机阵列中的各个相机分别对准所述分光器所分离出的与该相机对应的中心波长的光的所在角度；所述中心波长是啁啾脉冲光中携带着待测样品特定时刻信息的波长成分。