CN104868346A - 一种成像装置及超短脉冲序列生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种成像装置及超短脉冲序列生成方法，包括：所述光子晶体光纤接收所述激光器发出的超短激光脉冲，将输入的超短激光脉冲的频谱展宽；所述脉冲压缩器将所述超连续谱发生器输出的经频谱展宽后的超短激光脉冲脉宽压缩；所述脉冲展宽器将所述脉冲压缩器输出的经脉宽压缩的超短激光脉冲进行啁啾展宽；所述脉冲整形器对所述脉冲展宽器输出的经啁啾展宽后的超短激光脉冲依次进行空间色散和频谱整形，再将经频谱整形后的超短激光脉冲反演至时间啁啾脉冲，生成啁啾超短脉冲序列。本发明在于提供一种成像装置及超短脉冲序列生成方法，以有效增大超短激光脉冲光源的频谱宽度，产生子脉冲宽度小于百飞秒的超短脉冲序列，从而实现超快分辨成像。

Description

一种成像装置及超短脉冲序列生成方法

技术领域

本发明涉及快速成像装置领域，具体而言，涉及一种成像装置及超短脉冲序列生成方法。

背景技术

用快速成像技术将事物发生发展的过程拍摄下来，然后进行细致分析，可以实现“将看不到的过程可视化”，从而加深对事物发生发展过程的认识。为了满足科学研究和工业应用需求，近几十年来高速成像技术已经获得快速发展并已有商品化产品。总体说来，常规的快速成像技术分为两类：一类是连续模式相机(如高速录像机)，能连续拍摄大量照片存进数字存储器中；另一类是触发模式相机(如分幅相机，条纹相机等)，能在触发后一短段时间内记录一组相片，其拍摄速度比连续模式相机快得多。

2014年9月，日本东京大学的K.Nakagawa教授等提出了一种简称为STAMP的序列时延全光学超快成像技术。这种成像技术能实现与基于“pump-probe”方法相同的超快时间分辨(已实现的最小帧频间隔为229fs)及相近的成像质量(约500×500像素)。这种成像技术能对很难重复发生的超快单次事件进行实时动态成像。

但是K.Nakagawa教授提出的STAMP技术可以在进一步改进的基础上把时间分辨率继续提高，突破百飞秒极限。改进的地方有两点：一是超短脉冲光源的频谱宽度不够宽，超短脉冲光源的频谱宽度为20nm左右，分成多个子脉冲后，各子脉冲的频谱宽度就更小了，小带宽子脉冲再压缩后的脉冲宽度就会较宽，而且不同子脉冲在时间波形上会出现重叠，这会导致所拍图像信息的重叠，从而限制了最终能实现的最小时间分辨能力；二是通过空间整形方式来进行频谱整形的过程中，空间整形器件的透过率分布未能进行分布精细优化，这也是导致子脉冲波形出现重叠的原因之一，也会最终限制最小时间分辨能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成像装置及超短脉冲序列生成方法，以在有效增大超短激光脉冲光源的频谱宽度基础上实现超短脉冲序列。

第一方面，本发明实施例提供的一种成像装置，包括：激光器、超连续谱发生器、脉冲压缩器、脉冲展宽器、脉冲整形器和成像单元，所述超连续谱发生器包括光子晶体光纤；

所述激光器用于产生超短激光脉冲输入所述光子晶体光纤；

所述光子晶体光纤用于将输入的超短激光脉冲的频谱展宽，输入所述脉冲压缩器；

所述脉冲压缩器用于将所述超连续谱发生器输出的经频谱展宽后的超短激光脉冲脉宽压缩，输入所述脉冲展宽器；

所述脉冲展宽器用于将所述脉冲压缩器输出的经脉宽压缩的超短激光脉冲进行啁啾展宽，输入所述脉冲整形器；

所述脉冲整形器，用于对所述脉冲展宽器输出的经啁啾展宽后的超短激光脉冲依次进行空间色散和频谱整形，再将经频谱整形后的超短激光脉冲反演至时间啁啾脉冲，生成啁啾超短脉冲序列，输入所述成像单元；

所述成像单元，用于接收所述啁啾超短脉冲序列，将所述啁啾超短脉冲序列中不同颜色的子脉冲在空间色散开，分别成像在所述成像单元内的感光器件的不同部分。

结合第一方面，本发明实施例还提供了第一方面的第一种可能实施方式，其中，所述脉冲压缩器包括一对平行放置的平面光栅，分别为第一平面光栅和第二平面光栅；

所述第一平面光栅用于将所述超连续谱发生器输出的经频谱展宽后的以锐角射入的超短激光脉冲进行第一次衍射后射入所述第二平面光栅；

所述第二平面光栅用于对射入所述第二平面光栅的超短激光脉冲进行第二次衍射，输入所述脉冲展宽器。

结合第一方面，本发明实施例还提供了第一方面的第二种可能实施方式，其中，所述脉冲展宽器包括色散介质、棱镜或光纤的任一种。

结合第一方面，本发明实施例还提供了第一方面的第三种可能实施方式，其中，所述脉冲整形器包括第一衍射光栅、空间光调制器和第二衍射光栅；

所述第一衍射光栅用于对所述脉冲展宽器输出的经啁啾展宽后的超短激光脉冲进行空间色散；

所述空间光调制器用于将经第一衍射光栅透射后的经空间色散后的超短激光脉冲进行频谱整形；

所述第二衍射光栅用于将所述空间光调制器输出的经频谱整形的超短激光脉冲反演至时间啁啾脉冲，生成啁啾超短脉冲序列。

结合第一方面的第三种可能实施方式，本发明实施例还提供了第一方面的第四种可能实施方式，其中，所述空间光调制器的透过率分布为按照预设规则设计的一维明暗条纹，所述预设规则包括使透光明条纹和暗条纹的透过率均呈高斯或超高斯分布。

结合第一方面或第一方面的第一种可能实施方式或第二种可能实施方式或第三种可能实施方式或第四种可能实施方式，本发明实施例还提供了第一方面的第五种可能实施方式，其中，所述激光器为钛宝石体式超短激光器。

第二方面，本发明实施例提供了一种超短脉冲序列生成方法，应用于成像装置，所述成像装置包括：激光器、超连续谱发生器、脉冲压缩器、脉冲展宽器和脉冲整形器，所述超连续谱发生器包括光子晶体光纤，所述方法包括：

所述光子晶体光纤接收所述激光器发出的超短激光脉冲，将输入的超短激光脉冲的频谱展宽；

所述脉冲压缩器将所述超连续谱发生器输出的经频谱展宽后的超短激光脉冲脉宽压缩；

所述脉冲展宽器将所述脉冲压缩器输出的经脉宽压缩的超短激光脉冲进行啁啾展宽；

所述脉冲整形器对所述脉冲展宽器输出的经啁啾展宽后的超短激光脉冲依次进行空间色散和频谱整形，再将经频谱整形后的超短激光脉冲反演至时间啁啾脉冲，生成啁啾超短脉冲序列。

结合第二方面，本发明实施例还提供了第二方面的第一种可能实施方式，其中，所述脉冲压缩器包括一对平行放置的平面光栅，分别为第一平面光栅和第二平面光栅；

所述脉冲压缩器用于将所述超连续谱发生器输出的经频谱展宽后的超短激光脉冲脉宽压缩，输入所述脉冲展宽器，包括：

所述超连续谱发生器输出的经频谱展宽后的超短激光脉冲以锐角射入所述第一平面光栅，所述第一平面光栅对输入所述第一平面光栅的超短激光脉冲进行第一次衍射后射入所述第二平面光栅；

所述第二平面光栅对射入所述第二平面光栅的超短激光脉冲进行第二次衍射，输入所述脉冲展宽器。

结合第二方面的第一种可能实施方式，本发明实施例还提供了第二方面的第二种可能实施方式，其中，所述脉冲整形器包括第一衍射光栅、空间光调制器和第二衍射光栅；

所述脉冲整形器，用于对所述脉冲展宽器输出的经啁啾展宽后的超短激光脉冲依次进行空间色散和频谱整形，再将经频谱整形后的超短激光脉冲反演至时间啁啾脉冲，生成啁啾超短脉冲序列，输入所述成像单元，包括：

所述第一衍射光栅对所述脉冲展宽器输出的经啁啾展宽后的超短激光脉冲进行空间色散；

所述空间光调制器将经第一衍射光栅透射后的经空间色散后的超短激光脉冲进行频谱整形；

所述第二衍射光栅将所述空间光调制器输出的经频谱整形的超短激光脉冲反演至时间啁啾脉冲，生成啁啾超短脉冲序列。

结合第二方面的第二种可能实施方式，本发明实施例还提供了第二方面的第三种可能实施方式，其中，所述空间光调制器的透过率分布为按照预设规则设计的一维明暗条纹，所述预设规则包括使透光明条纹和暗条纹的透过率均呈高斯或超高斯分布。

本发明实施例中，使用光子晶体光纤将输入的超短激光脉冲的频谱展宽，光子晶体光纤具有很强的非线性效应，当超短脉冲在PCF中传输时，光纤色散主要影响脉冲的时域波形，对频谱没有影响；非线性效应方面，介质的折射率与入射光的光强有关，空间表现为自聚焦效应(Self-focusing,SF)，时间表现为自相位调制(Self-phaseModulation,SPM)，它将导致脉冲的频谱展宽。

超短脉冲激光在光子晶体光纤中传输时，在正常色散区，控制条件抑制其它高阶非线性效应，仅有自相位调制和群速度色散效应作用时，超短脉冲可产生相位稳定的宽频谱展宽，可再压缩至极窄脉宽。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1示出了本发明实施例提供的一种成像装置的实施例的结构框图；

图2示出了本发明实施例提供的一种超短脉冲序列生成方法的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

用快速成像技术将事物发生发展的过程拍摄下来，然后进行细致分析，可以实现“将看不到的过程可视化”，从而加深对事物发生发展过程的认识。为了满足科学研究和工业应用需求，近几十年来高速成像技术已经获得快速发展并已有商品化产品。总体说来，常规的快速成像技术分为两类：一类是连续模式相机(如高速录像机)，能连续拍摄大量照片存进数字存储器中；另一类是触发模式相机(如分幅相机，条纹相机等)，能在触发后一短段时间内记录一组相片，其拍摄速度比连续模式相机快得多。触发模式相机多用来记录超快过程，目前最高水平的拍摄间隔可以达到如下指标：分幅相机可以实现约10ps间隔，而条纹相机可实现约100fs的时间间隔，但条纹相机仅能提供一维信息。

然而如超强超短激光脉冲与物质相互作用的超快过程，整个过程的发生时间极短，要对这个过程进行有效记录的话，不仅要求拍摄速度足够快，而且要求拍摄时间分辨率高，最好能提供作用区域的两维到三维信息。

要对超快过程进行高清晰度记录，不仅要求成像的帧频高，即帧与帧之间的时间间隔短，这样有助于将超快过程细节而全面地予以记录；另外还要曝光时间短，减小曝光时间有助于将超快过程的瞬间状态凝固住，从而能让科学家能对超快过程的瞬间状态进行清晰认识。曝光时间要小于帧频间隔时间，否则不同帧之间的信息会交叠，从而影响超快过程的观察研究。

2014年9月，日本东京大学的K.Nakagawa教授等提出了一种简称为STAMP的序列时延全光学超快成像技术。这种成像技术能实现与基于“pump-probe”方法相同的超快时间分辨(已实现的最小帧频间隔为229fs)及相近的成像质量(约500×500像素)。这种成像技术能对很难重复发生的超快单次事件进行实时动态成像。

但是K.Nakagawa教授提出的STAMP技术可以在进一步改进的基础上把时间分辨率继续提高，突破百飞秒极限。改进的地方有两点：一是超短脉冲光源的频谱宽度不够宽，超短脉冲光源的频谱宽度为20nm左右，分成多个子脉冲后，各子脉冲的频谱宽度就更小了，小带宽子脉冲再压缩后的脉冲宽度就会较宽，而且不同子脉冲在时间波形上会出现重叠，这会导致所拍图像信息的重叠，从而限制了最终能实现的最小时间分辨能力；二是通过空间整形方式来进行频谱整形的过程中，空间整形器件的透过率分布未能进行分布精细优化，这也是导致子脉冲波形出现重叠的原因之一，也会最终限制最小时间分辨能力。

为了解决K.Nakagawa教授提出的STAMP技术的部分缺陷，为了有效增大超短激光脉冲光源的频谱宽度，本发明实施例提供了一种成像装置，如图1所示，所述成像装置包括：激光器101、超连续谱发生器102、脉冲压缩器103、脉冲展宽器104、脉冲整形器105和成像单元106，所述超连续谱发生器102包括光子晶体光纤。

所述激光器101用于产生超短激光脉冲输入所述光子晶体光纤；

所述光子晶体光纤用于将输入的超短激光脉冲的频谱展宽，输入所述脉冲压缩器103；

所述脉冲压缩器103用于将所述超连续谱发生器102输出的经频谱展宽后的超短激光脉冲脉宽压缩，输入所述脉冲展宽器104；

所述脉冲展宽器104用于将所述脉冲压缩器103输出的经脉宽压缩的超短激光脉冲进行啁啾展宽，输入所述脉冲整形器105；

所述脉冲整形器105，用于对所述脉冲展宽器104输出的经啁啾展宽后的超短激光脉冲依次进行空间色散和频谱整形，再将经频谱整形后的超短激光脉冲反演至时间啁啾脉冲，生成啁啾超短脉冲序列，输入所述成像单元106；

所述成像单元106，用于接收所述啁啾超短脉冲序列，将所述啁啾超短脉冲序列中不同颜色的子脉冲在空间色散开，分别成像在所述成像单元106内的感光器件的不同部分。

本发明实施例中选用钛宝石体式超短激光系统作为光源，因为钛宝石激光器101内，激光在介质内所走光程相对较短，输出超短脉冲高阶色散较少，有利于后续系统对超短脉冲的应用和控制。

本发明实施例的所述超连续谱发生器102选用光子晶体光纤(Photonic Crystal Fibers，PCF)，由于所述光子晶体光纤独特的波导特性、允许所设计的光纤具有高的非线性系数和可控的零色散点、适当的色散条件、良好的模式特性和灵活多变的设计自由度，决定了其在产生超宽谱方面的独特优势。

描述光脉冲在光子晶体光纤中传输的广义非线性薛定谔方程(General NonlinearEquation,GNLSE)如下所示：

$\frac{\∂A}{\∂z}+\frac{\mathrm{\α}}{2}A-i\underset{k\≥1}{\mathrm{\Σ}}\frac{i^k{\mathrm{\β}}_k}{k!}\frac{{\∂}^{k}A}{{\∂t}^k}=\mathrm{i\γ}(1+\frac{i}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{\∂}{\∂t})\left[A(z,t){\∫}_{-\∞}^{\∞}R\left(t^{\′}\right){\left|A(z,t-t^{\′})\right|}^2{\mathrm{dt}}^{\′}\right]---\left(1\right)$

其中，α是PCF的损耗系数；ω₀是脉冲的中心波长；表示各阶色散(k为色散阶数)；为非线性系数，光纤的有效纤芯面积可以根据光场的横向分布函数F(x,y)计算：n₂为非线性折射率系数，对石英PCF一般取n₂＝2.6×10^-20m²W^-1。

响应函数R(t)包含电学的和振动的(喇曼)影响。假设电学的影响几乎是瞬时的，R(t)的函数形式可以写成：

R(t)＝(1-f_R)δ(t)+f_Rh_R(t)

式中，f_R为延时喇曼响应对非线性极化的贡献，利用已知的峰值喇曼增益系数值可以算出f_R约为0.18。喇曼响应函数h_R(t)的一个有用形式为：

$h_R\left(t\right)=\frac{{{\mathrm{\τ}}_1}^2+{{\mathrm{\τ}}_2}^2}{{\mathrm{\τ}}_1{{\mathrm{\τ}}_2}^2}\exp (-t/{\mathrm{\τ}}_2)\sin (t/{\mathrm{\τ}}_1)\mathrm{\θ}\left(t\right)$

τ₁和τ₂是两个可以调节的参数，适当的选取以适合实际的喇曼增益谱线；通常使用的数值是τ₁＝12.2fs和τ₂＝32fs。θ(t)是Heaviside函数，即当t>0时其值为1，而t≤0时其值为0。

广义非线性薛定谔方程比较精确地描述了光脉冲在光纤中的传输演变，若考虑足够多的高阶色散项，GNLSE还可以适用于几个光学周期的极短脉冲。为了使GNLSE中描述的各种效应更加清楚明了和数值求解的方便，记公式(1)中右边的积分为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Ω}={\∫}_{-\∞}^{\∞}R\left(t^{\′}\right){\left|A(z,t-t^{\′})\right|}^2{\mathrm{dt}}^{\′}\\ ={\∫}_{-\∞}^{\∞}[(1-f_R)\mathrm{\δ}\left(t\right)+f_R{h}_R\left(t\right)]{\left|A(z,t-t^{\′})\right|}^2{\mathrm{dt}}^{\′}\\ =(1-f_R){\left|A(z,t)\right|}^2+f_R{\∫}_{-\∞}^{\∞}{h}_R(t-t^{\′}){\left|A(z,t^{\′})\right|}^2{\mathrm{dt}}^{\′}\end{array}$

这样，把这个复杂的积分变成了喇曼响应函数h_R(t)和A(z,t)的卷积，数值计算时又可以通过方便的傅里叶变换将卷积变为二者傅里叶变换的乘积，再做逆变换得到卷积，巧妙而又精确的解决了非线性项的计算。这样，公式(1)可以写为：

这样一来，GNLSE每一项的物理意义也都很明确，上式左边表示损耗/增益和色散，右边表示各种非线性效应：自相位调制、自陡、喇曼响应等。

通过作变换：T＝t-z/v_g＝t-β₁z，引入以群速度v_g移动的参考系(即所谓的移动坐标系)，方程可以进一步化成：

$\frac{\∂A}{\∂z}=-\frac{\mathrm{\α}}{2}A+i\underset{k\≥2}{\mathrm{\Σ}}\frac{i^k{\mathrm{\β}}_k}{k!}\frac{{\∂}^{k}A}{{\∂T}^k}+\mathrm{i\γ}(1+\frac{i}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{\∂}{\∂T})(A*\mathrm{\Ω})$

对脉宽窄于5ps、但又包含多个光学周期的足够宽的飞秒脉冲(脉宽大于10fs)，利用Taylor展开则：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Ω}={\∫}_{-\∞}^{\∞}R\left(t^{\′}\right){\left|A(z,t-t^{\′})\right|}^2{\mathrm{dt}}^{\′}\\ ={\∫}_{-\∞}^{\∞}[(1-f_R)\mathrm{\δ}\left(t\right)+f_R{h}_R\left(t\right)][{\left|A(z,t)\right|}^2-t^{\′}\frac{\∂}{\∂t}{\left|A(z,t)\right|}^2]{\mathrm{dt}}^{\′}\\ =(1-f_R){\left|A(z,t)\right|}^2+f_R{\left|A(z,t)\right|}^2{\∫}_{-\∞}^{\∞}{h}_R\left(t^{\′}\right){\mathrm{dt}}^{\′}-\left[f_R{\∫}_{-\∞}^{\∞}{t}^{\′}{h}_R\left(t^{\′}\right){\mathrm{dt}}^{\′}\right]\frac{\∂}{\∂t}{\left|A(z,t)\right|}^2\\ ={\left|A(z,t)\right|}^2-T_R\frac{\∂}{\∂t}{\left|A(z,t)\right|}^2\end{array}$

这样可以对GNLSE进行化简，得到一个很有用的简化方程：

$\frac{\∂A}{\∂z}+\frac{\mathrm{\α}}{2}A-i\underset{k\≥1}{\mathrm{\Σ}}\frac{i^k{\mathrm{\β}}_k}{k!}\frac{{\∂}^{k}A}{{\∂t}^k}=\mathrm{i\γ}[{\left|A\right|}^{2}A+\frac{i}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{\∂}{\∂t}({\left|A\right|}^{2}A)-T_{R}A\frac{\∂{\left|A\right|}^2}{\∂t}]$

T_R是相应于喇曼响应的时间参数(或称为非线性响应函数的一次矩)，它与喇曼增益谱的斜率有关，在GLNSE中正比于T_R的项与延迟喇曼响应有关，对应于脉冲内喇曼效应诱发的自频移效应，T_R可由下式计算：

$T_R={\∫}_{-\∞}^{\∞}\mathrm{tR}\left(t\right)\mathrm{dt}=f_R{\∫}_{-\∞}^{\∞}{\mathrm{th}}_R\left(t\right)\mathrm{dt}$

实际上，非线性薛定谔方程的形式和光场的正负频表示有关，上面形式的的非线性薛定谔方程与光场的负频表示形式对应。但由于数学上和某些商业软件(如Matlab)中对正逆傅立叶变换采用不同的定义，则光场正负频表示也应与之一致。即如果采用数学上常用的傅立叶变换对，光场应采用正频表示形式：

则对应的非线性薛定谔方程形式变为：

$\frac{\∂\tilde{A}}{\∂z}+\frac{\mathrm{\α}}{2}\tilde{A}+i\underset{k\≥1}{\mathrm{\Σ}}\frac{{(-i)}^k{\mathrm{\β}}_k}{k!}\frac{{\∂}^k\tilde{A}}{{\∂t}^k}=-\mathrm{i\γ}(1-\frac{i}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{\∂}{\∂t})\left[\tilde{A}(z,t){\∫}_{-\∞}^{\∞}R\left(t^{\′}\right){\left|A(z,t-t^{\′})\right|}^2{\mathrm{dt}}^{\′}\right]$

其中，为慢变包络的复共轭。光场采用正频表示时，上式与光场负频表示时公式(1)形式上的不同提醒我们理论处理非线性薛定谔方程时，应注意其形式与光场正负频表示有关，采用与光场表示形式对应的非线性薛定谔方程形式。

当超短脉冲在PCF中传输时，光纤色散主要影响脉冲的时域波形，对频谱没有影响；非线性效应方面，介质的折射率与入射光的光强有关，空间表现为自聚焦效应，时间表现为自相位调制，它将导致脉冲的频谱展宽。最早是通过光脉冲在充满CS₂的盒子中传输时的瞬态自聚焦观察到的。Stolen和Lin对石英光纤中的SPM进行了系统的研究。当光纤长度L满足L_NL<L<L_D时，非线性项将起主要作用。如果只考虑SPM的作用，它将产生随光强变化的相位：

φ_NL(L,T)＝|U(0,T)|²(L_eff/L_NL)

L_eff＝[1-exp(-αL)]/α

L_eff为有效长度。当不计光纤损耗时，有效长度即为光纤实际长度。φ_NL(L,T)＝|U(0,T)|²(L_eff/L_NL)表明，SPM导致频率与时间有关，脉冲两侧有不同的瞬时光频率，即SPM引入了频率啁啾：

$\mathrm{\&delta;\&omega;}\left(T\right)=-\frac{{\&PartialD;\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{NL}}(L,T)}{\&PartialD;T}=-\frac{L_{\mathrm{eff}}}{L_{\mathrm{NL}}}\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;T}{\left|U(0,T)\right|}^2$

但与色散所致啁啾不同，SPM所致啁啾随传输距离的增大而增大，产生了新的频率成分，这些新的频率成分展宽了脉冲频谱。

超短脉冲激光在PCF中传输时，在正常色散区，控制条件抑制其它高阶非线性效应，仅有自相位调制和群速度色散效应作用时，超短脉冲可产生相位稳定的宽频谱展宽，可再压缩至极窄脉宽。

本发明实施例中，所述脉冲压缩器包括一对平行放置的平面光栅，使相关的光超短脉冲在一对平行放置的平面光栅间传播，使平行入射的激光超短脉冲经过两次一级衍射后，仍以平行光束形式射出。这样，当光波频率不同时，它们的衍射角不同，从而产生的相位差也不相同，其结果将使脉冲中频率较高的光波部分比频率较低的光波部分有更短的光程，从而抵消频率“啁啾”所引起的光波不同部分间的相对时间延迟，以达到压缩激光超短脉冲宽度的效果。

本发明实施例中，所述脉冲展宽器包括色散介质、棱镜或光纤的任一种。具体根据所需脉冲序列宽度采用不同的展宽方式，当所需脉冲序列宽度为fs量级，采用色散介质；当所需脉冲序列宽度为ps量级，采用棱镜色散；当所需脉冲序列宽度为ns量级，采用光纤色散。

本发明实施例中，所述脉冲整形器包括第一偏振分光镜、第一衍射光栅、第一透镜、空间光调制器、第二透镜、第二衍射光栅和第二偏振分光镜，所述脉冲展宽器输出的经啁啾展宽后的超短激光脉冲经过所述第一偏振分光镜后输入所述第一衍射光栅，经所述第一衍射光栅的空间色散后，再经过第一透镜的后焦面上，输入所述空间光调制器，所述空间光调制器修正此平面波时间频谱的赋值和位相。频谱被修改后的激光脉冲通过第二透镜射入所述第二衍射光栅，经所述第二衍射光栅将所述空间光调制器输出的经频谱整形的超短激光脉冲反演至时间啁啾脉冲，生成啁啾超短脉冲序列。

所述空间光调制器可以是掩模板，所述掩膜板可以是振幅型的，用以修改时间频谱分量的幅值；也可以是振幅型和相位型结合的复合型，用以控制时间频谱分量的复振幅。

在脉冲整形模块中，空间光调制器的设计将结合展宽后脉冲波形(即频谱分布)、系统传输带宽特性、脉冲再压缩过程模拟结果等进行精细设计，以实现不同子脉冲有相同的输出强度，这样能在成像过程中利用相机的最佳线性段进行清晰成像。空间光调制器的加工将结合微纳加工技术，将子脉冲的透过率分布加工成高斯形，因为高斯形频谱分布的子脉冲压缩后不会出现底部平台或小的脉冲序列，有利于成像系统的时间分辨率提高。

K.Nakagawa教授提出的STAMP技术主要包含简称为TMD和SMD的两部分。其中，TMD是Temporal Mapping Device的简称，这部分光路将实现超短激光脉冲的展宽、空间色散、空间调制、再压缩，将单个超短脉冲变成在一系列颜色不同的超短脉冲序列，这种啁啾脉冲序列相互有一定延时，经过超快事件发生现场后便会携带上不同时刻的过程信息。SMD是Spatial Mapping Device的简称，这部分光路将不同颜色成分的带有不同时刻过程信息的光在空间上分离开，成像在CCD的不同位置。这种巧妙的设计思想能实现超快过程的单发实时二维成像，如果在SMD部分引入全息成像或层析成像技术，还可实现三维成像。

因此，与现有的K.Nakagawa教授提出的STAMP技术相比，本发明实施例通过使用光子晶体光纤将输入的超短激光脉冲的频谱展宽，使得由激光器输出的超短激光脉冲的频谱足够宽，以有效增大超短激光脉冲光源的频谱宽度。

例如，假设超连续谱频谱宽度达到200nm以上，等间隔分成5个子脉冲，每个子脉冲的频谱宽度为20nm，那么子脉冲的傅里叶变换极限脉冲宽度可达45fs，考虑高阶色散因素影响，子脉冲压缩不能理想压缩，能实现小于100fs的子脉冲宽度。因此，本发明实施例能够将时间分辨率突破100fs极限。

如图2所示，本发明实施例提供了一种超短脉冲序列生成方法，应用于成像装置，所述成像装置包括：激光器、超连续谱发生器、脉冲压缩器、脉冲展宽器和脉冲整形器，所述超连续谱发生器包括光子晶体光纤，所述方法包括：

S21：光子晶体光纤将输入的超短激光脉冲的频谱展宽；

所述光子晶体光纤接收所述激光器发出的超短激光脉冲，将输入的超短激光脉冲的频谱展宽。

S22：脉冲压缩器将经频谱展宽后的超短激光脉冲脉宽压缩；

所述脉冲压缩器将所述超连续谱发生器输出的经频谱展宽后的超短激光脉冲脉宽压缩。

所述脉冲压缩器包括一对平行放置的平面光栅，分别为第一平面光栅和第二平面光栅。

所述超连续谱发生器输出的经频谱展宽后的超短激光脉冲以锐角射入所述第一平面光栅，所述第一平面光栅对输入所述第一平面光栅的超短激光脉冲进行第一次衍射后射入所述第二平面光栅；

所述第二平面光栅对射入所述第二平面光栅的超短激光脉冲进行第二次衍射，输入所述脉冲展宽器。

S23：脉冲展宽器将经脉宽压缩的超短激光脉冲啁啾展宽；

所述脉冲展宽器将所述脉冲压缩器输出的经脉宽压缩的超短激光脉冲进行啁啾展宽。

S24：脉冲整形器对经啁啾展宽后的超短激光脉冲依次空间色散和频谱整形，再反演至时间啁啾脉冲，生成啁啾超短脉冲序列；

所述脉冲整形器对所述脉冲展宽器输出的经啁啾展宽后的超短激光脉冲依次进行空间色散和频谱整形，再将经频谱整形后的超短激光脉冲反演至时间啁啾脉冲，生成啁啾超短脉冲序列。

所述脉冲整形器包括第一衍射光栅、空间光调制器和第二衍射光栅。

所述第一衍射光栅对所述脉冲展宽器输出的经啁啾展宽后的超短激光脉冲进行空间色散；

所述空间光调制器将经第一衍射光栅透射后的经空间色散后的超短激光脉冲进行频谱整形；

所述第二衍射光栅将所述空间光调制器输出的经频谱整形的超短激光脉冲反演至时间啁啾脉冲，生成啁啾超短脉冲序列。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程，可以参考前述成像装置实施例中的对应过程，在此不再赘述。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种成像装置，其特征在于，包括：激光器、超连续谱发生器、脉冲压缩器、脉冲展宽器、脉冲整形器和成像单元，所述超连续谱发生器包括光子晶体光纤；

所述激光器用于产生超短激光脉冲输入所述光子晶体光纤；

所述光子晶体光纤用于将输入的超短激光脉冲的频谱展宽，输入所述脉冲压缩器；

所述脉冲压缩器用于将所述超连续谱发生器输出的经频谱展宽后的超短激光脉冲脉宽压缩，输入所述脉冲展宽器；

所述脉冲展宽器用于将所述脉冲压缩器输出的经脉宽压缩的超短激光脉冲进行啁啾展宽，输入所述脉冲整形器；

所述脉冲整形器，用于对所述脉冲展宽器输出的经啁啾展宽后的超短激光脉冲依次进行空间色散和频谱整形，再将经频谱整形后的超短激光脉冲反演至时间啁啾脉冲，生成啁啾超短脉冲序列，输入所述成像单元；

所述成像单元，用于接收所述啁啾超短脉冲序列，将所述啁啾超短脉冲序列中不同颜色的子脉冲在空间色散开，分别成像在所述成像单元内的感光器件的不同部分。

2.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述脉冲压缩器包括一对平行放置的平面光栅，分别为第一平面光栅和第二平面光栅；

所述第一平面光栅用于将所述超连续谱发生器输出的经频谱展宽后的以锐角射入的超短激光脉冲进行第一次衍射后射入所述第二平面光栅；

所述第二平面光栅用于对射入所述第二平面光栅的超短激光脉冲进行第二次衍射，输入所述脉冲展宽器。

3.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述脉冲展宽器包括色散介质、棱镜或光纤的任一种。

4.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述脉冲整形器包括第一衍射光栅、空间光调制器和第二衍射光栅；

所述第一衍射光栅用于对所述脉冲展宽器输出的经啁啾展宽后的超短激光脉冲进行空间色散；

所述空间光调制器用于将经第一衍射光栅透射后的经空间色散后的超短激光脉冲进行频谱整形；

所述第二衍射光栅用于将所述空间光调制器输出的经频谱整形的超短激光脉冲反演至时间啁啾脉冲，生成啁啾超短脉冲序列。

5.根据权利要求4所述的成像装置，其特征在于，所述空间光调制器的透过率分布为按照预设规则设计的一维明暗条纹，所述预设规则包括使透光明条纹和暗条纹的透过率均呈高斯或超高斯分布。

6.根据权利要求1-5的任一所述的成像装置，其特征在于，所述激光器为钛宝石体式超短激光器。

7.一种超短脉冲序列生成方法，其特征在于，应用于成像装置，所述成像装置包括：激光器、超连续谱发生器、脉冲压缩器、脉冲展宽器和脉冲整形器，所述超连续谱发生器包括光子晶体光纤，所述方法包括：

所述光子晶体光纤接收所述激光器发出的超短激光脉冲，将输入的超短激光脉冲的频谱展宽；

所述脉冲压缩器将所述超连续谱发生器输出的经频谱展宽后的超短激光脉冲脉宽压缩；

所述脉冲展宽器将所述脉冲压缩器输出的经脉宽压缩的超短激光脉冲进行啁啾展宽；

所述脉冲整形器对所述脉冲展宽器输出的经啁啾展宽后的超短激光脉冲依次进行空间色散和频谱整形，再将经频谱整形后的超短激光脉冲反演至时间啁啾脉冲，生成啁啾超短脉冲序列。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述脉冲压缩器包括一对平行放置的平面光栅，分别为第一平面光栅和第二平面光栅；

所述脉冲压缩器用于将所述超连续谱发生器输出的经频谱展宽后的超短激光脉冲脉宽压缩，输入所述脉冲展宽器，包括：

所述超连续谱发生器输出的经频谱展宽后的超短激光脉冲以锐角射入所述第一平面光栅，所述第一平面光栅对输入所述第一平面光栅的超短激光脉冲进行第一次衍射后射入所述第二平面光栅；

所述第二平面光栅对射入所述第二平面光栅的超短激光脉冲进行第二次衍射，输入所述脉冲展宽器。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述脉冲整形器包括第一衍射光栅、空间光调制器和第二衍射光栅；

所述脉冲整形器，用于对所述脉冲展宽器输出的经啁啾展宽后的超短激光脉冲依次进行空间色散和频谱整形，再将经频谱整形后的超短激光脉冲反演至时间啁啾脉冲，生成啁啾超短脉冲序列，输入所述成像单元，包括：

所述第一衍射光栅对所述脉冲展宽器输出的经啁啾展宽后的超短激光脉冲进行空间色散；

所述空间光调制器将经第一衍射光栅透射后的经空间色散后的超短激光脉冲进行频谱整形；

所述第二衍射光栅将所述空间光调制器输出的经频谱整形的超短激光脉冲反演至时间啁啾脉冲，生成啁啾超短脉冲序列。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述空间光调制器的透过率分布为按照预设规则设计的一维明暗条纹，所述预设规则包括使透光明条纹和暗条纹的透过率均呈高斯或超高斯分布。