CN106406019B - 高时空分辨的多分幅光学成像装置及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高时空分辨的多分幅光学成像装置及成像方法。所述装置包括飞秒量级的超短脉冲激光系统、时间延迟系统、空间整形系统、时间序列化系统、半导体探测器、傅里叶滤波系统、空间分幅展开系统、成像记录系统；信号光从正面入射半导体探测器，超短脉冲激光经过时间延迟、空间整形和时间序列化后形成探针光，从背面入射半导体探测器。信号光引起的变化图像信息调制到探针光的序列光脉冲上，调制后的探针光经过傅里叶滤波及空间分幅展开后，不同时刻的图像在空间上分开，被成像记录系统记录。所述的装置能实现高时间分辨、高空间分辨的多分幅成像，其空间分辨率大于30lp/mm、时间分辨优于5ps、分幅数量不少于8幅图像。

Description

高时空分辨的多分幅光学成像装置及成像方法

技术领域

本发明涉及高速成像和超快成像技术领域，具体涉及一种高时空分辨的多分幅光学成像装置及成像方法。

背景技术

开展超快现象研究对自然科学、能源、材料、生物、光物理、光化学、激光技术、强光物理、高能物理等研究及技术领域具有重要意义。超快成像技术是超快现象研究的重要手段，传统超快成像技术时空分辨指标难以满足研究需求，成为超快现象研究的瓶颈。传统的二维超快成像技术主要分为扫描型分幅技术和微带型分幅技术。扫描型分幅技术对扫描电路要求苛刻并且边缘图像易畸变，因而没有得到实际的推广应用，而微带型分幅技术则受电子在微通道板内渡越时间弥散以及微通道板技术的制约，其极限时间分辨率只有30ps～40ps，空间分辨只有20lp/mm左右,可测量的动态范围小，且仅仅限于X射线波段。

因此，迫切需要一种能同时具有高时间和空间分辨、宽谱段覆盖的分幅成像技术。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种高时空分辨的多分幅光学成像装置及成像方法。本发明主要是利用时间序列化的探针光读取超快事件的瞬态图像信号，携带图像信号的探针光再通过光学系统进行空间分幅，实现超快图像记录。从而避免了基于电信号的分幅系统中的问题，可将超快成像技术时间分辨推进到皮秒量级。

本发明高时空分辨的多分幅光学成像装置，包括：飞秒量级的超短脉冲激光系统、时间延迟系统、空间整形系统、时间序列化系统、半导体探测器、傅里叶滤波系统、空间分幅展开系统、成像记录系统；

其中，飞秒量级的超短脉冲激光系统，用于产生飞秒量级超短脉冲激光，作为探针光的光源；

时间延迟系统，通过调整探针光传输路径长度控制探针光的记录起始时刻，从而实现与待探测事件的高精度同步；

空间整形系统，用于调整探针光的空间分布，如光束直径大小，光束空间分布的均匀性；

时间序列化系统，用于将单个飞秒量级的超短脉冲激光在时间域上展开为序列化的脉冲串，形成探针光，包括啁啾展宽装置及偏振延迟装置；啁啾展宽装置，用于把宽频谱超短激光利用色散使其在时间上进行展宽；偏振延迟装置用于把单个飞秒量级的超短脉冲激光通过调节其偏振态，变成序列化超短脉冲激光；

半导体探测器，其正面用于接收待探测超快事件产生的信号光，探针光经一个半透半反镜后，从背面入射到半导体探测器；信号光携带的变化图像信息通过半导体探测器调制到探针光的序列化光脉冲上；

傅里叶滤波系统，用于将携带变化图像信息的超短脉冲激光进行空间滤波；

空间分幅展开系统，用于把调制后的时序化的探针光在空间上展开；

成像记录系统，用于将经过空间分幅展开系统的光束成像，包括平面探测器。该平面探测器可以为CCD探测器或者CMOS探测器。

进一步地，所述的半导体探测器，它的结构从左到右依次为：光栅，探针光增反膜，半导体材料，探针光增透膜；光栅，用于调制从正面入射的信号光，被调制的信号光引起半导体材料变化，从背面入射的探针光探测到半导体的变化信息后，被探针光增反膜反射出半导体探测器。

进一步地，所述的傅里叶滤波系统包括：傅里叶透镜组和傅里叶滤波平板。

进一步地，所述的空间分幅系统由波长分幅装置和偏振分幅装置组成。

本发明高时空分辨的多分幅光学成像装置的成像方法，实现步骤如下：

1)飞秒量级的超短脉冲激光系统产生宽频谱宽度的超短激光脉冲作为探针光；

2)时间延迟系统调节探针光传输长度控制探针光起始记录时刻；

3)空间整形系统调整探针光的空间分布；

4)时间序列化系统，用于将单个飞秒量级的超短脉冲激光在时间域上展开为序列化的脉冲串，形成探针光序列；

5)待探测超快事件产生信号光，从正面入射到半导体探测器，引起材料的折射率变化；

6)探针光序列经一个半透半反镜后从背面入射到半导体探测器，携带因信号光产生的变化信息后从半导体探测器出射；

7)傅里叶滤波系统用于将携带变化图像信息的探针光序列进行空间滤波；

8)空间分幅展开系统把探针光序列在空间上分波段展开，以便在平面探测器上成像；

9)使用平面探测器记录图像；

10)对图像进行去背景处理；对步骤9)的图像进行去除背景处理，得到最终图像。

有益效果

本发明具备如下有益效果：

本发明能实现高时间分辨、高空间分辨和多分幅成像，其空间分辨率大于30lp/mm、时间分辨优于5ps、分幅达到8分幅。

附图说明

图1和图2是高时空分辨的多分幅光学成像装置的两种结构示意图；

图3是时间序列化系统的效果图；单个超短脉冲经过时间序列化系统后形成时间序列化的探针光脉冲串。

图4为空间分幅的一个效果图，经过空间分幅展开系统后，在成像记录系统成8分幅图像，分别对应不同时刻的图像；

图5展示了一种时间延时系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

实施例1

本实施例高时空分辨的多分幅光学成像装置，包括：飞秒量级的超短脉冲激光系统、时间延迟系统、空间整形系统、时间序列化系统、半导体探测器、傅里叶滤波系统、空间分幅展开系统、成像记录系统；

其中，飞秒量级的超短脉冲激光系统，用于产生飞秒量级超短脉冲激光，作为探针光的光源；

时间延迟系统，通过调整探针光传输路径长度控制探针光的记录起始时刻，从而实现与待探测事件的高精度同步。

空间整形系统，用于调整探针光的空间分布，如光束直径大小，光束空间分布的均匀性；

时间延迟系统和空间整形系统顺序可以互换；

时间序列化系统，用于将单个飞秒量级的超短脉冲激光在时间域上展开为序列化的脉冲串，形成探针光。主要由啁啾展宽装置及偏振延迟装置组成。啁啾展宽装置，用于把宽频谱超短激光利用色散使其在时间上进行展宽。偏振延迟装置用于把单个飞秒量级的超短脉冲激光通过调节其偏振态，变成序列化超短脉冲激光。图3是时间序列化的一个效果图。50fs的超短脉冲激光，通过时间序列化系统后，产生线性啁啾序列及偏振时间延迟，完成波长—偏振态—时间时序化编码。如图3所示，t1时刻脉冲对应的波长为λ₁，偏振方向为p，脉宽为5ps，以此类推。

空间整形系统和时间序列化系统的前后顺序可以互换；

半导体探测器，其正面用于接收待探测超快事件产生的信号光，探针光经一个半透半反镜后，从背面入射到半导体探测器；信号光携带的变化图像信息通过半导体探测器调制到探针光的序列化光脉冲上；

傅里叶滤波系统，用于将携带变化图像信息的超短脉冲激光进行空间滤波；

空间分幅展开系统，用于把调制后的时序化的探针光在空间上展开，不同时刻的图像将成像在CCD不同的位置。图3为空间分幅的一个效果图，经过空间分幅展开系统后，在成像记录系统成8分幅图像，分别对应不同时刻的图像。

成像记录系统，用于将经过空间分幅展开系统的光束成像，包括平面探测器。

进一步地，所述的半导体探测器，它的结构从左到右依次为：光栅，探针光增反膜，半导体材料，探针光增透膜；光栅，用于调制从正面入射的泵浦光，被调制的泵浦光引起半导体材料变化，从背面入射的探针光探测到半导体的变化信息后，被探针光增反膜反射出半导体探测晶体。

进一步地，本实施例中所述的傅里叶滤波系统包括：傅里叶凸透镜组和傅里叶滤波平板。

进一步地，本实施例中所述的空间分幅系统由波长分幅装置和偏振分幅装置组成。

实施例2

本实施例高时空分辨的多分幅光学成像装置的成像方法，如附图1所示，实现步骤如下

1)飞秒量级的超短脉冲激光系统产生宽频谱宽度的超短激光脉冲作为探针光，本实施例中，超快脉冲激光为800nm为中心波长的钛宝石激光，半高宽为40nm；

2)时间延迟系统调节探针光传输长度控制探针光起始记录时刻。

图5展示了一种时间延时系统。光束由反射镜M1入射，由反射镜M2，M3传输后由反射镜M4输出。其中M1和M4固定位置不变，M2和M3固定在一个可移动的平移台上，可以同时沿左右移动，从而改变入射光的光程。

3)空间整形系统调整探针光的空间分布，如光束直径大小，光束空间分布的均匀性。根据需要可以选择不同的器件，如利用扩束器和缩束器可以把光斑变大或者变小；利用小孔滤波可以改变光斑均匀性；本实例中，选用了倍数可变缩束器把光斑缩小了3倍。

4)时间序列化系统，用于将单个飞秒量级的超短脉冲激光在时间域上展开为序列化的脉冲串，形成探针光序列。主要由啁啾展宽装置和偏振延时装置组成，啁啾展宽装置，用于把宽频谱超短激光利用色散使其在时间是进行展宽，可以利用光纤的色散实现；本例中，偏振延时装置由偏振片和延时晶体组成，偏振片用于旋转超短脉冲激光偏振方向，延迟晶体是利用晶体双折射性，使超短脉冲激光通过晶体后，产生具有固定时间间隔的两个超短脉冲，它们的偏振方向分别沿水平和竖直方向，两个晶体的延迟间隔可以通过调节晶体的长度改变。

5)待探测超快事件产生信号光，从正面入射到半导体探测器，引起材料的折射率变化；

6)探针光序列经一个半透半反镜后从背面入射到半导体探测器，携带因信号光产生的变化信息后从半导体探测器出射。

7)傅里叶滤波系统用于将携带变化图像信息的探针光序列进行空间滤波，傅里叶滤波系统由傅里叶透镜组和傅里叶滤波平板组成，傅里叶滤波平板放在两个透镜的焦平面上，滤掉零级和负级，留下正级。

8)空间分幅展开系统由波长分幅装置和偏振分幅装置组成，用于把探针光序列在空间上分波段分偏振态展开，以便在CCD上成像；本例中波长分幅装置由3个半透半反分束片和4个窄带滤波片组成。3个半透半反分束片用于把携带待探测超快事件信息的探针光平均分成4束探针光，经过4个窄带滤波片后，把4个不同波段的探针光提取出来，分别在4个CCD上成4幅图像；偏振分幅装置由光束位移器组成，用于把偏振方向不同超短激光脉冲在CCD上下分开，所以最后在CCD上呈8幅图像。

9)使用CCD记录；

10)对图像进行去背景处理；对步骤9)的图像进行去除背景处理，得到最终图像。

实施例3

本实施例高时空分辨的多分幅光学成像装置的成像方法，如附图2所示，实现步骤如下

1)飞秒量级的超短脉冲激光系统产生宽频谱宽度的超短激光脉冲作为探针光，本实施例中，超快脉冲激光为800nm为中心波长的钛宝石激光，半高宽为40nm；

2)时间延迟系统调节探针光传输长度控制探针光起始记录时刻。

图5展示了一种时间延时系统。光束由反射镜M1入射，由反射镜M2，M3传输后由反射镜M4输出。其中M1和M4固定位置不变，M2和M3固定在一个可移动的平移台上，可以同时沿左右移动，从而改变入射光的光程。

3)空间整形系统调整探针光的空间分布，如光束直径大小，光束空间分布的均匀性。根据需要可以选择不同的器件，如利用扩束器和缩束器可以把光斑变大或者变小；利用小孔滤波可以改变光斑均匀性；本实例中，选用了倍数可变缩束器把光斑缩小了3倍。

4)时间序列化系统，用于将单个飞秒量级的超短脉冲激光在时间域上展开为序列化的脉冲串，形成探针光序列。主要由啁啾展宽装置和偏振延时装置组成，啁啾展宽装置，用于把宽频谱超短激光利用色散使其在时间是进行展宽，可以利用光纤的色散实现；本例中，偏振延时装置由偏振片和延时晶体组成，偏振片用于旋转超短脉冲激光偏振方向，延迟晶体是利用晶体双折射性，使超短脉冲激光通过晶体后，产生具有固定时间间隔的两个超短脉冲，它们的偏振方向分别沿水平和竖直方向，两个晶体的延迟间隔可以通过调节晶体的长度改变。

5)待探测超快事件产生信号光，从正面入射到半导体探测器，引起材料的折射率变化；

6)探针光序列经一个半透半反镜后从背面入射到半导体探测器，携带因信号光产生的变化信息后从半导体探测器出射。

7)傅里叶滤波系统用于将携带变化图像信息的探针光序列进行空间滤波，傅里叶滤波系统由傅里叶透镜组和傅里叶滤波平板组成，傅里叶滤波平板放在两个透镜的焦平面上，滤掉零级和负级，留下正级。

8)空间分幅展开系统由波长分幅装置和偏振分幅装置组成，用于把探针光序列在空间上分波段分偏振态展开，以便在CCD上成像；本例中波长分幅装置由3个半透半反分束片和4个窄带滤波片，以及一个4合1多路光纤传像器组成。3个半透半反分束片用于把携带待探测超快事件信息的探针光平均分成4束探针光，经过4个窄带滤波片后，把4个不同波段的探针光提取出来，然后由1个4合1多路光纤传像器集成1路，在CCD上成4幅图像；偏振分幅装置由光束位移器组成，用于把偏振方向不同超短激光脉冲在CCD上下分开，所以最后在CCD上呈8幅图像。

9)使用CCD记录；

10)对图像进行去背景处理；对步骤9)的图像进行去除背景处理，得到最终图像。

上述各实施例中，时间延迟系统和空间整形系统顺序可以互换；

对本发明应当理解的是，以上所述的实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明，以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限定本发明，凡是在本发明的精神原则之内，所作出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种高时空分辨的多分幅光学成像装置，其特征在于，包括：飞秒量级的超短脉冲激光系统、时间延迟系统、空间整形系统、时间序列化系统、半导体探测器、傅里叶滤波系统、空间分幅展开系统、成像记录系统；

其中，飞秒量级的超短脉冲激光系统，用于产生飞秒量级超短脉冲激光，作为探针光的光源；

时间延迟系统，通过调整探针光传输路径长度控制探针光的记录起始时刻，从而实现与待探测事件的高精度同步；

空间整形系统，用于调整探针光的空间分布，包括：光束直径大小，光束空间分布的均匀性；

时间序列化系统，用于将单个飞秒量级的超短脉冲激光在时间域上展开为序列化的脉冲串，形成探针光，包括：啁啾展宽装置及偏振延迟装置；啁啾展宽装置，用于把宽频谱超短激光利用色散使其在时间上进行展宽；偏振延迟装置用于把单个飞秒量级的超短脉冲激光通过调节其偏振态，变成序列化超短脉冲激光；

半导体探测器，其正面用于接收待探测超快事件产生的信号光，探针光经一个半透半反镜后，从背面入射到半导体探测器；信号光携带的变化图像信息通过半导体探测器调制到探针光的序列化光脉冲上；

傅里叶滤波系统，用于将携带变化图像信息的超短脉冲激光进行空间滤波；

空间分幅展开系统，用于把调制后的时序化的探针光在空间上展开；

成像记录系统，用于将经过空间分幅展开系统的光束成像，包括平面探测器；该平面探测器为CCD探测器或者CMOS探测器。

2.根据权利要求1所述的高时空分辨的多分幅光学成像装置，其特征在于，所述的半导体探测器，它的结构从左到右依次为：光栅，探针光增反膜，半导体材料，探针光增透膜；光栅，用于调制从正面入射的信号光，被调制的信号光引起半导体材料变化，从背面入射的探针光探测到半导体的材料变化信息后，被探针光增反膜反射出半导体探测器。

3.根据权利要求1所述的高时空分辨的多分幅光学成像装置，其特征在于，所述的傅里叶滤波系统包括：傅里叶透镜组和傅里叶滤波平板。

4.根据权利要求1所述的高时空分辨的多分幅光学成像装置，其特征在于，所述的空间分幅系统由波长分幅装置和偏振分幅装置组成。

5.一种高时空分辨的多分幅光学成像装置的成像方法，其特征在于，实现步骤如下：

1)飞秒量级的超短脉冲激光系统产生宽频谱宽度的超短激光脉冲作为探针光；

2)时间延迟系统调节探针光传输长度控制探针光起始记录时刻；

3)空间整形系统调整探针光的空间分布；

4)时间序列化系统，用于将单个飞秒量级的超短脉冲激光在时间域上展开为序列化的脉冲串，形成探针光序列；

5)待探测超快事件产生信号光，从正面入射到半导体探测器，引起材料的折射率变化；

6)探针光序列经一个半透半反镜后从背面入射到半导体探测器，携带因信号光产生的变化信息后从半导体探测器出射；

7)傅里叶滤波系统用于将携带变化图像信息的探针光序列进行空间滤波；

8)空间分幅展开系统把探针光序列在空间上分波段同时分偏振展开，以便在CCD上成像；

9)使用平面探测器记录；

10)对图像进行去背景处理；对步骤9)的图像进行去除背景处理，得到最终图像。