CN110618594A - 一种单击序列全息成像系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种单击序列全息成像系统及方法，系统利用包含一组衍射光栅的序列脉冲发生器同步产生实现多通道角分复用全息记录所需的探测脉冲序列和参考脉冲序列，保证两脉冲序列波前之间无夹角，且分别作为探测脉冲序列和参考脉冲序列进入全息记录单元中。克服了超短脉冲激光在单击序列全息成像系统中的走离效应，有效避免了超短脉冲的短相干性对单击序列全息成像的空间分辨率和视场的限制。
Description
技术领域
本公开属于全息成像技术领域，具体涉及一种单击序列全息成像系统和方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
对超快激光诱导等离子体、激光成丝和烧蚀等快速事件的动力学过程进行超快成像研究具有重要的学术和应用意义。特别是随着超短脉冲激光系统的快速发展与普及，在超短脉冲激光与物质相互作用的研究领域中，如何记录皮秒或飞秒量级的突变过程显然已成为一个重要课题。近年来研究人员就此研究课题提出了各式各样的方法，这些方法可分为重复泵浦-探测成像(MRPI)方法和单击序列成像(SSSI)方法。由于重复泵浦-探测成像(MRPI)方法需要对一个动态过程进行多次重复测量才可实现对超快过程的序列成像，因此这类方法对不可重复或难以复制的超快现象是不适用的。单击序列成像(SSSI)方法则可以克服上述方法的不足，实现单个动态过程的多帧序列成像。在已有的单击序列成像(SSSI)方法中，基于数字全息技术的单击序列全息成像(SSSHI)方法由于可以同时实现被测物波波前的振幅和相位信息超快成像而得到越来越多的研究和应用。例如，Chen等人提出了一种基于空分复用全息成像技术的单击序列全息成像(SSSHI)方法，成功获取了帧间隔为34ps的多帧序列全息图像。但如图1(a)所示，由于超短激光脉冲宽度的限制，已有SSSHI方法中探测脉冲与参考脉冲在记录平面上的有效干涉区域将随两脉冲间的夹角增大而缩小；这种在离轴全息记录结构中由激光脉宽引起的走离效应将使全息成像的视场或空间分辨率受到很大限制。虽然已有人提出了一些消除这种走离效应的成像系统，但这些系统都属于重复泵浦-探测成像(MRPI)方法。另外，在现有的单击序列全息成像(SSSHI)方法中，同轴探测脉冲序列与离轴参考脉冲序列必须通过两组不同的脉冲序列发生器分别产生，这就给探测脉冲与参考脉冲在记录平面的精确对准带来极大困难。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种单击序列全息成像系统和方法，本公开利用包含一组衍射光栅的脉冲序列发生器同步产生实现多通道角分复用全息记录所需的探测脉冲序列和参考脉冲序列，成功克服了超短脉冲激光在单击序列全息成像(SSSHI)系统中的走离效应，有效避免了超短脉冲的短相干性对单击序列全息成像(SSSHI)的空间分辨率和视场的限制。同时还简化了探测脉冲与参考脉冲的同步相干调节过程并降低了系统的复杂度。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种单击序列全息成像系统，包括脉冲序列发生器单元和全息记录单元，其中：
第一分光镜将输入的脉冲激光分成两束，一束进入脉冲序列发生器单元，所述脉冲序列发生器单元包括2n个分束器、n个脉冲延迟器和n个衍射光栅，其中前n个分束器先后分离出n个子脉冲，n个子脉冲之间的时间间隔分别通过对应的脉冲延迟器进行精确控制，利用衍射光栅对每个脉冲延迟器延迟后的脉冲施加衍射作用，最后一个分束器的输出脉冲将被分成两组脉冲序列：通过光栅后所有零衍射级脉冲组成的同轴传输脉冲序列和由其他高衍射级脉冲组成的离轴传输脉冲序列，保证两脉冲序列的波前之间无夹角，且分别作为探测脉冲序列和参考脉冲序列进入全息记录单元中。
上述技术方案中，所述探测脉冲序列作为时间分辨序列探测脉冲用于照明被测物体，所述参考脉冲序列作为具有所需倾斜波前的离轴参考脉冲序列，利用巧妙的脉冲序列发生器单元的结构设计，实现同一序列脉冲发生器产生探测脉冲序列和参考脉冲序列，同时一组衍射光栅的序列脉冲发生器同步产生实现多通道角分复用全息记录所需的探测脉冲序列和参考脉冲序列，且能够保证探测脉冲序列和参考脉冲序列的波前之间无夹角，成功克服了超短脉冲激光在单击序列全息成像系统中的走离效应，有效避免了超短脉冲的短相干性对单击序列全息成像的空间分辨率和视场的限制。
作为进一步的限定，所述前n个分束器同轴分布，后n个分束器同轴分布。
作为进一步的限定，前n个分束器中的第m个分束器和后n个分束器中的第m个分束器之间的光传输路径上设置有一脉冲延迟器和一衍射光栅，其中，m小于等于n，n等于输出脉冲序列中的子脉冲数。
作为进一步的限定，所述全息记录单元中，输入的探测脉冲序列和参考脉冲序列由第二分光镜分为两路，分别进入物光光路和参考光光路。
作为更进一步的限定，所述物光光路中，脉冲序列先通过一个置于第一透镜后焦处的第一针孔滤波器滤波，所述第一针孔滤波器仅允许沿光轴传输的探测脉冲序列通过，通过所述第一针孔滤波器的探测脉冲序列再依次通过一个光学延迟器、准直透镜、被测物体、物镜、筒镜和分光镜后到达图像传感器的记录面。
作为更进一步的限定，所述参考光光路中，入射脉冲序列先通过一个同样置于第一透镜后焦面处的第二多针孔滤波器，第二多针孔滤波器只允许由高阶衍射项组成的参考脉冲序列通过，经过第二多针孔滤波器的参考脉冲序列通过第二透镜最后到达图像传感器的记录面，与经物光光路到达记录面的探测脉冲序列叠加形成单击序列角分复用全息图。
作为进一步的限定，所述脉冲序列发生器单元的所有衍射光栅的设置位置恰好都位于第一透镜的前焦平面上。
作为进一步的限定，所述图像传感器的记录平面位置恰好位于第二透镜的后焦面处，第一透镜和第二透镜组成一个4f成像系统，所有通过第二多针孔滤波器的离轴参考脉冲将在图像传感器记录平面处完全重叠，并与来自物光光路的探测脉冲相干叠加。
作为进一步的限定，所述系统还包括激光发生器，或包括激光发生器和准直器。
一种单击序列全息成像方法，将输入的脉冲激光分成两束，一束进入脉冲序列发生器单元，所述脉冲序列发生器单元包括2n个分束器、n个脉冲延迟器和n个衍射光栅，其中前n个分束器先后分离出n个子脉冲，n个子脉冲之间的时间间隔分别通过对应的脉冲延迟器进行精确控制，利用衍射光栅对每个脉冲延迟器延迟后的脉冲施加衍射作用，最后一个分束器的输出脉冲将被分成两组脉冲序列：通过光栅后所有零衍射级脉冲组成的同轴传输脉冲序列和由其他高衍射级脉冲组成的离轴传输脉冲序列，保证两脉冲序列波前之间无夹角，且分别作为探测脉冲序列和参考脉冲序列，进而得到单击序列角分复用全息图，利用空间滤波算法，将不同时刻经过被测物体的探测脉冲的复振幅分布从全息图中分别提取出来从而实现被测物体的序列全息成像。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开利用包含一组衍射光栅的序列脉冲发生器同步产生实现多通道角分复用全息记录所需的探测脉冲序列和参考脉冲序列，成功克服了超短脉冲激光在单击序列全息成像(SSSHI)系统中的走离效应，有效避免了超短脉冲的短相干性对单击序列全息成像(SSSHI)的空间分辨率和视场的限制，能够增加所记录全息图的有效干涉区域，从而大大增加全息再现像的视场或空间分辨率。
同时本公开实现了利用同一序列脉冲发生器(SPTG)产生探测脉冲序列和参考脉冲序列，从而大大简化了探测脉冲与参考脉冲的同步相干调节过程并降低了系统的复杂度。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1(a)是本公开的超短脉冲在传统离轴全息记录结构中引起的走离效应示意图；
图1(b)是本公开的利用倾斜的参考脉冲前沿实现消除走离效应原理示意图；
图2是本公开的单击序列全息成像(SSSHI)系统原理示意图；
图3是本实施例的试验装置示意图；
图4(a)是本实施例的实验记录的空间频分复用全息图，图4(b)是本实施例的空间频分复用全息图的傅里叶频谱图；
图5(a)和图5(b)是从单击空间频分复用全息图中提取的飞秒脉冲激光诱导空气等离子体动力学超快全息序列成像的两组实验实例。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
如图2所示所述，单击序列全息成像(SSSHI)系统。该系统利用包含一组衍射光栅的序列脉冲发生器同步产生实现多通道角分复用全息记录所需的探测脉冲序列和参考脉冲序列，成功克服了超短脉冲激光在单击序列全息成像(SSSHI)系统中的走离效应，有效避免了超短脉冲的短相干性对单击序列全息成像(SSSHI)的空间分辨率和视场的限制。同时该系统利用同一序列脉冲发生器(SPTG)产生探测脉冲序列和参考脉冲序列，从而大大简化了探测脉冲与参考脉冲的同步相干调节过程并降低了系统的复杂度。
假设输入光束是经过准直后的一个脉冲激光。它首先经分光镜BS1进入序列脉冲发生器(SPTG)单元以产生实现多通道角分复用全息记录所需的探测脉冲序列(PPT)和参考脉冲序列(RPT)。作为一个实施例，图2所示的序列脉冲发生器(SPTG)单元仅用于产生由五个子脉冲组成的脉冲序列。这个1X5序列脉冲发生器(SPTG)单元包括10个分束器(S1-S10)、5个脉冲延迟器(PD1-PD5)和5个衍射光栅(G1-G5)。当一个脉冲激光进入序列脉冲发生器(SPTG)单元后，分束器S1-S5将先后分离出5个子脉冲。这些子脉冲之间的时间间隔可分别通过脉冲延迟器PD1-PD5进行精确控制。由于光栅G1-G5的衍射效应，通过最后一个分束器S10的输出脉冲将被分成两组脉冲序列：通过光栅后所有零衍射级脉冲组成的同轴传输脉冲序列和由其他高衍射级脉冲组成的离轴传输脉冲序列。这两组脉冲序列刚好可作为实现单击序列全息成像的探测脉冲序列(PPT)和参考脉冲序列(RPT)；前者即PPT，作为时间分辨序列探测脉冲用于照明被测物体；而后者RPT，则作为具有所需倾斜波前的离轴参考脉冲序列，可实现如图1(b)所示的无走离效应的离轴全息记录。
当然，在其它实施例中，脉冲序列可以由其他数量的子脉冲组成，相应的，分束器、脉冲延迟器和衍射光栅的数量需要随之改变，这些均为本领域技术人员容易想到的简单变换，具体方案在此不再罗列和赘述，但是这些变换理应属于本公开的保护范围。
为了实现对超快事件的单击序列全息成像(SSSHI)，上述序列脉冲发生器(SPTG)单元产生的探测脉冲序列(PPT)和参考脉冲序列(RPT)经过第一傅里叶变换透镜L1作为入射光进入后续的短相干性角分复用(SFDM)全息记录单元中。在该全息记录单元中，输入的脉冲序列先由分束器SB2将其分为两路，分别进入物光光路和参考光光路。在物光光路中，脉冲序列先通过一个置于透镜L1的后焦面处的第一针孔滤波器PF1滤波，该滤波器仅允许沿光轴传输的探测脉冲序列(PPT)通过。通过第一针孔滤波器PF1的探测脉冲序列再依次通过光学延迟器(OD)、准直透镜L3、被测物体O、物镜OL、筒镜TL和分光镜SB3，最后到达图像传感器IS的记录面。在参考光光路中，入射脉冲序列先通过一个同样置于透镜L1后焦面处的第二多针孔滤波器PF2，该滤波器只允许由五个高阶衍射项(如，五个正一级衍射项)组成的参考脉冲序列(RPT)通过；通过PF2的参考脉冲序列(RPT)再依次通过反射镜M4、第二傅里叶变换透镜L2、反射镜M5和分光镜SB3，最后也到达图像传感器IS的记录面，与经物光光路到达记录面的探测脉冲序列叠加形成单击序列角分复用全息图(SFDM)。调整脉冲序列发生器(SPTG)单元内的所有光栅位置使其恰好都位于透镜L1的前焦平面上，同时调整图像传感器(IS)的记录平面位置使其位于透镜L2的后焦面处；此时，透镜L1与L2就组成了一个4f成像系统，此时所有通过多针孔滤波器PF2的离轴参考脉冲将在图像传感器(IS)记录平面处完全重叠，并与来自物光光路的探测脉冲相干叠加。
由于在图像传感器记录平面处的探测脉冲序列(PPT)中的每个探测脉冲只能与来自同一光栅的参考脉冲发生干涉，选择五个光栅具有不同的空间频率和取向，就可以通过图像传感器(IS)得到一个单击序列角分复用(SFDM)全息图并输入计算机中。利用传统的空间滤波算法，不同时刻经过被测物体的探测脉冲的复振幅分布就可从该全息图中分别提取出来从而实现被测物体的序列全息成像。
根据图2所示的原理示意图设计了实验实施示例。图3所示为该实验系统的照片。实验系统中，所需的超短脉冲激光来自一个钛蓝宝石再生激光放大器系统，该系统可以输出最大单脉冲能量为4.0mJ、最窄脉冲宽度为30fs、中心波长800nm的单脉冲激光。实验采用的光栅是在镀铬光学玻璃基板上进行光蚀刻得到的一维透射光栅，周期均为25μm，光栅取向则分别为0度、36度、72度、108度和144度。透镜L1与L2的焦距均为200mm。探测脉冲序列(PPT)和参考脉冲序列(RPT)分别取自光栅的零级衍射项和正一级衍射项。用于记录单击序列角分复用全息图的图像传感器的像素大小为3.45μmx 3.45μm、像素数为2448x 2048。
当然，图3中记载的参数仅为本实施例中采用的，在其他实施例中，可以根据具体情况进行变更。
实施例中记录的超快过程为由单个聚焦飞秒脉冲激光在空气中激发空气等离子体的瞬态过程。首先，来自激光系统的一个激光脉冲被分束器BS1分割为两组脉冲：泵浦脉冲和测量脉冲。泵浦脉冲经过脉冲延时器PD6后由泵浦透镜PL(焦距：15mm)进行聚焦，并在焦斑处诱导空气等离子体。同时，测量脉冲进入序列脉冲发生器(SPTG)单元产生记录序列角分复用全息图所需的探测脉冲序列(PPT)和参考脉冲序列(RPT)。当探测脉冲序列(PPT)透过作为被测样品的空气等离子体区域时，探测脉冲序列中的不同子脉冲就携带了不同时刻下空气等离子体密度信息；探测脉冲序列中的子脉冲间隔可通过序列脉冲发生器(SPTG)单元中的探测脉冲延迟器PD1-PD5进行调整。此外，激发空气等离子体的泵浦脉冲与探测脉冲之间的时间间隔则可通过调整泵浦脉冲延迟器PD6进行改变。当脉冲序列发生器(SPTG)单元中的分束器(S1-S10)具有相同的分光比时，由脉冲序列发生器(SPTG)单元产生的脉冲序列中的各子脉冲具有相同的强度。
图4(a)为实施例中实验记录的一个单击序列角分复用全息图实例。为了与已有的单击序列全息成像方法作对比，图4(a)中用虚线圆标出了用已有单击序列全息成像方法记录全息图的有效干涉区域，并给出了用本公开系统记录的全息图的干涉条纹局部放大图。由图可见，本公开系统由于完全克服了已有单击序列全息成像方法中存在的走离效应，大大增加了所记录全息图的有效干涉区域，从而可大大增加全息再现像的视场或空间分辨率。图4(b)是通过对所记录全息图进行二维快速傅里叶变换运算后得到的全息图的傅里叶频谱图；图中所示的五个虚线圆(P1-P5)分别标出了可通过空间滤波算法提取的五个探测子脉冲复振幅的傅里叶频谱。
图5(a)和图5(b)为实验得到的两例聚焦飞秒脉冲激光激发的空气等离子体超快序列全息再现像。图5(a)给出的是时间间隔为200fs(对应帧率为：5×1012帧/秒)的超快序列全息再现像的振幅(左)和相位(右)分布。图5(b)则是时间间隔为333ps(对应帧率为：3×109帧/秒)的超快序列全息再现像的振幅(左)和相位(右)分布。该实验结果表明，利用本公开的系统可以实现从109到1012帧率的超快序列全息成像。
上述实验结果已经充分证明了本公开系统实现超快单击序列全息成像的可行性和具有的明显优势。与已有的非全息超快序列成像方法相比，本公开系统的优点在于能同时实现振幅和相位信息的超快序列成像，因此能够适用于需要从样品的相位分布信息提取待测物理量的应用场合，而用已有的单击非全息超快序列成像方法则难以实现相位信息的超快序列成像。
与已有的单击序列全息成像方法相比，本公开系统则具有能完全克服超短脉冲在离轴全息记录中存在的走离效应，从而可以实现大视场或高空间分辨率的超快单击序列全息成像。同时，由于本系统中设计的用单一的序列脉冲发生器(SPTG)单元就能够同时生成实现单击序列全息成像所需的同步探测脉冲序列与参考脉冲序列，并且序列中各子探测脉冲与相应子参考脉冲的同步和时间延迟可由同一个光学延迟器控制，从而使系统的复杂性和同步调整难度大大降低。
虽然本公开中只给出了实现五幅单击序列成像的实验验证，本领域的技术人员可以很容易将其扩展，以实现更多幅单击序列全息成像。另外，由于本系统中全息记录平面与序列脉冲发生器单元中的光栅位置满足几何成像条件，可使单脉冲激光包含的各频谱分量形成的干涉条纹在记录平面完全重合，从而可实现高对比度脉冲全息记录。因此，本公开所提出的单击序列全息成像(SSSHI)系统将为研究全息成像超快动力学尤其是飞秒脉冲激光诱导的超快动力学提供强有力的工具。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种单击序列全息成像系统，其特征是：包括脉冲序列发生器单元和全息记录单元，其中：
第一分光镜将输入的脉冲激光分成两束，一束进入脉冲序列发生器单元，所述脉冲序列发生器单元包括2n个分束器、n个脉冲延迟器和n个衍射光栅，其中前n个分束器先后分离出n个子脉冲，n个子脉冲之间的时间间隔分别通过对应的脉冲延迟器进行精确控制，利用衍射光栅对每个脉冲延迟器延迟后的脉冲施加衍射作用，最后一个分束器的输出脉冲将被分成两组脉冲序列：通过光栅后所有零衍射级脉冲组成的同轴传输脉冲序列和由其他高衍射级脉冲组成的离轴传输脉冲序列，保证两脉冲序列波前之间无夹角，且分别作为探测脉冲序列和参考脉冲序列进入全息记录单元中。
2.如权利要求1所述的一种单击序列全息成像系统，其特征是：所述前n个分束器同轴分布，后n个分束器同轴分布。
3.如权利要求1所述的一种单击序列全息成像系统，其特征是：前n个分束器中的第m个分束器和后n个分束器中的第m个分束器间的光传输路径上设置有一脉冲延迟器和一衍射光栅，其中，m小于等于n，n等于输出脉冲序列中的子脉冲数。
4.如权利要求1所述的一种单击序列全息成像系统，其特征是：所述全息记录单元中，输入的探测脉冲序列和参考脉冲序列由第二分光镜分为两路，分别进入物光光路和参考光光路。
5.如权利要求1所述的一种单击序列全息成像系统，其特征是：所述物光光路中，脉冲序列先通过一个置于第一透镜的后焦面处的第一针孔滤波器滤波，所述第一针孔滤波器仅允许沿光轴传输的探测脉冲序列通过，通过所述第一针孔滤波器的探测脉冲序列再依次通过一个光学延迟器、准直透镜、被测物体、物镜、筒镜和分光镜后到达图像传感器的记录面。
6.如权利要求5所述的一种单击序列全息成像系统，其特征是：所述参考光光路中，入射脉冲序列先通过一个同样置于第一透镜后焦面处的第二多针孔滤波器，第二多针孔滤波器只允许由高阶衍射项组成的参考脉冲序列通过，经过第二多针孔滤波器的参考脉冲序列通过第二透镜最后到达图像传感器的记录面，与经物光光路到达记录面的探测脉冲序列叠加形成单击序列角分复用全息图。
7.如权利要求5所述的一种单击序列全息成像系统，其特征是：所述脉冲序列发生器单元的所有衍射光栅的设置位置恰好都位于第一透镜的前焦平面上。
8.如权利要求6所述的一种单击序列全息成像系统，其特征是：所述图像传感器的记录平面位置恰好位于第二透镜的后焦面处，第一透镜和第二透镜组成一个4f成像系统，所有通过第二多针孔滤波器的离轴参考脉冲将在图像传感器记录平面处完全重叠，并与来自物光光路的探测脉冲相干叠加。
9.如权利要求1所述的一种单击序列全息成像系统，其特征是：所述系统还包括激光发生器，或包括激光发生器和准直器。
10.一种单击序列全息成像方法，其特征是：将输入的脉冲激光分成两束，一束进入脉冲序列发生器单元，所述脉冲序列发生器单元包括2n个分束器、n个脉冲延迟器和n个衍射光栅，其中前n个分束器先后分离出n个子脉冲，n个子脉冲之间的时间间隔分别通过对应的脉冲延迟器进行精确控制，利用衍射光栅对每个脉冲延迟器延迟后的脉冲施加衍射作用，最后一个分束器的输出脉冲将被分成两组脉冲序列：通过光栅后所有零衍射级脉冲组成的同轴传输脉冲序列和由其他高衍射级脉冲组成的离轴传输脉冲序列，保证两脉冲序列波前之间无夹角，且分别作为探测脉冲序列和参考脉冲序列，进而得到单击序列角分复用全息图，利用空间滤波算法，将不同时刻经过被测物体的探测脉冲的复振幅分布从全息图中分别提取出来从而实现被测物体的序列全息成像。
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