CN110967958A - 一种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法及装置，该装置包括：激发光发生器，处理飞秒激光倍频得到基频光和倍频光；处理倍频光得到参考光和探测光；处理基频光得到超快事件激发光；参考光和探测光产生装置，将超快事件参考光及超快事件探测光传输至台阶反射镜；激发光产生装置，传输超快事件激发光与探测光同时到达超快事件位置；光谱仪，包括：台阶反射镜和凹面光栅；二维光谱信息图像合成器，包括：电荷耦合器件及二维光谱信息图像拼合器，接收超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，传输至二维图像拼合器拼接得到频域全息的二维光谱信息图像。本发明现实了记录频域全息成像得到完整和清晰描述的二维光谱信息图像。

Description

一种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法及装置

技术领域

本申请涉及成像的技术领域，尤其涉及一种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法及装置。

背景技术

频域数字全息可以通过频域-时域映射的方法来记录时间维度连续变化的过程，在超快成像领域具有很大的应用前景。但是，频域数字全息是采用光栅光谱仪记录的，当一束复合光线进入光栅光谱仪的入射狭缝，首先由光学准直镜会聚成平行光，再通过衍射光栅色散为分开的波长(颜色)，利用每个波长离开光栅的角度不同，由聚焦反射镜再成像出射狭缝，通过电脑控制可精确地改变出射波长。

光栅成像光谱技术是成像技术和光谱技术相结合的产物，能够通过平台或者扫描方式得到目标物的二维空间信息和光谱信息，进而形成数据立方体，在对观测目标的空间特征成像的同时，对每个可分辨空间像元经过色散、衍射、干涉等手段形成几十个乃至几百个窄波段以进行连续的光谱测量。成像光谱数据立方体可以通过一系列的图像坐标转换和链接的各个维度空间坐标来实现，对应于目标的二维空间位置和各波段光谱维的位置。光谱仪上狭缝的作用是作为视场光阑使物体的像部分地通过，遮挡住其他部分的光使其不能通过。因此，通过狭缝的像再经准直物镜照射到色散元件上时，在垂直狭缝方向上可将其按波长色散，最后由成像物镜聚焦成像在成像光谱仪的像平面上。

要想获得二维的空间信息，一定要使用扫描的方式进行记录，在飞秒级高速成像上是无法实现的。通过解相位获取一维切面信息随频率的变化，继而由频域-时域对应关系获得一维信息随时间的改变，是远远不足以判断超快过程的演化规律的。由于狭缝的限制使得只能获取空间中的一个空间维度的折射率积分量随时间的变化，这样很难对整个变化过程做完整的成像和清晰的描述。

因此，如何提供一种完整的成像和清晰描述的记录二维空间的方案是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法及装置，解决现有技术中没有完整的成像和清晰描述的记录二维空间的方案的技术问题。

为达到上述目的，本申请提供一种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法，包括：

将飞秒激光器发出的飞秒激光经过倍频器处理，得到基频光和倍频光；所述倍频光经过所述分束片透射至迈克尔逊干涉仪处理，得到参考光和探测光；所述基频光经过分束片反射至延迟线激发光路处理，得到超快事件激发光；

所述参考光通过反射镜反射经过超快事件位置，得到超快事件的超快事件参考光传输至台阶反射镜；其中，所述台阶反射镜具有大于或等于两个的台阶镜面；

所述超快事件激发光和探测光经过反射后同时到达所述超快事件位置，所述超快事件激发光激发产生超快事件；所述探测光通过所述超快事件产生携带超快事件信息的超快事件探测光，传输至所述台阶反射镜；

所述超快事件参考光和超快事件探测光，经所述台阶反射镜的台阶镜面偏转从不同角度照射至凹面光栅；通过所述凹面光栅将不同截面的超快事件参考光和超快事件探测光光栅分光产生不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射；

利用电荷耦合器件接收并记录所述超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，以预设的二维光谱信息图像合成策略组合拼接得到频域全息的二维光谱信息图像。

可选地，其中，所述超快事件参考光和超快事件探测光，经所述台阶反射镜的台阶镜面偏转从不同角度照射至凹面光栅，通过所述凹面光栅将不同截面的超快事件参考光和超快事件探测光光栅分光产生不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，为：

在凹面光栅的球面或非球面上，刻划一系列等距离划痕的反射式衍射光栅形成凹面衍射光栅，光栅方程为：

其中，d是光栅常数，z是狭缝上出射光点位置距离中心高度距离，r是光栅半径，θ为入射光角度，

为出射光角度，m为衍射级次，λ为波长；

将所述超快事件参考光和超快事件探测光，经所述台阶反射镜的台阶镜面偏转从不同角度照射至所述凹面衍射光栅；通过所述凹面光栅将不同截面的超快事件参考光和超快事件探测光光栅分光产生不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射。

可选地，其中，将所述超快事件参考光和超快事件探测光，经所述台阶反射镜的台阶镜面偏转从不同角度照射至所述凹面衍射光栅，通过所述凹面光栅将不同截面的超快事件参考光和超快事件探测光光栅分光产生不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，为：

将空间中所述台阶反射镜的不同所述台阶镜面置于罗兰圆边界处；

将所述超快事件参考光和超快事件探测光传输至所述台阶反射镜，通过大于或等于两个的所述台阶镜面后从不同角度照射至所述凹面衍射光栅上；经过所述凹面衍射光栅分光后产生不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，会聚在所述罗兰圆的电荷耦合器件摆放位置。

可选地，其中，所述倍频光经过所述分束片透射至迈克尔逊干涉仪处理，得到参考光和探测光；所述基频光经过分束片反射至延迟线激发光路处理，得到超快事件激发光，为：

以预设的时间间隔调整迈克尔逊干涉仪，将所述倍频光经过所述分束片透射至调整的所述迈克尔逊干涉仪处理，得到参考光和探测光；

根据所述时间间隔调整延迟线激发光路，使得所述基频光经过分束片反射至延迟线激发光路处理，得到的超快事件激发光与所述探测光同步到达所述超快事件位置。

可选地，其中，利用电荷耦合器件接收并记录所述超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，以预设的二维光谱信息图像合成策略组合拼接得到频域全息的二维光谱信息图像，为：

利用电荷耦合器件接收并记录不同角度的所述超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，根据预设的探测光和参考光入射角度及记录的光栅截面，约束建立光栅模型；

根据所述光栅模型，采用蒙特卡罗模拟算法得到最优解的二维光谱信息图像数据，根据所述二维光谱信息图像数据以预设的二维光谱信息图像合成策略组合拼接得到频域全息的二维光谱信息图像。

另一方面，本发明还提供一种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的装置，包括：激发光发生器、参考光和探测光产生装置、激发光产生装置、光谱仪及电荷耦合器件；其中，

所述激发光发生器，将飞秒激光器发出的飞秒激光经过倍频器处理，得到基频光和倍频光；所述基频光经过分束片反射至延迟线激发光路处理，得到超快事件激发光，传输至所述激发光产生装置；所述倍频光经过所述分束片透射至迈克尔逊干涉仪处理，得到参考光和探测光，传输至参考光和探测光产生装置；

所述参考光和探测光产生装置，将所述参考光通过反射镜反射经过超快事件位置，得到超快事件的超快事件参考光传输至台阶反射镜；将探测光经过反射后通过所述超快事件位置，产生携带超快事件信息的超快事件探测光，传输至所述光谱仪；

所述激发光产生装置，将所述超快事件激发光经过反射后与所述探测光同时到达所述超快事件位置，激发产生超快事件；

所述光谱仪，包括：台阶反射镜和凹面光栅，所述台阶反射镜具有大于或等于两个的台阶镜面，所述台阶反射镜的台阶镜面，偏转所述超快事件参考光和超快事件探测光后，从不同角度照射至所述凹面光栅；所述凹面光栅，将不同截面的超快事件参考光和超快事件探测光光栅分光产生不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射；

所述电荷耦合器件，接收并记录所述超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射。

可选地，其中，所述凹面光栅，为在凹面光栅的球面或非球面上，刻划一系列等距离划痕的反射式衍射光栅形成的凹面衍射光栅，光栅方程为：

其中，d是光栅常数，z是狭缝上出射光点位置距离中心高度距离，r是光栅半径，θ为入射光角度，

为出射光角度，m为衍射级次，λ为波长；

所述凹面衍射光栅，接收经所述台阶反射镜的台阶镜面偏转的不同入射角度的所述超快事件参考光和超快事件探测光，分光产生不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射。

可选地，其中，所述台阶反射镜、凹面光栅及电荷耦合器件位于罗兰圆边界处，其中，

所述台阶反射镜，置于罗兰圆边界处，通过大于或等于两个的所述台阶镜面，将所述超快事件参考光和超快事件探测光从不同角度照射至所述凹面衍射光栅上；

所述凹面光栅，置于所述罗兰圆的另一边界处，接收所述超快事件参考光和超快事件探测光，经过所述凹面衍射光栅分光后产生不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，传输至所述电荷耦合器件；

所述电荷耦合器件，摆放在所述罗兰圆的又一边界处，接收会聚的所述超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射。

可选地，其中，该装置还包括：光束延时调整器，包括：探测光延时调整单元及激发光延时调整单元；

所述探测光延时调整单元，与所述迈克尔逊干涉仪及激发光延时调整单元相连接，以预设的时间间隔调整迈克尔逊干涉仪，将所述倍频光经过所述分束片透射至调整的所述迈克尔逊干涉仪处理，得到参考光和探测光；

所述激发光延时调整单元，与所述探测光延时调整单元及延迟线激发光路相连接，根据所述时间间隔调整延迟线激发光路，使得所述基频光经过分束片反射至延迟线激发光路处理，得到的超快事件激发光与所述探测光同步到达所述超快事件位置。

可选地，其中，还包括：光栅模型创建单元及二维光谱信息图像拼接单元；其中，

所述光栅模型创建单元，与所述电荷耦合器件及二维光谱信息图像拼接单元相连接，接收所述电荷耦合器件记录的不同角度的所述超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，根据预设的探测光和参考光入射角度及记录的光栅截面，约束建立光栅模型；

所述二维光谱信息图像拼接单元，与所述光栅模型创建单元相连接，根据所述光栅模型，采用蒙特卡罗模拟算法得到最优解的二维光谱信息图像数据，根据所述二维光谱信息图像数据以预设的二维光谱信息图像合成策略组合拼接得到频域全息的二维光谱信息图像。

本申请的基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法及装置，实现的有益效果至少如下：

(1)本申请的基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法及装置，结合成像技术和光谱技术，通过平台或扫描方式得到目标物的二维空间信息和光谱信息，形成数据立方体，在对观测目标物的空间特征成像的同时，对每个可分辨空间像元经过色散、衍射、干涉等手段形成几十个乃至几百个窄波段以进行连续的光谱测量。成像光谱数据立方体可以通过一系列的图像坐标转换和链接的各个维度空间坐标来实现，对应于目标的二维空间位置和各波段光谱维的位置，利用光谱仪上虚拟狭缝作为视场光阑使物体的像部分通过，遮挡住其他部分的光使其不能通过，再经准直物镜照射到散元件上，按波长色散聚焦成像得到完整和清晰描述的二维光谱信息图像。

(2)本申请的基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法及装置，使用扫描的方式记录，实现了飞秒级高速成像无法实现的二维空间光谱信息获取。采用多台阶反射镜面的台面反射镜得到多狭缝的光谱采样，同时记录光栅多个切面的光谱信息，进而组合拼接成光束截面形成二维光谱信息，可以获得一维空间方向探测脉冲相位的时间变化，进而得到超快过程中二维空间信息随时间的演化过程。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请中记载的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法的流程示意图；

图2为一种光栅光谱仪的结构示意图；

图3为一种多狭缝光栅光谱仪扩展记录的结构示意图；

图4为单狭缝与多狭缝光栅光谱仪扩展记录的结果对比示意图；

图5为本发明实施例中一种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的台阶反射镜多虚拟狭缝与凹面光栅进行光栅衍射的示意图；

图6为本发明实施例中第二种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法的流程示意图；

图7为本发明实施例中第三种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法的流程示意图；

图8为本发明实施例中第四种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法的流程示意图；

图9为本发明实施例中第五种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法的流程示意图；

图10为本发明实施例中一种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的装置的结构示意图；

图11为本发明实施例中一种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的装置的凹面光栅的示意图；

图12为本发明实施例中一种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的装置的多狭缝装置的示意图；

图13为本发明实施例中一种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的装置中台阶反射镜的结构示意图；

图14为本发明实施例中一种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的装置的记录和结构再现的示意图；

图15为本发明实施例中第二种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的装置的结构示意图；

图16为本发明实施例中第三种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。

实施例

如图1至4所示，图1为本实施例中一种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法的流程示意图；图2为一种光栅光谱仪的结构示意图；图3为一种多狭缝光栅光谱仪扩展记录的结构示意图；图4为单狭缝与多狭缝光栅光谱仪扩展记录的结果对比示意图；图5为实施例中一种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的台阶反射镜多虚拟狭缝与凹面光栅进行光栅衍射的示意图。本实施例中通过频域-时域映射的方法，记录时间维度连续变化的过程，在超快成像领域具有很大的应用前景，频域数字全息采用光栅光谱仪记录，狭缝限制使其只能获取空间中一个空间维度的折射率积分量随时间的变化。很难对整个变化过程做完整的成像和清晰的描述。本实施例中方法在频域数字全息成像方法的基础上，通过空间记录维度的扩展，发展出多狭缝光谱记录频域数字全息和多角度层析记录频域数字全息，将频域全息的空间维度拓展至二维。具体地，该方法包括如下步骤：

步骤101、将飞秒激光器发出的飞秒激光经过倍频器处理，得到基频光和倍频光；倍频光经过分束片透射至迈克尔逊干涉仪处理，得到参考光和探测光；基频光经过分束片反射至延迟线激发光路处理，得到超快事件激发光。分束片具有基频光高反，倍频光高透的特性。延迟线的作用是调整激发光和探测光的同步，保证超快事件发生的同时，刚好探测光到达。

步骤102、参考光通过反射镜反射经过超快事件位置，得到超快事件的超快事件参考光传输至台阶反射镜；其中，台阶反射镜具有大于或等于两个的台阶镜面。

步骤103、超快事件激发光和探测光经过反射后同时到达超快事件位置，超快事件激发光激发产生超快事件；探测光通过超快事件产生携带超快事件信息的超快事件探测光，传输至台阶反射镜。

可选地，超快事件激发光还可以经过透镜进行聚焦，以能量集中的超快事件激发光，对空气进行激发产生等离子体，也可以激发其它材料，比如玻璃，cs2等产生想要记录的超快过程。

参考光的时间比激发光的时间靠前，以产生超快事件的时间为基准，也就是在图中的不规则图样的地方，一开始是没有产生超快事件的，在激发这个事件之前，参考光先通过产生超快事件的位置，然后激发光会激发事件，同时探测光也到达产生超快事件的这个位置。

激发光激发超快事件的同时，探测光刚好到达产生超快事件的这个位置，那么探测光通过这个超快事件，也就携带了超快事件的信息，可以至少包括：振幅信息和位相信息。

步骤104、将超快事件参考光和超快事件探测光，经台阶反射镜的台阶镜面偏转从不同角度照射至凹面光栅；通过凹面光栅将不同截面的超快事件参考光和超快事件探测光光栅分光产生不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射。

步骤105、利用电荷耦合器件接收并记录超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，以预设的二维光谱信息图像合成策略组合拼接得到频域全息的二维光谱信息图像。

可选地，本实施例中方法的总体内容如下：10Hz、800nm约25fs的Ti:S超短脉冲激光器输出25mJ的脉冲能量，输出脉冲分成两束光，一束光用于扫描成像(～5mJ)，它经一脉冲展宽器后被展宽(本仪器设计最大值为20ps，可调)后经一时间延时器用于照明待测超快事件。另一束用于分幅成像和产生超快事件，该光束先经过一宽带倍频器(SHG),转换效率约20％。其后的波长分束器(WS)将倍频脉冲和基波光分开。基波光经过一光学系统触发超快事件；而二次谐波则输入到分幅成像系统作为开关脉冲和参量放大成像的泵浦脉冲。分幅成像系统基于非共线光参量放大成像原理，实现高空间分辨的8幅成像；而扫描成像系统则基于一种新型的扩展频域全息原理，实现一维连续时间扫描的层析成像；分幅成像和扫描成像光学同步，无视差。

在一些可选的实施例中，如图6所示，为本实施例中第二种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法的流程示意图，与图1中不同的是，超快事件参考光和超快事件探测光，经台阶反射镜的台阶镜面偏转从不同角度照射至凹面光栅，通过凹面光栅将不同截面的超快事件参考光和超快事件探测光光栅分光产生不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，为：

步骤601、在凹面光栅的球面或非球面上，刻划一系列等距离划痕的反射式衍射光栅形成凹面衍射光栅，光栅方程为：

其中，d是光栅常数，z是狭缝上出射光点位置距离中心高度距离，r是光栅半径，θ为入射光角度，

为出射光角度，m为衍射级次，λ为波长。

步骤602、将超快事件参考光和超快事件探测光，经台阶反射镜的台阶镜面偏转从不同角度照射至凹面衍射光栅；通过凹面光栅将不同截面的超快事件参考光和超快事件探测光光栅分光产生不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射。

在一些可选的实施例中，如图7所示，为本实施例中第三种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法的流程示意图，与图6中不同的是，将超快事件参考光和超快事件探测光，经台阶反射镜的台阶镜面偏转从不同角度照射至凹面衍射光栅，通过凹面光栅将不同截面的超快事件参考光和超快事件探测光光栅分光产生不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，为：

步骤701、将空间中台阶反射镜的不同台阶镜面置于罗兰圆边界处。

步骤702、将超快事件参考光和超快事件探测光传输至台阶反射镜，通过大于或等于两个的台阶镜面后从不同角度照射至凹面衍射光栅上。

步骤703、经过凹面衍射光栅分光后产生不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，会聚在罗兰圆的电荷耦合器件摆放位置。

在一些可选的实施例中，如图8所示，为本实施例中第四种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法的流程示意图，与图1中不同的是，倍频光经过分束片透射至迈克尔逊干涉仪处理，得到参考光和探测光；基频光经过分束片反射至延迟线激发光路处理，得到超快事件激发光，为：

步骤801、以预设的时间间隔调整迈克尔逊干涉仪，将倍频光经过分束片透射至调整的迈克尔逊干涉仪处理，得到参考光和探测光。

可选地，还可以设置为：预先设定参考光和探测光之间时间间隔与不同超快事件特性的对应关系，在检测由不同物体或不同物体场景激发的超快事件时，基于本次超快事件特性选取对应的超快事件的时间间隔调整迈克尔逊干涉仪。优选地，还可以结合神经网络预先创建超快事件特性与参考光和探测光之间时间间隔的模型关系，在进行超快事件检测时，自动根据模型关系得到对应的时间间隔调整迈克尔逊干涉仪。

步骤802、根据时间间隔调整延迟线激发光路，使得基频光经过分束片反射至延迟线激发光路处理，得到的超快事件激发光与探测光同步到达超快事件位置。

探测光和激发光的同步时间控制可以通过调整延迟线来实现，而参考光和探测光的先后时间，是通过迈克尔逊两个反射镜M1和M2相对于BS2的距离来调整的，距离越远，光传输的时间就久，因此产生时间差就越大。

在一些可选的实施例中，如图9所示，为本实施例中第五种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法的流程示意图，与图1中不同的是，利用电荷耦合器件接收并记录超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，以预设的二维光谱信息图像合成策略组合拼接得到频域全息的二维光谱信息图像，为：

步骤901、利用电荷耦合器件接收并记录不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，根据预设的探测光和参考光入射角度及记录的光栅截面，约束建立光栅模型。

步骤902、根据光栅模型，采用蒙特卡罗模拟算法得到最优解的二维光谱信息图像数据，根据二维光谱信息图像数据以预设的二维光谱信息图像合成策略组合拼接得到频域全息的二维光谱信息图像。

在一些可选的实施例中，如图10至14所示，图10为本实施例中一种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的装置的结构示意图；图11为一种多狭缝扩展记录频域全息成像的装置的凹面光栅的示意图；图12为本实施例中一种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的装置的台阶反射镜的示意图；图13为本实施例中一种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的装置中台阶反射镜的结构示意图；图14为本实施例中一种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的装置的记录和结构再现的示意图。该装置可用于实施上述的基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法，具体地，基于多狭缝扩展记录频域全息成像的装置，包括：激发光发生器1001、参考光和探测光产生装置1002、激发光产生装置1003、光谱仪1004及二维光谱信息图像合成器1005。

其中，激发光发生器1001，将飞秒激光器发出的飞秒激光经过倍频器处理，得到基频光和倍频光；倍频光经过分束片BS1透射至迈克尔逊干涉仪1011处理，得到参考光和探测光，传输至参考光和探测光产生装置1002；基频光经过分束片反射至延迟线激发光路1021处理，得到超快事件激发光，传输至激发光产生装置1003。其中，图中M为反射镜，BS1为分束片，CCD为电荷耦合器件。

迈克尔逊干涉仪，包括：针对倍频光的单波长分束器BS2和两个反射镜M1和M2，倍频光传播到BS2，50％的光由BS2反射到反射镜M1，另外50％的光透射过BS2到达另一个M2。这里就产生的两束光，一束是BS2反射的，一束是BS2透射的，然后这两束光都由各自的反射镜反射回到BS2，原来从BS2反射的光，经过M1反射后到达BS2并向下透射，原来从BS2透射的光，经M2反射回BS2后反射，这样这两束光又变成同一方向了，但仍然是两束光，其中一束作为探测光或者物光(探测光/物光)，另一束即为参考光。

参考光和探测光产生装置1002，将参考光通过反射镜反射经过超快事件位置，得到超快事件的超快事件参考光传输至台阶反射镜；将探测光经过反射后通过超快事件位置，产生携带超快事件信息的超快事件探测光，传输至光谱仪1004的台阶反射镜。

激发光产生装置1003，将超快事件激发光经过反射后与探测光同时到达超快事件位置，激发产生超快事件。

光谱仪1004，包括：台阶反射镜1041和凹面光栅1042，台阶反射镜1041具有大于或等于两个的台阶镜面1043，台阶反射镜的台阶镜面1043，偏转超快事件参考光和超快事件探测光后，从不同角度照射至凹面光栅1042；凹面光栅1042将不同截面的超快事件参考光和超快事件探测光光栅分光产生不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，传输至二维光谱信息图像合成器1005。

二维光谱信息图像合成器1005，包括：电荷耦合器件1051及二维光谱信息图像拼合器1052，电荷耦合器件1051接收并记录超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，传输至二维图像拼合器1052；二维图像拼合器1052，以预设的二维光谱信息图像合成策略组合拼接得到频域全息的二维光谱信息图像。

在一些可选的实施例中，凹面光栅1042为在凹面光栅的球面或非球面上，刻划一系列等距离划痕的反射式衍射光栅形成的凹面衍射光栅，光栅方程为：

其中，d是光栅常数，z是狭缝上出射光点位置距离中心高度距离，r是光栅半径，θ为入射光角度，

为出射光角度，m为衍射级次，λ为波长。凹面衍射光栅接收经台阶反射镜的台阶镜面偏转的不同入射角度的超快事件参考光和超快事件探测光，分光产生不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光的入射光束衍射。

在一些可选的实施例中，基于多狭缝扩展记录频域全息成像的装置，所述台阶反射镜1041，置于罗兰圆边界处，通过大于或等于两个的所述台阶镜面1043，将所述超快事件参考光和超快事件探测光从不同角度照射至所述凹面衍射光栅1042上。

所述凹面光栅1042，置于所述罗兰圆的另一边界处，接收所述超快事件参考光和超快事件探测光，经过所述凹面衍射光栅分光后产生不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，传输至所述电荷耦合器件1051。

所述电荷耦合器件1051，摆放在所述罗兰圆的又一边界处，接收会聚的所述超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，传输至二维光谱信息图像拼合器1052。

台阶反射镜的相邻台阶间隔按照预设尺寸确定，使得台阶上的台阶镜面置于罗兰圆边界处，例如，台阶反射镜尺寸是25mm×8mm，相邻台阶间隔1mm。为了将平行射入的光反射至凹面光栅的相同位置，其8个台阶镜的斜率角度为31°，32°，33°，33°，34°，35°，35°，36°，其值为镜面与水平面的夹角。

台阶镜将光偏转反射至凹面光栅concave grating，并由凹面光栅将光束聚焦于电荷耦合器件CCD的不同位置处，相当于CCD相机记录面的不同位置记录下了不同狭缝光谱图像，可以用一个CCD记录，如上面那个多狭缝结构图，不同台阶(相对于不同狭缝)的像分别成像在CCD上的不同位置，也可以用多个CCD(如图10中CCD1、CCD2、CCD3)记录在不同位置分别记录。

在一些可选的实施例中，如图15所示，为本实施例中第二种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的装置的结构示意图，与图10中不同的是，该基于多狭缝扩展记录频域全息成像的装置，还包括：光束延时调整器1101，包括：探测光延时调整单元1111及激发光延时调整单元1112。

所述探测光延时调整单元1111，与所述迈克尔逊干涉仪1011及激发光延时调整单元1112相连接，以预设的时间间隔调整迈克尔逊干涉仪，将所述倍频光经过所述分束片透射至调整的所述迈克尔逊干涉仪处理，得到参考光和探测光。

所述激发光延时调整单元1112，与所述探测光延时调整单元1111及延迟线激发光路1021相连接，根据所述时间间隔调整延迟线激发光路，使得所述基频光经过分束片反射至延迟线激发光路处理，得到的超快事件激发光与所述探测光同步到达所述超快事件位置。

在一些可选的实施例中，如图16所示，为本实施例中第三种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的装置的结构示意图，与图10中不同的是，所述二维光谱信息图像拼合器1052，包括：光栅模型创建单元1201及二维光谱信息图像拼接单元1202。

其中，所述光栅模型创建单元1201，与所述电荷耦合器件1051及二维光谱信息图像拼接单元1202相连接，接收所述电荷耦合器件记录的不同角度的所述超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，根据预设的探测光和参考光入射角度及记录的光栅截面，约束建立光栅模型。

所述二维光谱信息图像拼接单元1202，与所述光栅模型创建单元1201相连接，根据所述光栅模型，采用蒙特卡罗模拟算法得到最优解的二维光谱信息图像数据，根据所述二维光谱信息图像数据以预设的二维光谱信息图像合成策略组合拼接得到频域全息的二维光谱信息图像。

本实施例中基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法及装置实现的有益效果如下：

层析二维空间位相随时间变化结果合成，每个角度频域全息获取的是空间中一维方向的位相随着时间维度的变化，使用不同角度的频域全息结果合成，得到整体的空间二维折射率随时间的变化关系。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法，其特征在于，包括：

将飞秒激光器发出的飞秒激光经过倍频器处理，得到基频光和倍频光；所述倍频光经过所述分束片透射至迈克尔逊干涉仪处理，得到参考光和探测光；所述基频光经过分束片反射至延迟线激发光路处理，得到超快事件激发光；

所述参考光通过反射镜反射经过超快事件位置，得到超快事件的超快事件参考光传输至台阶反射镜；其中，所述台阶反射镜具有大于或等于两个的台阶镜面；

所述超快事件激发光和探测光经过反射后同时到达所述超快事件位置，所述超快事件激发光激发产生超快事件；所述探测光通过所述超快事件产生携带超快事件信息的超快事件探测光，传输至所述台阶反射镜；

将所述超快事件参考光和超快事件探测光，经所述台阶反射镜的台阶镜面偏转从不同角度照射至凹面光栅；通过所述凹面光栅将不同截面的超快事件参考光和超快事件探测光光栅分光产生不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射；

利用电荷耦合器件接收并记录所述超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，以预设的二维光谱信息图像合成策略组合拼接得到频域全息的二维光谱信息图像。

2.根据权利要求1所述的基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法，其特征在于，所述超快事件参考光和超快事件探测光，经所述台阶反射镜的台阶镜面偏转从不同角度照射至凹面光栅，通过所述凹面光栅将不同截面的超快事件参考光和超快事件探测光光栅分光产生不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，为：

在凹面光栅的球面或非球面上，刻划一系列等距离划痕的反射式衍射光栅形成凹面衍射光栅，光栅方程为：

其中，d是光栅常数，z是狭缝上出射光点位置距离中心高度距离，r是光栅半径，θ为入射光角度，

为出射光角度，m为衍射级次，λ为波长；

将所述超快事件参考光和超快事件探测光，经所述台阶反射镜的台阶镜面偏转从不同角度照射至所述凹面衍射光栅；通过所述凹面光栅将不同截面的超快事件参考光和超快事件探测光光栅分光产生不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射。

3.根据权利要求2所述的基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法，其特征在于，将所述超快事件参考光和超快事件探测光，经所述台阶反射镜的台阶镜面偏转从不同角度照射至所述凹面衍射光栅，通过所述凹面光栅将不同截面的超快事件参考光和超快事件探测光光栅分光产生不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，为：

将空间中所述台阶反射镜的不同所述台阶镜面置于罗兰圆边界处；

将所述超快事件参考光和超快事件探测光传输至所述台阶反射镜，通过大于或等于两个的所述台阶镜面后从不同角度照射至所述凹面衍射光栅上；经过所述凹面衍射光栅分光后产生不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，会聚在所述罗兰圆的电荷耦合器件摆放位置。

4.根据权利要求1所述的基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法，其特征在于，所述倍频光经过所述分束片透射至迈克尔逊干涉仪处理，得到参考光和探测光；所述基频光经过分束片反射至延迟线激发光路处理，得到超快事件激发光，为：

以预设的时间间隔调整迈克尔逊干涉仪，将所述倍频光经过所述分束片透射至调整的所述迈克尔逊干涉仪处理，得到参考光和探测光；

根据所述时间间隔调整延迟线激发光路，使得所述基频光经过分束片反射至延迟线激发光路处理，得到的超快事件激发光与所述探测光同步到达所述超快事件位置。

5.根据权利要求1所述的基于多狭缝扩展记录频域全息成像的方法，其特征在于，利用电荷耦合器件接收并记录所述超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，以预设的二维光谱信息图像合成策略组合拼接得到频域全息的二维光谱信息图像，为：

利用电荷耦合器件接收并记录不同角度的所述超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，根据预设的探测光和参考光入射角度及记录的光栅截面，约束建立光栅模型；

根据所述光栅模型，采用蒙特卡罗模拟算法得到最优解的二维光谱信息图像数据，根据所述二维光谱信息图像数据以预设的二维光谱信息图像合成策略组合拼接得到频域全息的二维光谱信息图像。

6.一种基于多狭缝扩展记录频域全息成像的装置，其特征在于，包括：激发光发生器、参考光和探测光产生装置、激发光产生装置、光谱仪及电荷耦合器件；其中，

所述激发光发生器，将飞秒激光器发出的飞秒激光经过倍频器处理，得到基频光和倍频光；所述基频光经过分束片反射至延迟线激发光路处理，得到超快事件激发光，传输至所述激发光产生装置；所述倍频光经过所述分束片透射至迈克尔逊干涉仪处理，得到参考光和探测光，传输至参考光和探测光产生装置；

所述参考光和探测光产生装置，将所述参考光通过反射镜反射经过超快事件位置，得到超快事件的超快事件参考光传输至台阶反射镜；将探测光经过反射后通过所述超快事件位置，产生携带超快事件信息的超快事件探测光，传输至所述光谱仪；

所述激发光产生装置，将所述超快事件激发光经过反射后与所述探测光同时到达所述超快事件位置，激发产生超快事件；

所述光谱仪，包括：台阶反射镜和凹面光栅，所述台阶反射镜具有大于或等于两个的台阶镜面，所述台阶反射镜的台阶镜面，偏转所述超快事件参考光和超快事件探测光后，从不同角度照射至所述凹面光栅；所述凹面光栅，将不同截面的超快事件参考光和超快事件探测光光栅分光产生不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射；

所述电荷耦合器件，接收并记录所述超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射。

7.根据权利要求6所述的基于多狭缝扩展记录频域全息成像的装置，其特征在于，所述凹面光栅，为在凹面光栅的球面或非球面上，刻划一系列等距离划痕的反射式衍射光栅形成的凹面衍射光栅，光栅方程为：

其中，d是光栅常数，z是狭缝上出射光点位置距离中心高度距离，r是光栅半径，θ为入射光角度，

为出射光角度，m为衍射级次，λ为波长；

所述凹面衍射光栅，接收经所述台阶反射镜的台阶镜面偏转的不同入射角度的所述超快事件参考光和超快事件探测光，分光产生不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射。

8.根据权利要求7所述的基于多狭缝扩展记录频域全息成像的装置，其特征在于，所述台阶反射镜，置于罗兰圆边界处，通过大于或等于两个的所述台阶镜面，将所述超快事件参考光和超快事件探测光从不同角度照射至所述凹面衍射光栅上；

所述凹面光栅，置于所述罗兰圆的另一边界处，接收所述超快事件参考光和超快事件探测光，经过所述凹面衍射光栅分光后产生不同角度的超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，传输至所述电荷耦合器件；

所述电荷耦合器件，摆放在所述罗兰圆的又一边界处，接收会聚的所述超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射。

9.根据权利要求6所述的基于多狭缝扩展记录频域全息成像的装置，其特征在于，还包括：光束延时调整器，包括：探测光延时调整单元及激发光延时调整单元；

所述探测光延时调整单元，与所述迈克尔逊干涉仪及激发光延时调整单元相连接，以预设的时间间隔调整迈克尔逊干涉仪，将所述倍频光经过所述分束片透射至调整的所述迈克尔逊干涉仪处理，得到参考光和探测光；

所述激发光延时调整单元，与所述探测光延时调整单元及延迟线激发光路相连接，根据所述时间间隔调整延迟线激发光路，使得所述基频光经过分束片反射至延迟线激发光路处理，得到的超快事件激发光与所述探测光同步到达所述超快事件位置。

10.根据权利要求6所述的基于多狭缝扩展记录频域全息成像的装置，其特征在于，还包括：光栅模型创建单元及二维光谱信息图像拼接单元；其中，

所述光栅模型创建单元，与所述电荷耦合器件及二维光谱信息图像拼接单元相连接，接收所述电荷耦合器件记录的不同角度的所述超快事件参考光和超快事件探测光光栅衍射，根据预设的探测光和参考光入射角度及记录的光栅截面，约束建立光栅模型；

所述二维光谱信息图像拼接单元，与所述光栅模型创建单元相连接，根据所述光栅模型，采用蒙特卡罗模拟算法得到最优解的二维光谱信息图像数据，根据所述二维光谱信息图像数据以预设的二维光谱信息图像合成策略组合拼接得到频域全息的二维光谱信息图像。

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