CN112326046B - 一种原子时间过程单次全光高分辨成像的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种原子时间过程单次全光高分辨成像的方法，包括：将飞秒激光器发出的飞秒激光经过前端的倍频器处理，再用二向色镜将不同波长激光分离，得到基频光和第一倍频光，第一倍频光作为分幅成像系统的取样光；基频光用第一分束器进行分光，其中一路经过第二倍频器转化成第二倍频光，作为超快事件激发光；另一路经过色散器，变成线性啁啾光脉冲；线性啁啾光脉冲经过脉冲复制器，产生双脉冲，作为超快事件的参考光和探测光；经过超快事件区域后，探测光携带超快事件的空间和时间信息；将探测光用第二分束器分成两束，反射光进入扫描成像系统，得到扩展频域全息扫描成像；第二分束器分束的透射光作为分幅成像系统的信号光，得到与扫描成像同一时间基准、同一空间基准的分幅成像。

Description

一种原子时间过程单次全光高分辨成像的方法及装置

技术领域

本申请涉及成像的技术领域，尤其涉及一种原子时间过程单次全光高分辨成像的方法及装置。

背景技术

单个原子的振动周期在10fs到1ps之间，在这个周期内的原子运动基本决定了物理学中固体新相的形成、化学反应中动能的转移以及生物功能过程的完成，在原子层面上，三者同一，都是研究原子的运动的规律。

观测原子时间过程的光信息，准确揭示原子运动过程中所发生的物理的、化学的和生物的图景及变化规律，如化学反应过程中原子的运动、超短激光脉冲作用材料时发生的瞬态非线性过程等，是推动科学进步人们追求的目标。超高速地捕获瞬态事件，不仅可以发现新物理现象、探索新物理过程，也可以带动高新型技术的发展。可以有力地推动原子时间过程精密成像仪器的研究，用于观测和记录工业或科研领域内的极高速变化过程。

但是，现有非全光超高速成像技术不能满足原子时间尺度时间分辨成像要求，全光泵浦-探测技术只能研究可重复性超快过程，应用范围有限，时域全息技术最早用于飞秒级时间过程的成像，这和全息成像的多参数性和易于多幅编码有关，但是空间带宽积受限制，最近几年出现的单次全光飞秒成像技术，由于原理和技术上的制约，时间分辨率和空间分辨率不能满足有效研究原子时间过程的需要。时至今日，有效研究不可重复性原子时间过程依然是国际未能解决的世界性难题。

因此，如何提供一种原子时间过程的单次全光、高分辨成像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原子时间过程单次全光高分辨成像的方法及装置，解决现有技术中没有原子时间过程的单次全光、高分辨成像的技术问题。

为达到上述目的，本申请提供一种原子时间过程单次全光高分辨成像的方法，包括：

将飞秒激光器发出的飞秒激光经过第一倍频器和分束器处理，得到基频光和两束倍频光；所述倍频光中的一束激发产生超快事件，所述倍频光中的另一束作为取样光进入分幅成像系统；

所述基频光经过色散系统和脉冲复制系统，产生啁啾探测脉冲对作为探测光；所述探测光通过所述超快事件，并采用分束器分成两路超快事件探测光；

所述超快事件探测光的其中一路进入扫描成像系统，得到扩展频域全息扫描成像；所述超快事件探测光的另一路作为信号光进入所述分幅成像系统，经过倍频取样光取样之后，得到与所述扩展频域全息扫描成像同一时间基准、同一空间基准的非共线光参量放大闲频光分幅成像。

可选地，其中，所述倍频光中的一束激发产生超快事件，为：

所述第一倍频光经过二向色镜透射后入射第一分束片，经所述第一分束片的透射光传输至色散器产生啁啾脉冲，传输至迈克尔逊干涉仪处理，经过迈克尔逊干涉仪两臂的脉冲获得不同的延时，得到延时不同的啁啾脉冲参考光和探测光；得到探测光啁啾脉冲对传输至超快事件位置；

经所述第一分束片的反射光经过第二倍频器处理得到的激发光，传输至所述超快事件位置激发产生超快事件。

可选地，其中，该方法还包括：

所述探测光啁啾脉冲对的参考光和探测光；经所述第一分束片的反射光传输至超快事件色散器处理后经过反射光倍频器处理及延时后得到延时线激发光；

产生携带超快事件信息的超快事件探测光传输至所述扫描成像分束片处理；

经过所述扫描成像分束片处理的反射光传输至所述扫描成像系统；经过所述扫描成像分束片处理的透射光传输至所述分幅成像系统。

可选地，其中，探测光经过倍频取样光取样之后，得到与所述扩展频域全息扫描成像同一时间基准、同一空间基准的非共线光参量放大闲频光分幅成像，为：

所述基频光经过泵浦脉冲倍频器后，倍频光成分被二向色镜反射至分幅成像系统，作为泵浦光；

经过所述泵浦脉冲倍频器处理的光线依次经过大于或等于两个的泵浦脉冲取样单元，所述泵浦脉冲取样单元包括：光参量放大器和延时器，得到大于或等于两幅的非共线光参量放大闲频光，所述非共线光参量放大闲频光为泵浦光和相对时间延迟的信号光在光参量放大器中差频得到；

所述非共线光参量放大闲频光传输至各自对应的电荷耦合器件进行分幅成像。

另一方面，本发明还提供一种原子时间过程单次全光高分辨成像的装置，包括：飞秒激光器、二向色镜、超快事件激发光发生器、扫描成像器、泵浦脉冲采样器及分幅成像器；其中，

所述飞秒激光器，发出的飞秒激光经过倍频器传输至所述二向色镜；

所述二向色镜，处理所述飞秒激光得到基频光和两束倍频光；

所述超快事件激发光发生器，将所述倍频光中的一束通过超快事件位置激发产生超快事件；将所述基频光经过色散系统和脉冲复制系统，产生啁啾探测脉冲对作为探测光；所述探测光通过所述超快事件，并采用分束器分成两路超快事件探测光；

所述扫描成像器，接收所述超快事件探测光的其中一路并处理得到扩展频域全息扫描成像；

所述分幅成像器，接收探测光的另一路，所述另一路探测光经过倍频取样光取样之后，得到与所述扩展频域全息扫描成像同一时间基准、同一空间基准的非共线光参量放大闲频光分幅成像。

可选地，其中，所述超快事件激发光发生器，包括：二向色镜、第一分束片、超快事件色散器、迈克尔逊干涉仪及第二倍频器；其中，

所述二向色镜，将所述第一倍频光透射后分离出基频光入射第一分束片；

所述第一分束片，将经过的透射光传输至色散器产生的啁啾脉冲；

所述超快事件色散器，将所述啁啾脉冲传输至所述迈克尔逊干涉仪；

所述迈克尔逊干涉仪，包含一个分束器和两个延迟光路；所述迈克耳孙干涉仪分束器将所述基频光分成两路，两路光分别经过不同的延迟光路，被光路中的零度全反射镜反射，原路返回；在所述迈克耳孙干涉仪分束器中重新合束，得到探测光啁啾脉冲对的参考光和探测光传输至超快事件位置。

所述第二倍频器，将经过所述第一分束片的反射光处理得到的激发光，传输至所述超快事件位置激发产生超快事件。

可选地，其中，该装置还包括：泵浦脉冲倍频器、泵浦脉冲取样单元及电荷耦合器件；

所述泵浦脉冲倍频器，接收所述基频光经过所述二向色镜反射的光线处理后依次经过大于或等于两个的泵浦脉冲单元；

所述泵浦脉冲取样单元，包括：光参量放大器和延时器，所述光参量放大器对来自泵浦脉冲倍频器的光线进行光参量放大处理后传输至所述延时器；所述延时器，对光参量放大处理后的光线进行对应的延时处理，得到大于或等于两幅的非共线光参量放大闲频光，在所述非共线光参量放大闲频光中包括：泵浦光和相对时间延迟的信号光；

所述电荷耦合器件，接收对应的所述非共线光参量放大闲频光进行分幅成像。

本申请的原子时间过程单次全光高分辨成像的方法及装置，实现的有益效果至少如下：

(1)本申请的原子时间过程单次全光高分辨成像的方法及装置，利用超短脉冲激光的超高时间分辨和适于高强度工作的特性，把基于非共线光参量放大闲频光多幅成像系统和基于频谱干涉原理的扩展频域全息扫描成像系统融合起来，研制成了一次实验能同时获取皮秒/亚皮秒级瞬态过程的时序多幅图像和连续扫描图像的方法及设备，首次利用全光手段实现了原子时间尺度的同一时间基准、同一空间基准的分幅/扫描同时成像方案，还能保证两个分系统可以单独应用。

(2)本申请的原子时间过程单次全光高分辨成像的方法及装置，在分幅和扫描同时成像时，不同于单功能的连续扫描图像丢失狭缝截面外的全部信息，都有原理性信息丢失，没有原理性信息丢失，避免了得到瞬态事件完整信息单功能的分幅成像丢失相邻两幅之间的时间和空间信息。

(3)本申请的原子时间过程单次全光高分辨成像的方法及装置，在分幅和扫描同时成像时，无视差成像和高同步精度成像，同一空间基准意味着分幅成像和扫描成像之间没有视差，提供了判读精度，全光手段实现同一时间基准可把同步时间精度提高到10fs量级。

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原子时间过程单次全光高分辨成像的方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中第二种原子时间过程单次全光高分辨成像的方法的流程示意图；

图3为本发明实施例中第三种原子时间过程单次全光高分辨成像的方法的流程示意图；

图4为本发明实施例中第四种原子时间过程单次全光高分辨成像的方法的流程示意图；

图5为本发明实施例中第五种原子时间过程单次全光高分辨成像的方法的流程示意图；

图6为本发明实施例中一种原子时间过程单次全光高分辨成像的装置的简化后结构示意图；

图7为本发明实施例中一种原子时间过程单次全光高分辨成像的装置的结构示意图；

图8为本发明实施例中原子时间过程单次全光高分辨成像的装置的原理示意图；

图9为本发明实施例中原子时间过程单次全光高分辨成像的装置的多幅成像的示意图；

图10为本发明实施例中原子时间过程单次全光高分辨成像的装置的分幅成像系统的示意图；

图11为本发明实施例中原子时间过程单次全光高分辨成像的装置的一种脉冲展宽器的结构示意图；

图12为本发明实施例中原子时间过程单次全光高分辨成像的装置的一种双脉冲产生器的结构示意图；

图13为本发明实施例中原子时间过程单次全光高分辨成像的装置的另一种双脉冲产生器的结构示意图；

图14为本发明实施例中原子时间过程单次全光高分辨成像的装置的光谱信息成像器的结构示意图。

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

为了促进科学发展，对微观粒子进行更深刻的研究，需要获得完整的原子时间过程的信息，因此要求拍摄的原子时间过程的图像集能够在空间上完整地、时间上连续地记录粒子的运动过程，不能丢失粒子的运动信息，理论上，能满足前述要求的图像集，只能藉由分幅-扫描同时摄影技术实现。

正是基于上述认识，本实施例构建了一种分幅-扫描同时摄影技术，该技术通过融合非共线光参量放大闲频光多幅成像与扩展频域全息扫描成像两种成像技术得以实现，能够一次同时获取皮秒/亚皮秒级瞬态过程的时序多幅图像和连续扫描图像。

如图1至5所示，图1为本实施例中一种原子时间过程单次全光高分辨成像的方法的流程示意图；图2为本实施例中第二种原子时间过程单次全光高分辨成像的方法的流程示意图；图3为本实施例中第三种原子时间过程单次全光高分辨成像的方法的流程示意图；图4为本实施例中第四种原子时间过程单次全光高分辨成像的方法的流程示意图；图5为本实施例中第五种原子时间过程单次全光高分辨成像的方法的流程示意图。本实施例中利用全光手段，将非共线光参量放大闲频光多幅成像与扩展频域全息扫描成像两种成像技术融合，实现原子时间尺度的同一时间基准、同一空间基准的分幅/扫描同时成像，，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前端的倍频器处理将部分能量转化成倍频光，用二向色镜将基频光和倍频光分离，倍频光作为分幅成像系统的取样光。

步骤102、基频光用第一分束器进行分光，其中一路经过第二倍频器转化成倍频光，作为超快事件激发光；另一路经过色散器，变成线性啁啾光脉冲。

步骤103、线性啁啾光脉冲经过脉冲复制器(迈克耳孙干涉仪结构)，产生双脉冲，作为超快事件的探测光。

步骤104、经过超快事件区域后，探测光携带超快事件的空间和时间信息。

步骤105、将探测光用第二分束器分成两束，反射光进入扫描成像系统，得到扩展频域全息扫描成像。

步骤106、第二分束器分束的透射光进入分幅成像系统，得到与扫描成像同一时间基准、同一空间基准的分幅成像。

激发光、取样光、探测光之间用光学延迟线进行时间同步，在扫描成像系统中，采用阶梯镜将成像不同。

在专利申请号为2013100894902,名称为“一种可同时实现分幅成像和扫描成像的光电摄影系统”的文献中，该文献中实际上也公开了一种分幅-扫描同时摄影技术，具体在说明书第[0017]段公开了以下信息：本发明的优点在于：第一，系统采用一个物镜成像后利用光学分光系统将像面分别耦合到分幅成像组件和扫描成像组件，保证了分幅成像组件和扫描成像组件具有同样的空间基准；第二，通过系统内部精密的时序控制，使分幅成像和扫描成像工作时刻严格同步，保证了系统各成像模块具有同一时间基准；第三，由于系统采用光电成像方式，使系统分幅摄影频率大大提高，可达到每秒2亿幅频以上；扫描时间分辨率也可以达到皮秒量级，远远超过基于光学机械结构的同时分幅扫描成像系统的技术指标。

因此，本实施例的方法与上述现有专利文献的区别在于：

1、提供了一种分幅-扫描同时摄影技术，包括：

1.1融合了两种成像技术，分别是：

1.1.1非共线光参量放大闲频光多幅成像技术

1.1.2扩展频域全息扫描成像技术

2、本实施例的方法利用了全光手段融合上述两种成像技术

成像原理不同，因此摄影频率和时间分辨率不同，使用的领域也因此不同。本发明是基于非线性光学(分幅)和脉冲啁啾技术(扫描)，是全光系统，因此摄影频率和时间分辨率不受限于机械(传统高速相机)或电子学(上述文献,10⁸fps/ps)，摄影频率>10¹³fps,时间分辨率<50fs，在化学反应、非线性过程、激光等离子体演化、快点火惯性约束核聚变等方面有巨大应用前景。

在一些可选的实施例中，倍频光中的一束激发产生超快事件，为：

步骤201、第一倍频光经过二向色镜透射后入射第一分束片，经第一分束片的透射光传输至色散器产生啁啾脉冲，传输至迈克尔逊干涉仪处理，经过迈克尔逊干涉仪两臂的脉冲获得不同的延时，得到延时不同的啁啾脉冲参考光和探测光，也为探测(啁啾)脉冲对；得到探测光啁啾脉冲对传输至超快事件位置。

步骤202、经第一分束片的反射光经过第二倍频器处理得到的激发光，传输至超快事件位置激发产生超快事件。

在一些可选的实施例中，该方法还包括：

步骤301、探测光啁啾脉冲对的参考光和探测光；经第一二分束片的反射光传输至超快事件色散器处理后经过反射光倍频器处理及延时后得到延时线激发光。

步骤302、参考光和探测光经过大于或等于一个的层析分束器处理，得到层析透射参考光和探测光和层析反射参考光和探测光；层析反射参考光和探测光经过反射镜反射后，进入层析延迟光路处理，得到层析反射延迟参考光和探测光；层析透射参考光和探测光进入层析延迟光路处理，得到层析透射延迟参考光和探测光。

步骤303、层析反射延迟参考光及层析透射延迟参考光通过各自对应角度层析反射镜反射后，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扫描成像分束片(超低色散分束器)处理。

步骤304、层析反射延迟探测光及层析透射延迟探测光经过各自对应角度层析反射镜反射后，与延时线激发光同时到达超快事件位置，延时线激发光激发产生超快事件；层析反射延迟探测光及层析透射延迟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扫描成像分束片处理。

步骤305、经过扫描成像分束片处理的反射光传输至扫描成像系统；经过扫描成像分束片处理的透射光传输至分幅成像系统。

在一些可选的实施例中，层析反射延迟探测光及层析透射延迟探测光经过各自对应角度层析反射镜反射后，与超快事件激发光同时到达超快事件位置，为：

步骤401、层析反射延迟探测光及层析透射延迟探测光经过各自对应角度层析反射镜反射后，传输至超快事件激发倍频器。

步骤402、经过超快事件激发倍频器处理的光线，与超快事件激发光同时到达超快事件位置。

在一些可选的实施例中，该原子时间过程单次全光高分辨成像的方法，还包括：

超快事件参考光及超快事件探测光在各自对应角度的成像单元光谱仪上记录并进行频域干涉，得到干涉条纹。

通过干涉条纹，利用滤波反投影算法恢复超快事件的扩展频域全息扫描的光谱信息图像。

在一些可选的实施例中，探测光经过倍频取样光取样之后，得到与扩展频域全息扫描成像同一时间基准、同一空间基准的非共线光参量放大闲频光分幅成像，为：

步骤501、基频光经过泵浦脉冲倍频器后，倍频光成分被二向色镜反射至分幅成像系统泵浦脉冲倍频器，作为泵浦光(泵浦脉冲)；

步骤502、经过泵浦脉冲倍频器处理的光线依次经过大于或等于两个的泵浦脉冲取样单元，泵浦脉冲取样单元包括：光参量放大器和延时器，得到大于或等于两幅的非共线光参量放大闲频光，非共线光参量放大闲频光为泵浦光和相对时间延迟的信号光在光参量放大器中差频得到。

步骤503、非共线光参量放大闲频光传输至各自对应的电荷耦合器件进行分幅成像。

可选地，延时线激发光还可以经过透镜进行聚焦，以能量集中的延时线激发光，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。

飞秒激光经过倍频器和分束器处理，得到基频光和两束倍频光；倍频光中的一束激发超快事件；倍频光的另一束作为取样光进入分幅成像系统；

基频光经过色散系统和脉冲复制系统，产生啁啾探测脉冲对作为探测光；探测光通过超快事件，并采用分束器分成两路；

探测光的其中一路进入扫描成像系统，得到扩展频域全息扫描成像；

探测光的另外一路作为信号光进入分幅成像系统，经过倍频取样光取样之后，得到多幅闲频光成像。多幅闲频光成像与扩展频域全息扫描成像同一时间基准、同一空间基准。

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双脉冲产生器。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双脉冲产生器。

在一些可选的实施例中，如图6至图14所示，图6为本实施例中一种原子时间过程单次全光高分辨成像的装置的简化后结构示意图；图7为本实施例中一种原子时间过程单次全光高分辨成像的装置的结构示意图；图8为本实施例中原子时间过程单次全光高分辨成像的装置的原理示意图；图9为本实施例中原子时间过程单次全光高分辨成像的装置的多幅成像的示意图；图10为本实施例中原子时间过程单次全光高分辨成像的装置的分幅成像系统的示意图；图11为本实施例中原子时间过程单次全光高分辨成像的装置的一种脉冲展宽器的结构示意图；图12为本实施例中原子时间过程单次全光高分辨成像的装置的一种双脉冲产生器的结构示意图；图13为本实施例中原子时间过程单次全光高分辨成像的装置的另一种双脉冲产生器的结构示意图；图14为本实施例中原子时间过程单次全光高分辨成像的装置的光谱信息成像器的结构示意图。可用于实施上述的原子时间过程单次全光高分辨成像的方法。具体地，该装置包括：飞秒激光器601、倍频器602、超快事件激发光发生器603、扫描成像器604、泵浦脉冲采样器605及分幅成像器606。其中，飞秒激光器601，发出的飞秒激光经过倍频器传输至前端色散器602；倍频器602，处理飞秒激光得到基频光和倍频光；超快事件激发光发生器603，将倍频光经过分束片透射后通过超快事件产生系统后激发产生超快事件；扫描成像器604，接收并处理通过超快事件产生的扩展频域全息脉冲，得到扩展频域全息扫描成像。

泵浦脉冲采样器605，接收基频光经过前端色散器的反射光并处理，得到非共线光参量放大闲频光；分幅成像器606，接收探测光的另一路，所述另一路探测光经过倍频取样光取样之后，得到与扩展频域全息扫描成像同一时间基准、同一空间基准的非共线光参量放大闲频光分幅成像。

在一些可选的实施例中，超快事件激发光发生器603，包括：第一分束片631、第二分束片632、迈克尔逊干涉仪633、超快事件色散器634、层析分束器635、层析反射镜636、层析延迟光路637、角度层析反射镜及扫描成像分束片BS4。

其中，第一分束片631，接收倍频光并将其透射部分传输至第二分束片；第二分束片632，将经过的透射光传输至迈克尔逊干涉仪，将经过的反射光传输至超快事件色散器。

迈克尔逊干涉仪633，包含一个分束器和两个延迟光路，将所述基频光分成两路，两路光分别经过不同的延迟光路，被光路中的零度全反射镜反射，原路返回；在迈克耳孙干涉仪分束器中重新合束，得到探测光啁啾脉冲对的参考光和探测光传输至超快事件位置。处理第二分束片的透射光，得到参考光和探测光；超快事件色散器634，处理第二分束片的反射光后，传输至反射光倍频器处理及延时后得到延时线激发光。

层析分束器635，处理经过的参考光和探测光，得到层析透射参考光和探测光和层析反射参考光和探测光；经过反射镜反射后，进入层析延迟光路处理，得到层析反射延迟参考光和探测光；将层析透射参考光和探测光传输至层析延迟光路。

层析延迟光路636，处理层析透射参考光和探测光，得到层析透射延迟参考光和探测光，得到层析透射延迟参考光和探测光。

层析反射镜，将各自对应角度的层析反射延迟参考光及层析透射延迟参考光反射后，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扫描成像分束片；将各自对应角度的层析反射延迟参考光及层析透射延迟参考光反射后，与延时线激发光同时到达超快事件位置，延时线激发光激发产生超快事件；将层析反射延迟探测光及层析透射延迟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扫描成像分束片。

扫描成像分束片BS4，处理超快事件参考光及超快事件探测光，并将处理的反射光传输至扫描成像器，将经过扫描成像分束片处理的透射光传输至分幅成像器。

在一些可选的实施例中，该原子时间过程单次全光高分辨成像的装置，还包括：超快事件激发倍频器801，用于接收层析反射延迟探测光及层析透射延迟探测光经过各自对应角度层析反射镜反射后的光线，进行倍频处理后，与超快事件激发光同时到达超快事件位置。

在一些可选的实施例中，扫描成像器，还包括：成像单元光谱仪及扫描的光谱信息成像仪；其中，

成像单元光谱仪，接收在各自对应角度的超快事件参考光及超快事件探测光，记录并进行频域干涉得到干涉条纹；扫描的光谱信息成像仪，通过干涉条纹，利用滤波反投影算法恢复超快事件的扩展频域全息扫描的光谱信息图像。

在一些可选的实施例中，该原子时间过程单次全光高分辨成像的装置，还包括：泵浦脉冲倍频器1001、泵浦脉冲取样单元1002及电荷耦合器件(CCD)1003；泵浦脉冲倍频器，接收基频光经过分束片反射的光线处理后依次经过大于或等于两个的泵浦脉冲单元。泵浦脉冲取样单元，包括：光参量放大器OPA和延时器DL，光参量放大器对来自泵浦脉冲倍频器的光线进行光参量放大处理后传输至延时器；延时器，对光参量放大处理后的光线进行对应的延时处理，得到大于或等于两幅的非共线光参量放大闲频光，在非共线光参量放大闲频光中包括：泵浦光和相对时间延迟的信号光。电荷耦合器件，接收对应的非共线光参量放大闲频光进行分幅成像。

图中M为反射镜，BS为分光器，L为透视镜，SHG倍频器，PS色散器，BE扩束器，BR缩束器，step mirror阶梯镜，DL延迟线，Step mirror阶梯镜。脉冲展宽器，可以是棱镜对展宽器实现宽光谱范围工作，该展宽器可以方便地实现在不同波段工作的切换，且色散量方便可调，该棱镜对展宽器由两个等腰直角棱镜Prism-1、Prism-2组成，其斜边表面镀宽带增透膜，不同的光谱均正入射工作，改变两棱镜的相对错位量即可方便地改变光在棱镜对里面的光程，从而改变色散量。

可选地，脉冲展宽器，也可以是光栅展宽器，入射光以一定角度入射到分束片BS3上，由BS3反射后经过两个相对放置的光栅G1、G2进行展宽，由反射镜M3返回光路进一步展宽和平衡，再经BS3输出皮秒啁啾脉冲。

在一些可选的实施例中，超快事件发生器，包括：延迟线及交角双光束激发器。其中，延迟线，接收经分光器反射的原频光延时后，发送至交角双光束激发器。

交角双光束激发器，包括：分束器、垂直外向反射镜组、垂直内向反射镜组及凸透镜。分束器，为50:50的分束器，接收延时后的原频光分为透射原频光和反射原频光，将透射原频光被45°反射镜反射至垂直外向反射镜组，将反射原频光反射至垂直外向反射镜组。

垂直外向反射镜组，一反射镜面反射产生透射原频入射光入射凸透镜；另一反射镜面反射反射原频光至垂直内向反射镜组。垂直内向反射镜组，接收反射原频光，经两内向反射镜面折返180°产生反射原频入射光，与透射原频入射光平行入射凸透镜。

凸透镜，以聚焦角度聚焦反射原频入射光与透射原频入射光，在凸透镜外相交得到延时线激发光。

可选地，双脉冲产生器，还可以是迈克尔逊干涉仪，包括：针对倍频光的单波长分束器SubBS2和两个反射镜SubM1和SubM2，倍频光传播到SubBS2，50％的光由SubBS2反射到反射镜SubM1，另外50％的光透射过SubBS2到达另一个反射镜SubM2。这里就产生的两束光，一束是SubBS2反射的，一束是SubBS2透射的，然后这两束光都由各自的反射镜反射回到SubBS2，原来从SubBS2反射的光，经过SubM1反射后到达SubBS2并向下透射，原来从SubBS2透射的光，经SubM2反射回SubBS2后反射，这样这两束光又变成同一方向了，但仍然是两束光，再通过反射镜SubM3发送出，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。

超短激光脉冲是人类目前所能获得的最快的可控技术手段，因此超快成像系统之间的同步只能采用全光同步，无法使用常见的电信号同步(皮秒级)。

单功能的非共线光参量放大闲频光多幅成像技术，作为摄影频率极高的成像，融合的困难在于“同一时间基准”：

1.要求时间精度高，不像上述专利可以用精密同步的电信号控制(精度不够)，需要全光方法。

2.因此需要找寻一种两个分系统都可用的探测光，我们选择了时间和频率具有线性映射关系的线性啁啾激光脉冲作为探测光，确保同一时间基准。

全光融合的关键因素：

1.线性啁啾探探测光：脉冲的时域和频域具有线性映射关系，保证两路光有同一时间基准。

2.超低色散分束器BS4，保证色散对两路光的时域特性影响降到最低。

3.相同空间基准：两个系统的成像光有同一来源，因此携带空间信息相同。

现有分幅-扫描同时摄影技术的同步方式或是基于机械同步(精度微秒级)，或是基于电同步(精度几十皮秒级)，而本发明的全光融合是被动式，精度可达到10fs级，适用于原子/超快/飞秒成像领域。

本实施例中原子时间过程单次全光高分辨成像的方法及装置实现的有益效果如下：

首次实现原子时间尺度的分幅-扫描同时成像；分幅-扫描同时成像，没有原理性信息丢失，得到瞬态事件完整信息单功能的分幅成像丢失相邻两幅之间的时间空间信息，单功能的连续扫描图像丢失狭缝截面外的全部信息，都有原理性信息丢失。

无视差成像和高同步精度成像，提高判读精度：同一空间基准意味著分幅成像和扫描成像之间没有视差，提高判读精度；全光手段实现同一时间基准可把同步时间精度提高到10fs量级。光参量放大器的非共线设计是实现多幅成像的核心技术：信号光、泵浦光和闲频光能够空间分离。分幅时间、曝光时间、空间分辨率、画幅尺寸、画幅数五大性能参数互不相关，能独立调节到最佳状态。例如分幅时间近取决于信号光和泵浦光的相对时间延迟，本系统原理上可以到达10fs，摄影频率即达1014fps。

光参量频率变换能拓展成像的光谱范围；光参量放大能实现弱信号的成像。强飞秒脉冲泵浦有利于获得高空间分辨、高时间分辨、高增益。

连续时间扫描瞬间完成：频域全息技术，将连续的时间变化记录转换为空间的频谱测量，瞬间完成，通过频-时对应关系，可获取实时高时间分辨成像数据。

纵向维度拓展：巧妙设计台阶镜和凹面光栅光谱仪，通过匹配计算、精密加工，获取纵向维度信息。

横向维度延伸：利用层析技术和大角度同步设计方案，由多个不同角度的频谱全息合成，获取空间二维位相随时间变化的过程信息。大交角飞秒光束精确同步装置将把多角度啁啾脉冲频率域全息扫描成像的再现精度大为提高。

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 (7)

1.一种原子时间过程单次全光高分辨成像的方法，其特征在于，包括：将飞秒激光器发出的飞秒激光经过前端的倍频器处理，再用二向色镜将不同波长激光分离，得到基频光和第一倍频光；所述第一倍频光作为分幅成像系统的取样光，所述基频光用第一分束器进行分光，其中一路经过第二倍频器转化成第二倍频光，作为超快事件激发光；另一路经过色散器，变成线性啁啾光脉冲；所述线性啁啾光脉冲经过脉冲复制器产生双脉冲，作为超快事件的参考光和探测光；经过超快事件区域后，所述探测光携带超快事件的空间和时间信息；将所述探测光用第二分束器分成两束，反射光进入扫描成像系统，得到扩展频域全息扫描成像；所述第二分束器分束的透射光作为分幅成像系统的信号光，得到与扫描成像同一时间基准、同一空间基准的分幅成像。

2.根据权利要求1所述的原子时间过程单次全光高分辨成像的方法，其特征在于，所述第二倍频光激发产生超快事件，为：所述基频光经过二向色镜透射后入射第一分束器，经所述第一分束器的透射光传输至色散器产生啁啾脉冲，传输至脉冲复制器处理，经过脉冲复制器两臂的脉冲获得不同的延时，得到延时不同的啁啾脉冲参考光和探测光；得到探测光啁啾脉冲对传输至超快事件位置；经所述第一分束器的反射光经过第二倍频器处理得到的激发光，传输至所述超快事件位置激发产生超快事件。

3.根据权利要求2所述的原子时间过程单次全光高分辨成像的方法，其特征在于，还包括：所述探测光啁啾脉冲对的参考光和探测光；经所述第一分束器的反射光传输至超快事件色散器处理后经过第二倍频器处理及延时后得到激发光；所述参考光和探测光经过所述超快事件，产生携带超快事件信息的超快事件探测光传输至所述第二分束器处理；经过所述第二分束器处理的反射光传输至所述扫描成像系统；经过所述第二分束器处理的透射光传输至所述分幅成像系统。

4.根据权利要求1所述的原子时间过程单次全光高分辨成像的方法，其特征在于，还包括：所述基频光经过前端的倍频器后，倍频光成分被二向色镜反射至分幅成像系统，作为取样光；经过所述前端的倍频器处理的光线依次经过大于或等于两个的泵浦脉冲取样单元，所述泵浦脉冲取样单元包括：光参量放大器和延时器，得到大于或等于两幅的非共线光参量放大闲频光，所述非共线光参量放大闲频光为取样光和相对时间延迟的信号光在光参量放大器中差频得到；所述非共线光参量放大闲频光传输至各自对应的电荷耦合器件进行分幅成像。

5.一种原子时间过程单次全光高分辨成像的装置，其特征在于，包括：飞秒激光器、第一倍频器、超快事件激发光发生器、扫描成像器、泵浦脉冲采样器及分幅成像器；超快事件激发光发生器，包括：二向色镜、第一分束器、色散器、脉冲复制器及第二倍频器，其中，

所述飞秒激光器，发出的飞秒激光经过第一倍频器传输至所述二向色镜；

所述二向色镜，处理所述飞秒激光得到基频光和第一倍频光，所述第一倍频光作为分幅成像器的取样光；

所述基频光用所述第一分束器进行分光，其中透射光为基频光，反射光束经过所述第二倍频器转化成第二倍频光；

所述超快事件激发光发生器，将所述第二倍频光通过超快事件位置激发产生超快事件；将所述基频光经过色散器和脉冲复制器，产生啁啾探测脉冲对作为探测光；所述探测光通过所述超快事件，并采用第二分束器分成两路超快事件探测光；

所述扫描成像器，接收所述超快事件探测光的其中一路并处理得到扩展频域全息扫描成像；所述分幅成像器，接收探测光的另一路，所述另一路探测光经过倍频取样光取样之后，得到与所述扩展频域全息扫描成像同一时间基准、同一空间基准的非共线光参量放大闲频光分幅成像。

6.根据权利要求5所述的原子时间过程单次全光高分辨成像的装置，其特征在于，所述二向色镜，将所述经第一倍频器处理后的飞秒激光透射后分离出基频光入射第一分束器；

所述第一分束器，将经过的透射光传输至色散器产生啁啾脉冲；

所述色散器，将所述啁啾脉冲传输至所述脉冲复制器；

所述脉冲复制器，包含一个分束器和两个延迟光路；所述脉冲复制器分束器将所述基频光分成两路，两路光分别经过不同的延迟光路，被光路中的零度全反射镜反射，原路返回；在所述脉冲复制器分束器中重新合束，得到探测光啁啾脉冲对的参考光和探测光传输至超快事件位置；

所述第二倍频器，将经过所述第一分束器的反射光处理得到的激发光，传输至所述超快事件位置激发产生超快事件。

7.根据权利要求5所述的原子时间过程单次全光高分辨成像的装置，其特征在于，还包括：泵浦脉冲取样单元及电荷耦合器件；

所述第一倍频器，将输入的飞秒激光进行倍频，并经过二向色镜反射得到第一倍频光，输入到大于或等于两个的泵浦脉冲取样单元；

所述泵浦脉冲取样单元，包括：光参量放大器和延时器，接收经过所述第一倍频器处理的光线进行处理，得到大于或等于两幅的非共线光参量放大闲频光；

所述电荷耦合器件，接收对应的所述非共线光参量放大闲频光进行分幅成像。

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