CN113252638A - 基于4f光学系统的fs-CARS平面成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于4f光学系统的fs‑CARS平面成像装置，该装置包括光源、光程调节单元、二项色镜、可调扩束镜和4f光学系统，在4f光学系统的信号产生平面布置被探测物种；光源发出光，且被分为两束光，两束光进入光程调节单元，经光程调节单元调节为光程相同的两束光；光程相同的两束光通过二向色镜实现两束光共轴，并经可调扩束镜调整两光束直径后进入4f光学系统；之后经4f光学系统产生CARS信号，实现对被探测物种的毫米级平面成像探测。本发明装置将4f光学系统引入到fs‑CARS技术中，从而改善了脉冲空间重叠的质量，提高了CARS信号的产率，最终实现了fs‑CARS的平面成像功能。

Description

基于4f光学系统的fs-CARS平面成像装置

技术领域

本发明涉及CARS平面成像技术领域，具体涉及基于4f光学系统的fs-CARS平面成像装置。

背景技术

具有组分分辨能力的平面成像技术在火焰空间结构诊断方面发挥重要作用。在发动机等燃烧设备的真实工况条件下，旋流、湍流等具有复杂流场结构的燃烧状态广泛存在，如何有效检测复杂火焰结构中的物种空间分布一直是燃烧诊断领域中的技术难题之一。

火焰成像诊断技术：目前在实际应用中，能够对火焰的燃烧状态进行成像探测的技术主要有PLIF(平面激光诱导荧光)技术和PIV(粒子成像测速)技术，以及相应的多种衍生技术。PLIF技术：该技术通常以输出波长与被探测物种共振的紫外激光器作为光源，将光束整形成片状从火焰中穿过，在“激光片”与火焰相交的剖面上，被探测的物种会吸收激光并发射出明亮的荧光，对剖面上的荧光进行成像，通过荧光的亮度变化即可判断该物种的浓度分布。目前，PLIF技术针对羟基(OH)的探测被应用的最为普遍，这是由于OH在各类火焰中广泛存在，对于研究火焰结构比较有代表性，并且OH的荧光强度很高，易于探测。除传统的平面成像探测外，近年来，PLIF技术还衍生出了利用多束激光从不同方向同时对火焰切片，从而获得火焰三维结构的技术。

PIV技术：该技术需要向火焰流场中吹入大量微小的颗粒作为示踪粒子，示踪粒子必须足够小，以保证其运动状态能够和气流保持一致。利用片状激光照明火焰流场中的特定区域，利用高分辨相机连续、快速拍摄该区域内的粒子运动情况，进而通过追踪粒子的位置变化来获取流场的速度和方向信息。

扫描成像CARS技术：扫描成像CARS(相干反斯托克斯拉曼散射)技术是将激发光聚焦在微米尺度的点上，探测器单次曝光只能得到一个像素，通过逐点改变聚焦位置依次扫描探测区域才能够获得完整的图像；扫描成像的技术特点侧重于高空间分辨率，能够在细胞尺度上分辨特定成分的空间分布，主要应用在生物、医药等研究领域。但是，扫描成像的方式导致了其数据采集时间较长(通常为分钟量级)，一般用于观测静态样品或缓慢变化的样品，如药物在细胞内的扩散过程，在火焰的成像诊断中，扫描成像技术目前尚无法应用。

综上，总的来说，PLIF和PIV技术(及相关的衍生技术)在火焰成像诊断的研究领域中有广泛应用。现有技术中PLIF技术利用了被探测物种自身的荧光特性，即电子激发态与基态之间发生跃迁而产生的自发辐射。火焰中可能存在成百上千种反应中间产物和终产物，每个物种的发光特性各不相同。对于荧光较强且易于激发的物种，如OH、CH等，利用PLIF技术可以获得非常好的成像效果；然而对于荧光极弱、或者不发射荧光、亦或激发波长位于真空紫外波段的物种，PLIF技术则无能为力。

PIV技术通过连续拍摄示踪粒子的运动状态来获取流场信息，从技术原理上可知，该技术不具备物种检测的能力，在火焰诊断应用中主要用于观测流场特性，无法给出特定物种的空间分布情况。

扫描成像CARS技术，该技术主要强调具有超高的空间分辨能力，但是极低的成像速率使得该技术无法用于燃烧过程的诊断。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在传统空间折叠箱结构的CARS技术中，激发光脉冲的波阵面之间存在一定交叉角度，实际有效交叠的区域较小，导致CARS信号的产率较低，不能很好地实现面成像。本发明目的在于提供基于4f光学系统的fs-CARS平面成像装置，本发明的技术在传统单点激发的CARS技术中引入全新的光学设计方案，使CARS技术具备了平面成像探测的能力，能够选择性的探测火焰中的特定物种并给出其空间分布状态。本发明能够实现利用CARS进行平面成像的关键是采用了一种全新的多光束空间重叠方案，在激发光路部分引入了4f光学系统，借助4f光学系统物平面与像平面共轭的特性，保证所有激发光在空间重合位置处的波阵面严格重合，从而大幅提升CARS信号的产率，因此在空间重合区域延展成面的情况下仍能保证CARS信号有足够大的强度被有效探测。

PLIF(平面激光诱导荧光)技术和PIV(粒子成像测速)技术，虽然这两种技术和本发明技术所针对的应用场景相同，但是依托的物理机制并不相同，因此严格来说并不能算作同类技术。从技术的“血缘”上，扫描成像CARS和本发明的技术最为接近，两者都是基于“CARS”这一三阶非线性光学效应而建立，然而两者在成像方式和应用对象上却完全不同。本发明的技术是平面成像技术，通过特殊的光学设计在一定区域内同时产生强度足以满足探测需求的CARS信号，单次曝光即可获得完整的图像。本发明是依托CARS这一非线性光学效应而建立的全新技术，可以作为现有技术体系的有益补充。从应用角度来看，本发明技术和PLIF更为接近，都是针对火焰中特定物种的空间分布而开展成像探测，PLIF技术利用了电子跃迁发光，而本发明技术则利用了振动跃迁发光。

本发明的基本原理如下：

在CARS过程中，泵浦光(频率为ω_pu)和斯托克斯光(频率为ω_st)共同作用于分子，当两个光子的能量差与分子的某个振动模式(能量为v)共振时，即

将有几率使该振动模式被相干激发。此时，被激发的分子再与第三个探测光子(频率为ω_pr)发生相互作用，则会产生CARS信号光，信号光的频率ω_CARS满足：

对于火焰这样的多组分体系，每一类物种均有各不相同的特征振动频率，例如H₂O分子的H-O键伸缩振动频率约为3400cm^-1，有机分子或基团中C-H键的伸缩振动的频率普遍在3000cm^-1左右，而CO₂分子的C-O键振动频率为1388cm^-1。因此可以通过调谐泵浦光或斯托克斯光的波长，使两者的能量差刚好和被探测物种的振动能量相匹配，达到选择性探测特定物种的目的。

与PLIF技术不同，CARS技术利用了被探测物种的振动跃迁。由于任何多原子分子(或基团)都有自己的特征振动频率，因此原则上都能够被CARS技术所探测；而PLIF技术只能探测物种的电子跃迁发光(即荧光)，对于不发射荧光的物种，PLIF技术则无能为力。因此CARS技术比PLIF技术具有更宽广的普适性。然而，作为一种三阶非线形效应，CARS的信号的强度远远小于荧光，因此传统的CARS技术难以进行有效的平面成像探测。本发明技术正是针对CARS的这一缺点做出了改进。

CARS信号的强度和激发光的功率密度直接相关，由于脉冲激光的能量被压缩在很短的时间内，形成极高的瞬时功率，因此能够有效的产生CARS信号，特别是利用飞秒激光作为光源的fs-CARS技术，即使在气相样品中也能够达到百万分之一以上的量子产率(每百万的激发光子产生一个信号光子)。在实际操作中，通常需要将激光聚焦在被测样品上以进一步提高功率密度。传统fs-CARS最常用的聚焦方式如图1所示，三束相互平行、但不共面的入射激发光经透镜聚焦后，分别从不同的角方向在焦点处实现空间重合，这种聚焦方式称为空间折叠箱结构，其主要优势是可以弥补因色散而导致的相位失配。然而这种结构也存在一个缺点：飞秒激光脉冲在传播方向上的空间宽度非常小，因此两个脉冲以一定角度在空间交叠时，事实上只有一部分区域能够实现交叠(如图1所示)，这一因素从一定程度上降低了产生CARS信号的效率。因此传统CARS技术需要将激发光聚焦以提高激光功率密度，信号产生区域的尺寸一般不超过100μm。若放大信号产生区域的尺寸，激光功率密度的减小将导致CARS信号的强度急剧降低而无法有效探测。

图1实则为点成像，而本发明实现了真正的面成像，且面成像的数量级达到了毫米级。

在本发明中，提出了一种全新的多光束空间重叠方案。该方案基于4f光学系统而设计，如图2所示。4f系统是信息光学领域中常用的一类装置，两个焦距相同的凸透镜光轴重合、焦点重合即构成了4f系统。在4f系统中有五个垂直于光轴的特殊平面，其位置图2中标记为A、B、C、D、E，其中B和D平面上放置凸透镜，A、C、E平面分别称为物平面、傅里叶变换平面、像平面，五个平面之间的间距相同，都等于透镜的焦距f，故称为4f系统。在本发明的应用中，物平面处放置一面透射光栅，两束不同波长(波长的具体数值由被探测物种的振动频率决定)的飞秒脉冲共轴入射在光栅之上，被光栅衍射后的0级和1级衍射光将被用作CARS过程的激发光。所有级次的衍射光经第一面透镜后，聚焦在傅里叶变换平面处，该处放置带有两个针孔的空间滤波板，其作用是保证0级衍射光和短波长激光的1级衍射光通过，其它级次的衍射光皆被遮挡。透过空间滤波板的光束经第二面透镜汇聚后在像平面处空间交叠。其中：短波长激光的0级衍射作为CARS过程的泵浦光，长波长激光的0级衍射作为斯托克斯光，短波长1级衍射作为探测光。光束重叠区域的面积和照射在光栅上的光斑面积相同，该区域内都有CARS信号产生，由此实现平面成像探测。

在上述空间重叠方案中，与空间折叠箱结构中激发光的波阵面与光束传播方向垂直不同，4f系统的应用使得衍射光的波阵面皆与光栅平面平行，与光束的传播方向无关，如图2中的框图内所示。在像平面处，所有衍射光的波阵面能够保证严格重合，因此会大大提高激发效率，使CARS信号的强度达到了能够进行平面成像探测的要求。

在4f系统的空间重叠结构中，泵浦光、斯托克斯光和探测光皆来自于物平面处光栅的衍射，由于物像之间的等光程性，三者在时间上也严格重合。在实际应用中需要控制探测光相对泵浦光的时间延迟，以保证CARS信号能够避开非共振电子背底的影响。而在4f系统内布置光学延迟极端困难，因此这里采用时间延迟片来产生延迟。如图2所示，在空间滤波板之后的0级和1级衍射光束上各布置一片等厚的时间延迟片，其中1级衍射光(即探测光)上的时间延迟片可以自由旋转，当该时间延迟片转过一定的偏转角后，探测光在介质中的光程增大，因此相对于0级的泵浦光产生了一定延迟，旋转的角度越大，产生的时间延迟越多。

本发明通过下述技术方案实现：

基于4f光学系统的fs-CARS平面成像装置，该装置包括光源、光程调节单元、二项色镜、可调扩束镜和4f光学系统，在所述4f光学系统的信号产生平面布置被探测物种；

所述光源发出光且被分为两束光，两束光进入所述光程调节单元，经所述光程调节单元调节为光程相同的两束光；光程相同的两束光通过所述二向色镜实现两束光共轴，并经所述可调扩束镜调整两光束直径后进入4f光学系统；之后经所述4f光学系统产生CARS信号，实现对被探测物种的毫米级平面成像探测。

进一步地，所述光程调节单元包括反射镜M1、反射镜M2、反射镜M3、反射镜M4、反射镜M5、反射镜M6、反射镜M7，光学延迟线Delay1、光学延迟线Delay2，衰减片At1、衰减片At2和光束提升器LL；

所述光源发出的光被分为两束，第一束光直接进入所述光程调节单元，依次经反射镜M1、衰减片At1、光学延迟线Delay1内的反射镜M2、光学延迟线Delay1内的反射镜M3、反射镜M4，进行第一束光的光程的精细调节控制；

第二束光先经光学参量放大器OPA调谐波长，光学参量放大器OPA的输出波长小于800nm，具体数值需根据被探测物种的振动频率确定；经过调谐波长的光之后依次经衰减片At2、反射镜M5、光学延迟线Delay2内的反射镜M6、光学延迟线Delay2内的反射镜M7和光束提升器LL，进行第二束光的光程的精细调节控制；

第一束光、第二束光均经光程调节后，进入二项色镜Di实现两束光的共轴。

进一步地，所述光学延迟线Delay1、光学延迟线Delay2均由电控位移台控制，且电控位移台要求最小步长不大于2μm(对应延迟时间13.3fs)，定位精度至少达到1μm(即优于1μm)。

进一步地，所述光程调节单元还包括光阑ID1、光阑ID2、光阑ID3、光阑ID4；

所述第一束光在经反射镜M1之前，先依次经光阑ID3、光阑ID4来约束第一束光的方向；

所述第二束光在经光学参量放大器OPA调谐波长之后，依次经光阑ID1、光阑ID2来约束第二束光的方向。

进一步地，所述4f光学系统包括光轴，五个垂直于光轴的平面A、B、C、D、E，其中平面B上放置消色差透镜Ac1，平面D上放置消色差透镜Ac2，平面A、平面C、平面E分别称为物平面、傅里叶变换平面、像平面，五个平面A、B、C、D、E之间的间距相同，间距均等于凸透镜的焦距f；物平面处放置一面透射光栅G，傅里叶变换平面处放置带有两个针孔的空间滤波板SS1；

两束不同波长(波长的具体数值由被探测物种的振动频率决定)的飞秒脉冲激光共轴入射在光栅G之上发生衍射，被光栅衍射后的0级和1级衍射光将被用作CARS过程的激发光；所有级次的衍射光经消色差透镜Ac1后，聚焦在傅里叶变换平面处的空间滤波板SS1；经空间滤波板SS1选取0级衍射(泵浦光和斯托克斯光)和短波长激光的1级衍射(探测光)通过，透过空间滤波板SS1的衍射光脉冲在像平面处重叠并产生CARS信号；其中：0级衍射作为CARS过程的泵浦光和斯托克斯光，短波长1级衍射作为探测光；

还包括空间滤波板SS2，CARS信号经空间滤波板SS2，使CARS信号光通过，而激发光则皆被阻挡。

进一步地，该装置还包括成像透镜L、短波通滤光片SP和相机，CARS信号经成像透镜L和短波通滤光片SP使CARS信号成像在相机上。短波通滤光片SP则用于过滤透过空间滤波板SS2的少量探测光及其它杂散光。

进一步地，该装置的性能指标主要由激发光的单脉冲能量和相机对弱光的响应灵敏度决定；激发光能量影响有效的成像尺寸，当激发光的能量为毫焦量级时，只能产生约1mm²尺寸的图像；当激发光能量为百毫焦量级时，有效的成像面积可以达到10mm²以上。

进一步地，所述光源采用脉宽小于等于100fs的飞秒脉冲激光。

进一步地，所述光源发出波长为800nm、脉宽为100fs的激光。

进一步地，该装置适应于检测所有的多原子(两个及两个以上)分子或基团。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明装置的关键点在于将4f光学系统引入到fs-CARS技术中，从而改善了脉冲空间重叠的质量，提高了CARS信号的产率，最终实现了fs-CARS的平面成像功能。

2、基于在传统空间折叠箱结构的CARS技术中，激发光脉冲的波阵面之间存在一定交叉角度，实际有效交叠的区域较小，导致CARS信号的产率较低；而在4f光学系统的空间重叠结构中，物、像平面之间的共轭性保证了激光光波阵面的严格重合，从而有效提高了CARS信号的量子产率，因此信号产生区域的尺寸延展至若干毫米量级时仍能保证信号的强度能够被有效探测。

3、和现有的PLIF、PIV等火焰的成像诊断技术相比，本发明的fs-CARS平面成像技术的主要优点是在物种检测方面具有更强的普适性；PLIF技术无法检测不具有荧光特性、或荧光激发波长位于真空紫外波段的物种；而PIV技术从原理上不具有物种检测的能力。相比较而言，本发明fs-CARS平面成像技术能够检测所有的多原子(两个及两个以上)分子或基团。

4、相比于扫面成像CARS技术，本发明实现了真正的平面成像技术，单次激发、单次曝光即可获得完整的图像，因此可以对快速变化的燃烧场进行成像诊断。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为传统fs-CARS技术使用的空间折叠箱结构示意图。

图2为本发明借助4f光学系统实现fs-CARS平面成像的原理示意图。

图3为本发明基于4f光学系统的fs-CARS平面成像装置结构示意图。

图4为本发明实施例2中200μm玻璃样品中的fs-CARS平面成像结果图一。

图5为本发明实施例2中200μm玻璃样品中的fs-CARS平面成像结果图二。

图6为本发明实施例3中fs-CARS平面成像装置在气体样品中的成像效果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图2至图3所示，本发明基于4f光学系统的fs-CARS平面成像装置，包括该装置包括光源、光程调节单元、二项色镜、可调扩束镜和4f光学系统，在所述4f光学系统的信号产生平面布置被探测物种；

所述光源发出光且被分为两束光，两束光进入所述光程调节单元，经所述光程调节单元调节为光程相同的两束光；光程相同的两束光通过所述二向色镜实现两束光共轴，并经所述可调扩束镜调整两光束直径后进入4f光学系统；之后经所述4f光学系统产生CARS信号，实现对被探测物种的毫米级平面成像探测。

具体地，所述光程调节单元包括反射镜M1、反射镜M2、反射镜M3、反射镜M4、反射镜M5、反射镜M6、反射镜M7，光学延迟线Delay1、光学延迟线Delay2，衰减片At1、衰减片At2和光束提升器LL；

所述光源发出的光被分为两束，第一束光直接进入所述光程调节单元，依次经反射镜M1、衰减片At1、光学延迟线Delay1内的反射镜M2、光学延迟线Delay1内的反射镜M3、反射镜M4，进行第一束光的光程的精细调节控制；

第二束光先经光学参量放大器OPA调谐波长，光学参量放大器OPA的输出波长小于800nm，具体数值需根据被探测物种的振动频率确定；经过调谐波长的光之后依次经衰减片At2、反射镜M5、光学延迟线Delay2内的反射镜M6、光学延迟线Delay2内的反射镜M7和光束提升器LL，进行第二束光的光程的精细调节控制；

第一束光、第二束光均经光程调节后，进入二项色镜Di实现两束光的共轴。

具体地，所述光学延迟线Delay1、光学延迟线Delay2均由电控位移台控制，且电控位移台要求最小步长不大于2μm(对应延迟时间13.3fs)，定位精度至少达到1μm(即优于1μm)。

具体地，所述光程调节单元还包括光阑ID1、光阑ID2、光阑ID3、光阑ID4；

所述第一束光在经反射镜M1之前，先依次经光阑ID3、光阑ID4来约束第一束光的方向；

所述第二束光在经光学参量放大器OPA调谐波长之后，依次经光阑ID1、光阑ID2来约束第二束光的方向。

具体地，所述4f光学系统包括光轴，五个垂直于光轴的平面A、B、C、D、E，其中平面B上放置消色差透镜Ac1，平面D上放置消色差透镜Ac2，平面A、平面C、平面E分别称为物平面、傅里叶变换平面、像平面，五个平面A、B、C、D、E之间的间距相同，间距均等于凸透镜的焦距f；物平面处放置一面透射光栅G，傅里叶变换平面处放置带有两个针孔的空间滤波板SS1；

两束不同波长(波长的具体数值由被探测物种的振动频率决定)的飞秒脉冲激光共轴入射在光栅G之上发生衍射，被光栅衍射后的0级和1级衍射光将被用作CARS过程的激发光；所有级次的衍射光经消色差透镜Ac1后，聚焦在傅里叶变换平面处的空间滤波板SS1；经空间滤波板SS1选取0级衍射(泵浦光和斯托克斯光)和短波长激光的1级衍射(探测光)通过，透过空间滤波板SS1的衍射光脉冲在像平面处重叠并产生CARS信号；其中：0级衍射作为CARS过程的泵浦光和斯托克斯光，短波长1级衍射作为探测光；

还包括空间滤波板SS2，CARS信号经空间滤波板SS2，使CARS信号光通过，而激发光则皆被阻挡。

具体地，该装置还包括成像透镜L、短波通滤光片SP和COMS相机，CARS信号经成像透镜L和短波通滤光片SP使CARS信号成像在COMS相机上。短波通滤光片SP则用于过滤透过空间滤波板SS2的少量探测光及其它杂散光。

具体地，该装置的性能指标主要由激发光的单脉冲能量和COMS相机对弱光的响应灵敏度决定；激发光能量影响有效的成像尺寸，当激发光的能量为毫焦量级时，只能产生约1mm²尺寸的图像；当激发光能量为百毫焦量级时，有效的成像面积可以达到10mm²以上。

具体地，所述光源采用脉宽小于等于100fs的飞秒脉冲激光；所述光源发出波长为800nm、脉宽为100fs的激光。

实施时，工作过程如下：

图3为基于4f光学系统的fs-CARS平面成像装置结构示意图，图3中ID为光阑，M为反射镜，Di为二项色镜，G为透射光栅，Ac为消色差透镜，Delay为光学延迟线，BE为可调扩束镜，At为衰减片，LL为光束提升器，SS为空间滤波板，L为成像透镜，SP为短波通滤光片，TP为时间延迟片。

该装置使用脉宽100fs(或更短)的飞秒脉冲激光作为光源，由光源发出的波长为800nm、脉冲宽度为100fs激光，该激光首先被分为两束：第一束光直接进入光程调节单元；第二束光则先经过光学参量放大器OPA调谐波长，OPA的输出波长小于800nm，具体数值需根据被探测物种的振动频率确定。两束激光分别经过由电控位移台控制的光学延迟线(图中Delay1和Delay2)实现对光程的精细控制。其中电控位移台要求最小步长不大于2μm(对应延迟时间13.3fs)，定位精度优于1μm。两束光离开延迟线后，通过二向色镜Di实现共轴，经可调扩束镜BE调整光束直径后进入4f光学系统。光栅G使两束共轴入射的激光发生衍射，空间滤波板SS1选取0级衍射(泵浦光和斯托克斯光)和短波长激光的1级衍射(探测光)通过，透过空间滤波板SS1的衍射光脉冲在像平面处重叠并产生CARS信号。空间滤波板SS2能够使CARS信号光通过，而激发光则皆被阻挡。CARS信号在4f光学系统的像平面处产生，通过成像透镜L使CARS信号成像在COMS相机上。短波通滤光片SP则用于过滤透过空间滤波板SS2的少量探测光及其它杂散光。

在该装置的像平面处，4f光学系统能够自发保证三束激发光之间的空间重合；泵浦光和斯托克斯光之间的时间重合则可以通过任一光学延迟线(Delay1或Delay2)来调整。而探测光需要适当向后延迟以避开零时刻(通常将探测光与泵浦光重合的时刻定义为延迟时间的零时刻)出现的非共振电子背底，这一延迟则需要通过旋转时间延迟片TP2来控制。需要特别说明的是：因不同波长激光在介质中的折射率不同，旋转时间延迟片的方法难以实现精确控制延迟时间，但在本发明的装置中，这一缺点并不造成实际影响。在本发明中，延迟探测光的目的仅仅是为了避免非共振电子背底的干扰，因此并不需要对延迟时间进行精确控制，对于100fs脉宽的激发脉冲，探测光延迟200-300fs即可。

在4f光学系统中，透射光栅的刻线密度决定了泵浦光和探测光之间的夹角，对于火焰等气相样品的探测，该角度不宜过大，因此光栅的刻线密度的范围一般为20—40线/mm。当被探测物种的振动频率较低时，需要选择较低刻线密度的光栅；反之，探测高频振动则需要使用较高刻线密度的光栅。透镜的焦距原则上没有严格要求，但需要保证透镜的数值孔径与±1级衍射光之间的夹角相匹配。

该装置的性能指标主要由激发光的单脉冲能量和相机对弱光的响应灵敏度决定。激发光能量影响有效的成像尺寸，当激发光的能量为毫焦量级时，只能产生约1mm²尺寸的图像；当激发光能量为百毫焦量级时，有效的成像面积可以达到10mm²以上。当被探测物种具有较强的拉曼活性时，产生的CARS信号也更强，此时使用低成本的CMOS相机即可胜任；而对于信号较弱的物种，则需要使用ICCD、EMCCD等高灵敏度的光电探测设备。

总之，本发明装置的关键点在于将4f光学系统引入到fs-CARS技术中，从而改善了脉冲空间重叠的质量，提高了CARS信号的产率，最终实现了fs-CARS的平面成像功能。基于在传统空间折叠箱结构的CARS技术中，激发光脉冲的波阵面之间存在一定交叉角度，实际有效交叠的区域较小，导致CARS信号的产率较低；而在4f光学系统的空间重叠结构中，物、像平面之间的共轭性保证了激光光波阵面的严格重合，从而有效提高了CARS信号的量子产率，因此信号产生区域的尺寸延展至若干毫米量级时仍能保证信号的强度能够被有效探测。

实施例2

如图2至图5所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例给出一个利用本发明装置进行平面成像探测的应用实例，相关实验使用图3所示装置完成。

首先利用固态介质——玻璃的成像验证装置的性能指标，作为样品的玻璃厚度为200μm，其上印有“P-CARS”字样(本发明技术的英文缩写：Planar fs-CARS)和总长度为1mm的标尺，如图4右图所示。需要特别说明的是：玻璃是一种非晶态物质没有确定的振动模式，因此实验中无法单独获得真正的CARS信号。下面展示的玻璃的“fs-CARS”图像事实上是非共振电子背底和微弱振动信号的混合，并且非共振电子背底信号是其中的主要成分。在验证装置指标方面，非共振电子背底信号和真正的CARS信号具有相同的效果。

因为玻璃没有明确的振动频率，泵浦光的波长可以任意选择。这里令OPA输出的波长为675nm，4f光学系统中的光栅刻线密度为30线/mm，透镜焦距100mm，到达玻璃样品处的激光能量为：泵浦光8μJ、斯托克斯光8μJ、探测光2μJ(1级衍射光能量小于0级衍射)，由此产生的信号光波长为583nm，探测器选用彩色CMOS相机。在此条件下，得到的平面成像结果如图4所示，其中虚线框内区域为玻璃产生的信号，玻璃上的图案因遮挡了激发光而在信号中留下了阴影。

图4为200μm玻璃样品中的fs-CARS平面成像结果图一，泵浦光和斯托克斯光的单脉冲能量约8μJ，探测光的能量约2μJ，玻璃上的标尺表明有效成像面积约1mm²。从该结果中可以看出：成像区域直径略大于1mm，面积约1mm²；字母和标尺的阴影比较清晰，可以判断装置的空间分辨率约为10μm。

图5为200μm玻璃样品中的fs-CARS平面成像结果图二，泵浦光的单脉冲能量放大至300μJ，斯托克斯光能量500μJ，探测光能量100μJ，可以达到约10mm²的成像面积。

提高玻璃样品处的激发光能量至：泵浦光300μJ、斯托克斯光500μJ、探测光100μJ，同时调整可调扩束镜BE增大入射到光栅上的光束直径，可以得到更大的成像尺寸，如图5所示。此时有效成像区域的直径达到了3mm，面积约10mm²。需要说明的是：该验证实验微调了4f光学系统中的空间滤波板，使800nm激光的1级衍射光通过并作为CARS过程的探测光(原本透过675nm的1级衍射光)。由于800nm激光的能量显著大于OPA输出的675nm激光，因此利用800nm激光作为探测光能够充分利用光源系统的输出能量，使成像区域的尺度达到最大。但采用800nm的探测光同时也带来一个问题，即信号光的波长与泵浦光相同，皆为675nm，这导致无法利用短波通滤光片过滤泵浦光的散射光。从图5中可以看出，玻璃表面的图案和杂质都会使泵浦光发生强散射，其强度已使探测器饱和(图中的亮斑即为探测器饱和所致)，导致成像的清晰度下降。

和现有的PLIF、PIV等火焰的成像诊断技术相比，本发明的fs-CARS平面成像技术的主要优点是在物种检测方面具有更强的普适性；PLIF技术无法检测不具有荧光特性、或荧光激发波长位于真空紫外波段的物种；而PIV技术从原理上不具有物种检测的能力。相比较而言，本发明fs-CARS平面成像技术能够检测所有的多原子(两个及两个以上)分子或基团。

相比于扫面成像CARS技术，本发明实现了真正的平面成像技术，单次激发、单次曝光即可获得完整的图像，因此可以对快速变化的燃烧场进行成像诊断。

实施例3

如图6所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例利用气体样品作为被探测物种。

图6展示了fs-CARS平面成像装置在气体样品中的成像效果图。图6(a)为丁烷本生灯火焰局部的N₂浓度空间分布图像，图6(b)为本生灯喷嘴处丁烷气体喷流的图像。

图6(a)的探测对象为丁烷本生灯的预混燃烧火焰，以其中的N₂为探测对象，OPA输出波长调谐至675nm，与800nm激光共同作用激发N₂分子2330cm^-1的伸缩振动，探测光波长675nm，由此得到的信号光波长为583nm。4f光学系统中探测光路上的时间延迟片TP2(厚度为1mm)旋转了30°，产生了约200fs的延迟时间，因此完全排除了非共振电子背底的影响。因为成像尺寸小于火焰，图6(a)展示的仅是火焰中央的局部区域，可以看出信号存在明显的明暗变化，该变化来源于N₂浓度的起伏，反映了火焰局部的燃气密度的空间分布。

图6(b)则展示了喷嘴处的丁烷气体喷流(未点燃)图像。丁烷分子(CH₃-CH₂-CH₂-CH₃)最主要的振动模式是C-H键的伸缩振动，因C-H键在分子内的位置不同，其振动频率也略有差异，在2900—3000cm^-1之间形成了伸缩振动带。将OPA的输出波长调谐至645nm作为泵浦光和探测光，结合800nm的斯托克斯光，以及100fs脉冲激光固有的300cm^-1带宽，能够有效覆盖丁烷分子的C-H键伸缩振动带，产生的CARS信号波长为540nm。同样旋转TP2使探测光产生约200fs的时间延迟，从而避开非共振电子背底的影响。在图6(b)中，有效成像区域的边缘距离喷嘴约0.5mm，可以看出在成像区域内，丁烷气体的浓度分布比较均匀，流向也基本相同，不存在涡流等复杂的结构。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于4f光学系统的fs-CARS平面成像装置，其特征在于，该装置包括光源、光程调节单元、二项色镜、可调扩束镜和4f光学系统，在所述4f光学系统的信号产生平面布置被探测物种；

所述光源发出光且被分为两束光，两束光进入所述光程调节单元，经所述光程调节单元调节为光程相同的两束光；光程相同的两束光通过所述二向色镜实现两束光共轴，并经所述可调扩束镜调整两光束直径后进入4f光学系统；之后经所述4f光学系统产生CARS信号，实现对被探测物种的毫米级平面成像探测。

2.根据权利要求1所述的基于4f光学系统的fs-CARS平面成像装置，其特征在于，所述光程调节单元包括反射镜M1、反射镜M2、反射镜M3、反射镜M4、反射镜M5、反射镜M6、反射镜M7，光学延迟线Delay1、光学延迟线Delay2，衰减片At1、衰减片At2和光束提升器LL；

所述光源发出的光被分为两束：

第一束光直接进入所述光程调节单元，依次经反射镜M1、衰减片At1、光学延迟线Delay1内的反射镜M2、光学延迟线Delay1内的反射镜M3、反射镜M4，进行第一束光的光程的精细调节控制；

第二束光先经光学参量放大器OPA调谐波长，光学参量放大器OPA的输出波长小于800nm，经过调谐波长的光之后依次经衰减片At2、反射镜M5、光学延迟线Delay2内的反射镜M6、光学延迟线Delay2内的反射镜M7和光束提升器LL，进行第二束光的光程的精细调节控制；

第一束光、第二束光均经光程调节后，进入二项色镜Di实现两束光的共轴。

3.根据权利要求2所述的基于4f光学系统的fs-CARS平面成像装置，其特征在于，所述光学延迟线Delay1、光学延迟线Delay2均由电控位移台控制，且电控位移台要求最小步长不大于2μm，定位精度至少达到1μm。

4.根据权利要求2所述的基于4f光学系统的fs-CARS平面成像装置，其特征在于，所述光程调节单元还包括光阑ID1、光阑ID2、光阑ID3、光阑ID4；

所述第一束光在经反射镜M1之前，先依次经光阑ID3、光阑ID4来约束第一束光的方向；

所述第二束光在经光学参量放大器OPA调谐波长之后，依次经光阑ID1、光阑ID2来约束第二束光的方向。

5.根据权利要求2所述的基于4f光学系统的fs-CARS平面成像装置，其特征在于，所述4f光学系统包括光轴，五个垂直于光轴的平面A、B、C、D、E，其中平面B上放置消色差透镜Ac1，平面D上放置消色差透镜Ac2，平面A、平面C、平面E分别称为物平面、傅里叶变换平面、像平面，五个平面A、B、C、D、E之间的间距相同，间距均等于凸透镜的焦距f；物平面处放置一面透射光栅G，傅里叶变换平面处放置带有两个针孔的空间滤波板SS1；

两束不同波长的飞秒脉冲激光共轴入射在光栅G之上发生衍射，被光栅衍射后的0级和1级衍射光将被用作CARS过程的激发光；所有级次的衍射光经消色差透镜Ac1后，聚焦在傅里叶变换平面处的空间滤波板SS1；经空间滤波板SS1选取0级衍射和短波长激光的1级衍射通过，透过空间滤波板SS1的衍射光脉冲在像平面处重叠并产生CARS信号；其中：0级衍射作为CARS过程的泵浦光和斯托克斯光，短波长1级衍射作为探测光；

还包括空间滤波板SS2，CARS信号经空间滤波板SS2，使CARS信号光通过，而激发光则皆被阻挡。

6.根据权利要求5所述的基于4f光学系统的fs-CARS平面成像装置，其特征在于，该装置还包括成像透镜L、短波通滤光片SP和相机，CARS信号经成像透镜L和短波通滤光片SP使CARS信号成像在相机上。

7.根据权利要求6所述的基于4f光学系统的fs-CARS平面成像装置，其特征在于，该装置的性能指标由激发光的单脉冲能量和COMS相机对弱光的响应灵敏度决定；激发光能量影响成像尺寸，当激发光的能量为毫焦量级时，产生1mm²尺寸的图像；当激发光能量为百毫焦量级时，成像面积达到10mm²以上。

8.根据权利要求1所述的基于4f光学系统的fs-CARS平面成像装置，其特征在于，所述光源采用脉宽小于等于100fs的飞秒脉冲激光。

9.根据权利要求8所述的基于4f光学系统的fs-CARS平面成像装置，其特征在于，所述光源发出波长为800nm、脉宽为100fs的激光。

10.根据权利要求1所述的基于4f光学系统的fs-CARS平面成像装置，其特征在于，该装置适应于检测多原子分子或基团。

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