CN116256311A - 超快时间分辨测量方法和系统 - Google Patents

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CN116256311A
CN116256311A CN202310125017.9A CN202310125017A CN116256311A CN 116256311 A CN116256311 A CN 116256311A CN 202310125017 A CN202310125017 A CN 202310125017A CN 116256311 A CN116256311 A CN 116256311A
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light laser
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刘晓龙
聂树真
胡文哲
张洪流
王玉恒
樊仲维
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Abstract

本发明提供一种超快时间分辨测量方法和系统，该系统包括超连续白光激光产生、啁啾控制、多光谱协同成像探测和数据融合处理四个组件；超连续白光激光产生组件将超短脉冲激光转换为超连续白光激光，啁啾控制组件将超连续白光激光划分成具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光，多光谱协同成像探测组件基于多个波段的超连续白光激光对待测量对象进行分光并成像，得到各个光谱成分对应的待测量对象的图像，数据融合处理组件基于多个波段的超连续白光激光和各个光谱成分对应的待测量对象的图像，得到待测量对象瞬态过程的动态演化成像。本发明实现了瞬态过程超快时间分辨的动态演化成像，成像质量高。

Description

超快时间分辨测量方法和系统
技术领域
本发明涉及超快激光技术领域，尤其涉及一种超快时间分辨测量方法和系统。
背景技术
超快现象是指发生在物质微观体系中快速变化的物理、化学或生物过程，该过程持续时间短，变化快，约为飞秒量级(10-15s)，对该过程的观察至关重要。
传统的飞秒量级检测技术，无法实现连续检测。飞秒激光泵浦探测技术是一种具有飞秒量级时间分辨力的探测技术，为了完整记录探测对象的整个变化过程，需要通过改变探针光与泵浦光间的时间延迟，进行多次拍摄检测，最后按照时间顺序将多次拍摄的图像拼凑在一起，从而还原探测对象的动态连续变化过程。
由于每次拍摄只能拍摄一张图片，需进行多次拍摄来实现整个超快过程的连续成像和探测，从多次探测的一致性角度考虑，需要被探测超快过程在探测时间内具有较高的稳定性，所以该方法进行连续成像探测存在较大误差，成像质量差。
发明内容
本发明提供一种超快时间分辨测量方法和系统，用以解决现有技术中对超快过程进行连续成像探测存在较大误差的缺陷，实现瞬态过程的超快连续成像和探测。
本发明提供一种超快时间分辨测量系统，包括：
超连续白光激光产生组件、啁啾控制组件、多光谱协同成像探测组件和数据融合处理组件；
其中，超连续白光激光产生组件与啁啾控制组件连接，超连续白光激光产生组件用于将超短脉冲激光转换为超连续白光激光；
啁啾控制组件还分别与多光谱协同成像探测组件和数据融合处理组件连接，啁啾控制组件用于将超连续白光激光划分成具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光；
多光谱协同成像探测组件还与数据融合处理组件连接，多光谱协同成像探测组件用于基于多个波段的超连续白光激光对待测量对象进行成像，得到多个光谱成分各自对应的待测量对象的图像；
数据融合处理组件用于基于具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光，以及各个所述光谱成分对应的待测量对象的图像，得到待测量对象瞬态过程的动态演化成像。
本发明提供的超快时间分辨测量系统，超连续白光激光产生组件包括：
光束聚焦模块、超连续白光激光产生介质和光束准直模块；
其中，光束聚焦模块用于对超短脉冲激光进行聚焦，并将聚焦后的激光输入超连续白光激光产生介质；
超连续白光激光产生介质用于将聚焦后的激光转化为宽光谱范围的超连续白光激光；
光束准直模块用于将宽光谱范围的超连续白光激光进行准直处理。
本发明提供的超快时间分辨测量系统，多光谱协同成像探测组件包括：
光栅、条形探测阵列；
其中，所述光栅用于对所述多个波段的超连续白光激光进行分光，得到多个光谱成分的光束；
所述条形探测阵列用于对各个所述光谱成分的光束进行滤波并基于不同光谱成分的光束分别对待测量对象进行成像，得到各个所述光谱成分对应的待测量对象的图像。
本发明提供的超快时间分辨测量系统，多光谱协同成像探测组件，包括：
条形探测阵列包括条形微透镜阵列和条形探测器，条形微透镜阵列包括与各个光谱成分数量相同的微透镜，多个微透镜上设有与各自光谱成分对应的带通滤波片，带通滤波片用于对各个光谱成分的光束进行滤波。
本发明提供的超快时间分辨测量系统，不同的动态演化成像对应的时间间隔可变。
本发明提供的超快时间分辨测量系统，超短脉冲激光的功率大于超连续白光激光在超连续白光激光产生介质中的自聚焦阈值功率；
其中，自聚焦阈值功率满足如下公式：
Figure BDA0004081881140000031
其中，pcr表示自聚焦阈值功率，λ0为超短脉冲激光的波长，n0为不考虑非线性效应情况下超短脉冲激光在超连续白光激光产生介质的折射率，n2为超短脉冲激光在超连续白光激光产生介质中的非线性折射率系数。
本发明提供的超快时间分辨测量系统，光束聚焦模块包括：光束聚焦透镜，光束聚焦透镜的焦距f与超短脉冲激光的直径D满足如下公式：
f/D>a；
其中，a的数值与超连续白光激光产生介质的种类有关。
本发明还提供一种超快时间分辨测量方法，包括：
将超短脉冲激光转换为超连续白光激光；
将超连续白光激光划分成具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光；
基于多个波段的超连续白光激光对待测量对象进行成像，得到各个所述光谱成分对应的待测量对象的图像；
基于具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光，以及各个所述光谱成分对应的待测量对象的图像，得到待测量对象瞬态过程的动态演化成像。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现任一项超快时间分辨测量方法。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现任一项超快时间分辨测量方法。
本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现任一项超快时间分辨测量方法。
本发明提供的一种超快时间分辨测量方法和系统，该系统主要由超连续白光激光产生组件、啁啾控制组件、多光谱协同成像探测组件和数据融合处理组件组成，通过将入射的超短脉冲激光经过超连续白光激光产生组件转换为超连续白光激光，然后通过啁啾控制组件将超连续白光激光划分成具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光，多光谱协同成像探测组件对待测量对象基于多个波段的超连续白光激光进行分光和成像，得到各个光谱成分对应的待测量对象的图像，进而，数据融合处理组件基于具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光，以及各个光谱成分对应的待测量对象的图像，得到待测量对象瞬态过程的动态演化成像。由于超短脉冲激光经由超连续白光激光产生组件产生的超连续白光激光为宽光谱范围、强度可控的光束，结合啁啾控制组件可以对不同光谱成分多个细分波段间时间间隔进行调整，进一步由多光谱协同成像探测组件基于各个波段时间间隔可控的白光激光对待测量对象瞬态过程在不同光谱成分间成像，可以保证不同光谱成分间成像的一致性，进而实现瞬态过程在超快时间分辨的动态演化成像，提高了探测及成像质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的超快时间分辨测量系统的结构示意图；
图2是本发明提供的超快时间分辨测量方法的流程示意图；
图3是超连续白光激光产生组件的结构示意图；
图4是超连续白光激光产生过程的示意图；
图5是多光谱协同成像探测组件的原理示意图之一；
图6是多光谱协同成像探测组件的结构示意图之二；
图7是啁啾控制组件的结构示意图；
图8是本发明提供的电子设备的结构示意图。
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，下面将结合本发明中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
首先，对本发明实施例涉及的部分词汇和应用场景进行介绍。
在本发明实施例中，所谓超快过程是指发生在持续时间小于百万分之一秒内的物理、化学或生物过程，如凝聚态物质的时间演化动力学过程、植物光合作用过程、生物材料荧光发射的时间尺度、半导体材料载流子寿命和原子分子体系运动时间尺度等，其时间尺度一般在皮秒(10-12秒)、飞秒(10-15秒)甚至阿秒(10-18秒)量级。
所谓超短脉冲激光是指脉冲的持续时间(也就是脉冲时间宽度)相当于或短于微观体系中快速变化过程时间的激光束，即通常所说的皮秒，飞秒或阿秒脉冲激光。超短脉冲激光之所以能用于瞬态现象的探测，是利用超短脉冲激光的持续时间非常短的特点，类似于高速相机拍摄快速变化的过程，利用高速摄像机就可以将快速变化的过程分解为多个单独的动作。我们可以把激光脉冲当做闪光灯，当一个激光脉冲照过来时，相当于闪光灯曝光一次，从而记录一幅照片，当一幅幅照片记录下来，连续播放就可以显示其动态变化过程。激光脉冲的时间的宽度决定了曝光时间，所以用超短脉冲激光可以观察到物质内部原子、分子甚至电子的运动过程。超短脉冲激光是人们研究探测物质微观体系瞬态现象的重要工具，目前最为成熟和广泛使用的是飞秒激光和皮秒激光。
超短脉冲激光例如飞秒激光，脉冲宽度小、峰值功率高，在透明介质会产生诸多非线性效应，其频谱被极大地展宽，形成方向性、相干性良好的超连续谱白光激光，这种白光频谱可覆盖可见光和近红外波段。
所谓啁啾效应，当一个脉冲包络的不同部位具有不同的瞬时频率，这种现象为啁啾效应。啁啾效应产生的原因有很多种，对于超短脉冲，特别是飞秒脉冲，尽管每个脉冲能量不高，但是其脉宽很窄，所以脉冲峰值很高，极高的峰值功率会使介质产生一系列的非线性效应，如自相位调制、自聚焦效应等，这些非线性效应较高引起介质的折射率发生变化。
下面结合图1-图7以具体的实施例对本发明实施例的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
本发明实施例提供一种超快时间分辨测量系统，图1是该系统的结构示意图，如图1所示，本实施例提供的系统结构，包括：
超连续白光激光产生组件110、啁啾控制组件120、多光谱协同成像探测组件130和数据融合处理组件140；
(1)超连续白光激光产生组件110，与啁啾控制组件120连接，超连续白光激光产生组件110用于将超短脉冲激光转换为超连续白光激光；
具体地，入射的超短脉冲激光例如飞秒激光进入超连续白光激光产生组件，例如通过一个超连续白光激光产生介质，将超短脉冲激光转换为超连续白光激光，可选地，超连续白光激光产生介质为透明介质，当飞秒激光的激光功率大于该介质的自聚焦阈值功率时，飞秒激光会在产生介质中产生自聚焦等离子体通道，同时发生如自相位调制、四波混频及受激散射等强烈的非线性效应，从而产生宽光谱范围的超连续白光激光，例如波长覆盖整个可见光区域甚至扩展到紫外和红外区域。
(2)啁啾控制组件120，分别与多光谱协同成像探测组件130和数据融合处理组件140连接，啁啾控制组件120用于将超连续白光激光划分成具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光；
具体地，超连续白光激光进入啁啾控制组件，啁啾控制组件将输入的超连续白光激光划分为具有多个波段的超连续白光激光，各个波段之间的时间间隔可以通过啁啾控制组件调整，啁啾控制组件可以是啁啾玻璃或光栅对，通过调整啁啾玻璃的厚度，或者改变光栅对之间的相对距离来实现时间间隔的调整。
(3)多光谱协同成像探测组件130，还与数据融合处理组件140连接，多光谱协同成像探测组件130用于基于多个波段的超连续白光激光对待测量对象进行成像，得到多个光谱成分各自对应的待测量对象的图像；
具体地，上述经过啁啾控制组件得到的各个波段时间间隔可控的超连续白光激光入射至多光谱协同成像探测组件，通过对光谱进行分光和对不同光谱成分光束进行滤波、和探测成像，可以对不同光谱成分细分波段携带信息同时获取、分离和成像，每个光谱成分光束包含超连续白光激光的多个子波段，可以根据实际需要进行波段选取，从而得到多个光谱成分各自对应的不同时刻待探测对象的成像信息。
(4)数据融合处理组件140，用于基于具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光，以及各个所述光谱成分对应的待测量对象的图像，得到待测量对象瞬态过程的动态演化成像。
具体地，数据融合处理组件用于将通过啁啾控制组件得到的多个波段的超连续白光激光和不同光谱成分各自对应的待测量对象的图像进行匹配，即就是将多个不同时刻待测量对象的特征信息和瞬态过程不同光谱成分对应的成像信息进行匹配，并在时间域进行准确标定和处理，实现待测量对象瞬态过程的动态演化成像及探测。
本发明实施例提供的一种超快时间分辨测量系统，该系统主要由超连续白光激光产生组件、啁啾控制组件、多光谱协同成像探测组件和数据融合处理组件组成，通过将入射的超短脉冲激光经过超连续白光激光产生组件转换为超连续白光激光，然后通过啁啾控制组件将超连续白光激光划分成具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光，多光谱协同成像探测单元对待测量对象基于多个波段的超连续白光激光进行分光和成像，得到各个光谱成分各自对应的待测量对象的图像，进而，数据融合处理组件基于具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光，以及各个光谱成分对应的待测量对象的图像，进而，数据融合处理组件基于具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光，以及各个光谱成分对应的待测量对象的图像，得到待测量对象瞬态过程的动态演化成像。由于超短脉冲激光经由超连续白光激光产生组件产生的超连续白光激光为宽光谱范围、强度可控的光束，结合啁啾控制组件可以对不同光谱成分多个细分波段间时间间隔进行调整，进一步由多光谱协同成像探测组件基于各个波段时间间隔可控的白光激光对待测量对象瞬态过程在不同光谱成分间成像，可以保证不同光谱成分间成像的一致性，进而实现瞬态过程在超快时间分辨的动态演化成像，提高了探测及成像质量。
可选地，超连续白光激光产生组件110的结构示意图如图3所示，该组件包括：光束聚焦模块1101、超连续白光激光产生介质1102和光束准直模块1103；
光束聚焦模块1101，用于对超短脉冲激光进行聚焦，并将聚焦后的激光输入超连续白光激光产生介质；
超连续白光激光产生介质1102，用于将聚焦后的激光转化为宽光谱范围的超连续白光激光；
光束准直模块1103，用于将宽光谱范围的超连续白光激光进行准直处理。
在具体的实施例中，超短脉冲激光，例如飞秒激光，进入光束聚焦模块，光束聚焦模块例如光学元件透镜，对入射的飞秒激光进行聚焦，将聚焦后的飞秒激光进一步输入超连续白光激光产生介质中。
进一步地，聚焦后的飞秒激光入射至超连续白光激光产生介质中，上述飞秒激光在超连续白光激光产生介质中会产生自聚焦等离子体通道，同时发生多种非线性效应，例如自相位调制、四波混频及受激散射等，可转换为宽光谱范围、强度可控的超连续白光激光。
进一步地，上述超连续白光激光经由光束准直机构转换为准直的、便于传输的宽光谱范围、强度可控的超连续白光激光。
超连续白光激光产生的具体过程的示意图如图4所示。
可选地，超连续白光激光产生介质可以是固体、液体和气体，例如蓝宝石晶体、水和稀有气体。在具体的实施例中，通过选择不同的超连续白光激光产生介质，使用不同功率的入射飞秒激光，配合合适的光束聚焦强度，可以调控产生超连续白光激光的强度。具体实现过程如下：
首先需要满足所输入飞秒激光的功率大于飞秒激光在白光产生介质中的自聚焦阈值功率，公式为：
Figure BDA0004081881140000101
其中，pcr表示自聚焦阈值功率，λ0为超短脉冲激光的波长，n0为不考虑非线性效应情况下超短脉冲激光在所述超连续白光激光产生介质的折射率，n2为所述超短脉冲激光在所述超连续白光激光产生介质中的非线性折射率系数。
示例性地，如果超连续白光激光产生介质为气体，例如空气：
所述入射飞秒激光的功率需大于在空气中的自聚焦阈值功率。进一步地，光束聚焦模块和光束准直模块为光学元件，如透镜。
对于光束聚焦透镜，光束聚焦透镜的焦距f与入射光束的直径D满足如下公式：
f/D>a
其中，当超连续白光激光产生介质为空气时，a的值为100；可以理解的是该比值100为推荐值，为实验经验所得，而非限定值。
可选地，光束聚焦透镜最好镀上与入射飞秒激光对应波长的增透膜，可以提高诱发激光通过透镜的透过率。
对于光束准直透镜，光束准直透镜的焦距f与入射光束的直径D满足如下公式：
f/D>a
上述比值a的值与光束聚焦透镜的值相同；可以理解的是该比值100为推荐值，为实验经验所得，而非限定值。
可选地，光束准直透镜材质可以选择宽带透过率高的材料，以达到准直产生超连续白光激光的效果更好。
示例性地，如果超连续白光激光产生介质为液体，例如水：
首先需满足入射飞秒激光的功率大于在水中的自聚焦阈值功率，对于光束聚焦透镜，光束准直透镜的焦距f与入射光束的直径D满足如下公式：
f/D>10
其中比值10为推荐值，不是限定值，此比值为实验经验所得。
示例性地，如果超连续白光激光产生介质为固体，例如光子晶体光纤：
此时，需满足所入射飞秒激光的功率大于在光子晶体光纤的自聚焦阈值功率。对于光束聚焦机构和光束准直机构的要求与液体中相同，此处不在赘述。
需要说明的是，因固体不具有流动性，可以添加控制固体运动的装置，例如如平移台或升降台，用于及时改变与激光光斑作用的固体位置，避免激光对固体材料的损伤。
入射的超短脉冲激光通过超连续白光激光产生组件转换为宽光谱范围、强度可控的超连续白光激光，因为白光的光谱范围更广，便于啁啾控制组件对各个波段间的时间间隔进行调节以及基于各个波段对待测量对象瞬态过程进行探测成像，因而使得基于本发明得到的瞬态过程的动态成像信息更加准确。
可选地，多光谱协同成像探测组件130的原理示意图如图5和图6所示，该组件包括：
光栅、条形探测阵列；
其中，光栅用于对多个波段的超连续白光激光进行分光，得到多个光谱成分的光束；
所述条形探测阵列用于对各个光谱成分的光束进行滤波并基于不同光谱成分的光束分别对待测量对象进行成像，得到各个光谱成分对应的待测量对象的图像。
在本发明实施例中，多光谱协同成像探测组件包括光栅，条形探测阵列。将多个波段的超连续白光激光入射至光栅上，通过设计光栅的刻线密度及光栅分光距离，可以对多个波段的超连续白光激光进行分光，得到不同光谱成分的光束。进一步地，条形探测阵列用于对携带待测量对象特征信息的不同光谱成分光束进行滤波并基于不同光谱成分对待测量对象分别成像，可以得到不同光谱成分各自对应的对待测量对象的成像信息。
可选地，条形探测阵列包括条形微透镜阵列和条形探测器，条形微透镜阵列包括与各个光谱成分数量相同的微透镜，多个微透镜上设有与各自光谱成分对应的带通滤波片，带通滤波片用于对各个光谱成分的光束进行滤波。
具体地，条形微透镜阵列上设计带有不同光谱成分的带通滤波片，对上述多个波段的超连续白光激光进行滤波成像。根据光栅分光后不同光谱成分光的横向展宽，设计带有不同光谱成分带通滤波片的条形微透镜阵列，对滤波后的超连续白光激光中的每个光谱成分分别成像在条形探测阵列上，可以得到不同光谱成分各自对应的对待测量对象的成像信息。可以理解的是，因为待测量对象的持续时间在超快时间量级，例如飞秒量级，因此，可以得到的是不同光谱成分各自对应对待测量对象瞬态过程的成像信息。
其中条形微透镜阵列的个数与白光激光光谱宽度和各个波段间的时间间隔、所需的探测时间分辨率及光栅对不同光谱成分的分光能力相关，可根据具体的时间分辨进行针对性设计。示例性地，如上述光谱宽度为350nm～2000nm的白光，则设置每10nm一个滤光波段，形成165个微透镜阵列，设计光栅的刻线密度及光栅分光距离，可以对每个光谱成分成像到对应的条形探测器上，实现165个时间点待探测对象瞬态过程的成像信息。
本发明实施例中，多光谱协同成像探测组件由光栅、带通滤波片的条形微透镜阵列、条形探测器组成，可以对携带瞬态过程信息的超连续白光激光进行光谱成分准确的分离及基于不同光谱成分对待测量对象成像，可以保证不同光谱成分间成像信息的一致性，成像质量高。
可选地，本发明实施例提供的超快时间分辨测量系统，不同的动态演化成像对应的时间间隔可变。
在本发明实施例中，啁啾控制组件采用啁啾玻璃，啁啾玻璃进行时间间隔调节的原理是因为不同波长激光在同样介质中传输速度不同所以会在时间上分隔开，一般正色散介质为红色光快，紫光慢。
如图7所示，啁啾玻璃为楔形设置，啁啾控制组件由两个啁啾玻璃组成，双向箭头表示可以上下移动两个啁啾玻璃的插入量。具体地，超连续白光激光入射啁啾玻璃，通过上下移动两个啁啾玻璃的插入量会使得超连续白光激光穿过的玻璃厚度不同，不同波段的激光会在时间上分隔开，进而可以精确地将多个波段的超连续白光激光分为多个不同光谱成分的光束。可以理解的是，如需实现更大的时间间隔调节范围，可以通过成对增加设置楔形啁啾玻璃的数量来实现。
进一步地，可以通过啁啾控制组件例如啁啾玻璃进一步调节时间间隔以实现待测量对象瞬态过程的动态演化成像。具体地，在上述数据融合处理组件已经得到的待测量对象瞬态过程不同时刻的成像信息基础上，进一步通过改变啁啾玻璃的厚度来调整所述时间间隔。最终，将至少两次基于不同时间间隔所得到的待测量对象瞬态过程成像信息进行匹配融合，就可以得到待测量对象瞬态过程的动态演化成像。例如，入射的超连续白光激光的光谱宽度为350nm～2000nm，第一次设置1nm为一个时间分辨点，得到的成像结果就包含1650个时间分辨点对应的待测量对象的成像信息，进一步地，在得到上述1650个时间分辨点对应的待测量对象的成像信息的基础上，第二次可以设置0.5nm为一个时间分辨点，得到的成像结果就可以包含3300个时间分辨点，将至少两次基于不同时间间隔所得到的的待测量对象瞬态过程成像信息进行匹配融合，并在时间域准确的标定，依次类推，就可以得到待测量对象瞬态过程的动态演化成像信息，实现瞬态过程超快时间分辨的演化成像及探测。
本发明实施例还提供一种超快时间分辨测量方法，如图2所示，该方法包括：
步骤201、将超短脉冲激光转换为超连续白光激光；
具体地，超短脉冲激光例如飞秒激光通过光束聚焦组件如透镜聚焦后输入到超连续白光激光产生介质中，然后经由光束准直组件如透镜转换为准直的、便于传输的宽光谱范围、强度可控的超连续白光激光。
步骤202、将超连续白光激光划分成具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光；
具体地，超连续白光激光进入啁啾控制组件，啁啾控制组件例如啁啾玻璃或光栅对通过调节不同波段间的时间间隔，生成具有可控时间间隔的多个波段的超连续白光激光，即生成可控啁啾分布的超连续白光激光。
步骤203、基于具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光对待测量对象进行成像，得到各个所述光谱成分对应的待测量对象的图像；
具体地，将具有可控时间间隔的超连续白光激光输入多光谱协同成像探测组件，通过带有光栅、不同光谱成分带通滤波片的条形微透镜阵列，将携带有待探测对象时间分辨信息的超连续白光激光中进行分光，分光后得到的每个光谱成分的光束包含上述多个子波段，可以根据实际需要进行波段选取，基于不同光谱成分的光束对待测量对象进行探测成像，可以得到多个光谱成分各自对应的待测量对象的图像。
步骤204、基于具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光，以及各个光谱成分对应的待测量对象的图像，得到待测量对象瞬态过程的动态演化成像。
具体地，将各个光谱成分对应的待测量对象的成像结合各个波段时间间隔可控的超连续白光激光进行匹配，解算出所得图像之间的时间间隔，进而得到待测量对象在不同时刻的成像信息。因超短脉冲激光可在飞秒或皮秒级别调节，得到的成像信息为瞬态过程待测量对象在不同时刻的成像信息。
本发明实施例提供的方法中，首先将超短脉冲激光转换为超连续白光激光，将超连续白光激光划分成具有多个波段间时间间隔可控的的超连续白光激光，进而基于多个波段间时间间隔可控的的超连续白光激光，以及各个光谱成分对应的待测量对象的图像，得到待测量对象瞬态过程的动态演化成像。因超连续白光激光不同波段间的时间间隔可在超快时间量级精准调控，例如飞秒量级，结合对不同波段图像的分离、匹配和解算，对待探测对象进行超快时间分辨的探测和成像，可以实现瞬态过程超快时间分辨的动态演化成像，成像质量较高。
图8是本发明提供的电子设备的结构示意图。
图8示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图8所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(Communications Interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行所述超快时间分辨测量方法，该方法包括：
将超短脉冲激光转换为超连续白光激光；
将超连续白光激光划分成具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光；
基于多个波段的超连续白光激光对待测量对象进行成像，得到各个光谱成分对应的待测量对象的图像；
基于具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光，以及各个光谱成分对应的待测量对象的图像，得到待测量对象瞬态过程的动态演化成像。
此外，所述的存储器730中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行所述超快时间分辨测量方法，该方法包括：
将超短脉冲激光转换为超连续白光激光；
将超连续白光激光划分成具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光；
基于多个波段的超连续白光激光对待测量对象进行成像，得到各个光谱成分对应的待测量对象的图像；
基于具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光，以及各个光谱成分对应的待测量对象的图像，得到待测量对象瞬态过程的动态演化成像。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行所述基于超连续白光激光的超快时间分辨测量方法，该方法包括：
将超短脉冲激光转换为超连续白光激光；
将超连续白光激光划分成具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光；
基于多个波段的超连续白光激光对待测量对象进行成像，得到各个光谱成分对应的待测量对象的图像；
基于具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光，以及各个光谱成分对应的待测量对象的图像，得到待测量对象瞬态过程的动态演化成像。
以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，所述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种超快时间分辨测量系统，其特征在于，包括：
超连续白光激光产生组件、啁啾控制组件、多光谱协同成像探测组件和数据融合处理组件；
其中，所述超连续白光激光产生组件与所述啁啾控制组件连接，所述超连续白光激光产生组件用于将超短脉冲激光转换为超连续白光激光；
所述啁啾控制组件还分别与所述多光谱协同成像探测组件和数据融合处理组件连接，所述啁啾控制组件用于将所述超连续白光激光划分成具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光；
所述多光谱协同成像探测组件还与所述数据融合处理组件连接，所述多光谱协同成像探测组件用于基于所述多个波段的超连续白光激光对待测量对象进行成像，得到多个光谱成分各自对应的待测量对象的图像；
所述数据融合处理组件用于基于具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光，以及各个所述光谱成分对应的待测量对象的图像，得到所述待测量对象瞬态过程的动态演化成像。
2.根据权利要求1所述的超快时间分辨测量系统，其特征在于，所述超连续白光激光产生组件包括：
光束聚焦模块、超连续白光激光产生介质和光束准直模块；
其中，所述光束聚焦模块用于对所述超短脉冲激光进行聚焦，并将聚焦后的激光输入所述超连续白光激光产生介质；
所述超连续白光激光产生介质用于将所述聚焦后的激光转化为宽光谱范围的超连续白光激光；
所述光束准直模块用于将所述宽光谱范围的超连续白光激光进行准直处理。
3.根据权利要求1所述的超快时间分辨测量系统，其特征在于，所述多光谱协同成像探测组件包括：
光栅、条形探测阵列；
其中，所述光栅用于对所述多个波段的超连续白光激光进行分光，得到多个光谱成分的光束；
所述条形探测阵列用于对各个所述光谱成分的光束进行滤波并基于不同光谱成分的光束分别对待测量对象进行成像，得到各个所述光谱成分对应的待测量对象的图像。
4.根据权利要求3所述的超快时间分辨测量系统，其特征在于，所述条形探测阵列包括条形微透镜阵列和条形探测器，条形微透镜阵列包括与所述各个光谱成分数量相同的微透镜，多个所述微透镜上设有与各自光谱成分对应的带通滤波片，所述带通滤波片用于对各个光谱成分的光束进行滤波。
5.根据权利要求1-4任一项所述的超快时间分辨测量系统，其特征在于，
不同的动态演化成像对应的时间间隔可变。
6.根据权利要求2所述的超快时间分辨测量系统，其特征在于，
所述超短脉冲激光的功率大于所述超连续白光激光在所述超连续白光激光产生介质中的自聚焦阈值功率；
其中，所述自聚焦阈值功率满足如下公式：
Figure FDA0004081881130000021
其中，pcr表示自聚焦阈值功率，λ0为超短脉冲激光的波长，n0为不考虑非线性效应情况下超短脉冲激光在所述超连续白光激光产生介质的折射率，n2为所述超短脉冲激光在所述超连续白光激光产生介质中的非线性折射率系数。
7.根据权利要求2所述的超快时间分辨测量系统，其特征在于，
所述光束聚焦模块包括：光束聚焦透镜，所述光束聚焦透镜的焦距f与所述超短脉冲激光的直径D满足如下公式：
f/D>a；
其中，a的数值与所述超连续白光激光产生介质的种类有关。
8.一种超快时间分辨测量方法，其特征在于，应用于如权利要求1-7任一项所述超快时间分辨测量系统，所述方法包括：
将超短脉冲激光转换为超连续白光激光；
将所述超连续白光激光划分成具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光；
基于所述多个波段的超连续白光激光对待测量对象进行成像，得到各个所述光谱成分对应的待测量对象的图像；
基于具有时间间隔的多个波段的超连续白光激光，以及各个所述光谱成分对应的待测量对象的图像，得到所述待测量对象瞬态过程的动态演化成像。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求8任一项所述超快时间分辨测量方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求8所述超快时间分辨测量方法。
11.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求8所述超快时间分辨测量方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117705735B (zh) * 2023-12-07 2024-10-22 西安电子科技大学 一种等离子超连续白光纳秒激光光解测量系统

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