CN216349168U - 一种光学分幅相机 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于非线性光学领域，公开了一种光学分幅相机。采用两束激光，一束激光作为泵浦光，另外一束激光作为探测光，探测光束经过一个会聚阶梯反射镜阵列后，在材料位置重叠到材料上，泵浦光被成像系统会聚至材料上。会聚阶梯反射镜阵列为多个反射面组成，且每个反射面均为平面镜，每个反射面的反射角度不同，但最终每束反射光在同一某个位置会重合，且每个反射面阶梯间存在一定高度差。通过会聚阶梯反射镜阵列，将一束探测光分成多个存在时间延迟差的探测光脉冲序列，就可以获得泵浦光斑在一个脉冲内的空间分布变化的规律，从而实现超快成像，成像速度可达fs级。

Description

一种光学分幅相机

技术领域

本实用新型涉及一种研究材料的非线性光学物理机制以及单脉冲超快成像装置，属于非线性光学领域。

背景技术

瞬态光学成像技术的诞生可以追溯到19世纪70年代，由美国摄影家E.Muybridge通过捕捉运动中的马匹而开创先河。在一个多世纪以后的今天，科学家们已经可以在单次曝光下实现飞秒激光诱导晶格振动波成像。这让单次曝光的超快成像技术在面对光学巨波、化学反应中的不可逆结构动力学，以及惯性约束核聚变中的冲击波产生等不可重复测量有着不可替代的优势。

在对一些不可逆动力学现象进行超快成像时，传统泵浦探测技术显然已不能满足测量要求，因其需要通过移动平台来实现两束脉冲光的时间延迟，且需要多个脉冲重复作用后才能获得不同时间延迟下的泵浦光的光斑图像，然而这并不是真正测量一个脉冲内随时间变化的图像。另外传统超快电子成像技术中也存在需多次测量和时间抖动的问题。因此需要单次脉冲成像技术才能解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型解决测量一发激光单脉冲超快时间分辨和空间分辨成像的问题，提出一种光学分幅相机，包括：入射探测激光束、分束镜、会聚阶梯反射镜阵列、入射泵浦激光束、样品架、成像系统、补偿阶梯反射镜阵列、CCD；所述入射探测激光束发出的探测光透过所述分束镜后，经会聚阶梯反射镜阵列反射至分束镜，然后探测光被分束镜的后表面反射至样品架处的待测样品；同时入射泵浦激光束发出的泵浦光也入射至待测样品，经过待测样品后的探测光经成像系统会聚，再经由补偿阶梯反射镜阵列反射后成像于CCD中；所述会聚阶梯反射镜阵列以及补偿阶梯反射镜阵列均由多个反射面组成，且每个反射面均为平面镜，每个反射面的反射角度不同，但最终每束反射光在同一个位置重合，且每个反射面阶梯间存在一定高度差。

上述技术方案的工作原理为：入射探测激光束发出的光透过分束镜后，由会聚阶梯反射镜阵列反射后，将一束探测光分成多个存在时间延迟差的探测光脉冲序列，探测光和泵浦光在待测样品位置重叠，同时泵浦光作用到探测光范围内的任意位置，泵浦光作用与待测样品后，泵浦光在一个脉冲内不同时刻对待测样品的作用不同，从而使泵浦光在不同时刻的光斑分布情况被探测光所记录，探测光序列经过待测样品后，再经过成像系统和补偿阶梯反射镜阵列后最终成像于CCD中。

由于会聚阶梯反射镜阵列是呈阶梯状的分布，探测光透射过每个阶梯后，透射后的光束之间会产生不同的光程差，从而每个光束之间就会产生时间延迟。每个反射镜面的反射光束按照一定角度直接平行反射到待测样品位置，所有反射镜单元的反射光束在待测样品位置重叠。泵浦光作用到待测样品后，由于待测样品不同位置的粒子布居数与激发光强相关且随着时间不断变化的，如果泵浦光光束中不同位置的光强分布有差别，则对应的探测光斑中会产生于泵浦光对应的光斑图像。同时由于每个反射镜单元之间存在阶梯，不同时刻的反射探测光产生的影响是不同的，从待测样品探测光束中泵浦光区域的强度的变化就可以得知不同时刻泵浦光光强分布情况，通过分析不同时刻的泵浦光的光强分布情况就能够获得单次泵浦光脉冲内泵浦光光斑变化的情况。就可以获得泵浦光斑在一个脉冲内的空间分布变化的规律，从而实现超快成像，成像速度可达fs级。

较好的一个方案：在待测样品处泵浦光与探测光的光束重合，且在待测样品处泵浦光的光斑尺寸小于探测光的光斑尺寸。

进一步的方案为：所述的补偿阶梯反射镜阵列上任意一个反射面都与会聚阶梯反射镜阵列上对应的一个反射面角度互补，且补偿阶梯反射镜阵列上各个反射面组成的整体形状与会聚阶梯反射镜阵列上各个反射面组成的整体形状互补。

优选：补偿阶梯反射镜阵列上各个反射面组成的整体形状呈现为凸面，会聚阶梯反射镜阵列上各个反射面组成的整体形状呈现为凹面。

更进一步方案为：补偿阶梯反射镜阵列上各个反射面凸出的高度和会聚阶梯反射镜阵列上对应的反射面凹陷的深度相等。

利用上述方案进行测量的步骤为：

1)样品架上不放置待测样品，用CCD接收经过会聚阶梯反射镜阵列反射后的光斑；CCD接收的光斑为探测光背景斑；

2)样品架上放上待测样品，用CCD接收经过会聚阶梯反射镜阵列反射后透过待测样品后的光斑，CCD接收的光斑为存在泵浦光光斑空间分布光斑；

3)对上述获得的两个光斑进行处理，获得所需的泵浦光在一个脉冲内的光斑变化图像。

值得说明的是：所述步骤(1)和步骤(2)的无先后顺序，互换亦可实现同样的效果。或者利用分束镜将光路分成同样的两束光路，一路放置待测样品，另外一束光路中不放置待测样品。并将两束光斑同时成像与于一个CCD中。

上述技术方案中，探测光路可以是透镜成像系统，也可以为4f成像系统。透镜成像系统中，将待测样品放置在会聚透镜的物平面上，CCD放置在会聚透镜的像平面上。对于4f成像系统，待测样品放置在系统的物平面上，CCD放置在系统的像平面上。

上述技术方案中，所述步骤(1)为不放置待测样品时，CCD接收探测光的光斑，为背景光斑。

上述技术方案中，所述步骤(2)为将待测样品放置在探测光路中，CCD接收探测光的光斑，包含泵浦光光斑空间分布信息；

上述技术方案中，所述步骤3)中的处理包括，将步骤2)中的光斑图像减去步骤1)中的背景图像，再将处理后的图像按照脉冲序列的延迟时间的顺序，将后一个脉冲图像减去前一个脉冲图像，最终获得脉冲光在单个脉冲内光斑在不同时刻的分布情况。

上述技术方案中，所述步骤(1)中的阶梯反射镜阵列为类凹面结构，且每个反射面阶梯间存在一定高度差，每个反射面反射后的光可以将反射光束序列在待测样品位置重合。

上述技术方案中，所述步骤(1)中的一种新型光学分幅相机装置，所述待测样品后的成像系统为成像透镜，待测样品放置在成像系统的物平面上，CCD放置在成像系统的像平面上。

上述技术方案中，所述会聚阶梯反射镜阵列以及补偿阶梯反射镜阵列的阶梯宽度由成像系统中所成像大小与探测光的光斑大小及CCD的像素尺寸决定，算法为会聚阶梯反射镜阵列的阶梯宽度＝N×CCD像素尺寸/成像系统放大倍数，N为会聚阶梯反射镜阵列中每个平面镜所占像素的个数；会聚阶梯反射镜阵列的阶梯高度＝延迟时间分辨率×光速/2。

上述技术方案中，所述步骤(2)中所获含泵浦光光斑信息的光斑的获得，需要泵浦光与重叠的探测光序列光束重合，为了完整显示泵浦光的光斑分布，泵浦光的光斑尺寸小于探测光的光斑尺寸。

通过本方案，可获得一个单次泵浦光在一个脉冲内的不同时刻光斑空间分布变化的情况，通过建立类凹面反射阶梯镜，实现大尺寸平行光斑在一定位置重叠于待测样品上，将泵浦光引入光路中并作用到待测样品上。考虑强泵浦光与反射阶梯镜产生的脉冲探测光序列之间的延迟时间，最终根据探测光斑随时间的变化来获得单个脉冲泵浦光光斑随时间的变化，从而实现泵浦光在不同时刻光斑的变化情况，即完成超快全光分幅技术的实现。

通过上述技术方案，利用一种全新的思路实现了对一个脉冲内的不同时刻激光光斑变化情况的测量，同其他测量技术相比，具有以下优点：

1、光路非常简单，只需带角度阶梯反射镜、透镜和CCD就可获得激光在一个脉冲内的光斑时间及空间分辨率的测量；

2、无需昂贵的CCD即可完成ps甚至fs级的成像速度；

3、测量非常方便，没有待测样品的移动，只需要一个激光脉冲就可以获得泵浦光在一个脉冲内的光斑变化情况，即获得单脉冲内泵浦光的；

4、本方法中无需传统光路中高精度的移动平台来实现时间延迟，只需要一个延时阶梯反射镜就可以实现时间延迟；

5、本方法中在实现高空间分辨率的同时，与目前门控分幅相机(十几皮秒)相比，大大提高了测量的时间分辨率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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。

图1为一种光学分幅相机的结构示意图；

其中：1、入射探测激光束，2、分束镜，3、会聚阶梯反射镜阵列，4、入射泵浦激光束，5、样品架，6、成像系统，7、补偿阶梯反射镜阵列，8、CCD。

图2为无泵浦光时一个脉冲内不同时刻探测光背景光斑图。

图3为泵浦光能量较强时一个脉冲内不同时刻探测光背景光斑图。

图4为一个实施例中会聚阶梯反射镜阵列结构示意图。

图5为一个实施例中补偿阶梯反射镜阵列结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种光学分幅相机，沿着光轴方向依次包括：入射探测激光束1，分束镜2，会聚阶梯反射镜阵列3，入射泵浦激光束4，样品架5，成像系统6，补偿阶梯反射镜阵列7，CCD8；所述入射探测激光束发出的探测光透过所述分束镜后，经会聚阶梯反射镜阵列反射至分束镜，然后探测光被分束镜的后表面反射至样品架处的待测样品；同时入射泵浦激光束发出的泵浦光也入射至待测样品，经过待测样品后的探测光经成像系统会聚，再经由补偿阶梯反射镜阵列反射后成像于CCD中；所述会聚阶梯反射镜阵列以及补偿阶梯反射镜阵列均由多个反射面组成，且每个反射面均为平面镜，每个反射面的反射角度不同，但最终每束反射光在同一个位置重合，且每个反射面阶梯间存在一定高度差。

在分幅实验中，会聚阶梯反射镜阵列3的每个反射面加工为4mm×4mm，每一行都加工3个反射单元，共加工3行，每行和每列之间有1mm的间隔，这样一次就可以获得9个反射单元，经过4f成像光路后，即可获得9幅探测光的能量，每个反射镜面和反射镜面之间的阶梯高度根据测量要求来确定，可实现飞秒量级到皮秒量级的时间分辨率，具体计算公式为20*h/3皮秒，高度h的单位为毫米。与普通的阶梯反射镜阵列不同的是，如图4所示，会聚阶梯反射镜阵列中除了每个反射单元之间有一定时间延迟外，每个反射单元的反射角各不相同，最终组成类凹面镜的结构，但每个反射单元是平面镜。经过会聚阶梯反射镜阵列反射的光会在一个位置重合，该重合的位置可视为会聚阶梯反射镜阵列的焦点，将一激发态或者载流子具有较长寿命的待测样品放置在该位置，由于反射光为平行入射，保证9个光斑的大小均约为4mm×4mm，泵浦光作用到该待测样品上，泵浦光光斑的尺寸小于探测光斑尺寸，并调整好泵浦光脉冲和探测光之间的时间延迟。需要注意的是，会聚阶梯反射镜阵列反射的可见光经过待测样品后并不能直接成像于CCD上，因为所观察的泵浦光斑的位置上，所有的探测光都是重叠在一起的，因此需要设计如图5所示的补偿阶梯反射镜阵列，所述的补偿阶梯反射镜阵列的结构与会聚阶梯反射镜阵列结构尽量保持互补。经过补偿阶梯反射镜阵列中不同反射面的反射后，就可以将原本重叠的图像分开，并最终成像于CCD上。经过图像处理后，可获得不同时刻在待测样品区域单个泵浦脉冲光斑空间分布变化引起的探测光变化的图像，经过待测样品后探测光斑的空间分布变化即为泵浦光空间能量分布引起的变化，从而可获得泵浦光单脉冲在不同时刻空间分布图像。可以用两个CCD同时探测，一个监测探测光的空间分布，一个监测泵浦光作用后探测光的空间分布，提高单脉冲光斑时间及空间分辨的测量精度。

在本实施例中，激光器所发出倍频信号532nm的激光，脉宽21ps，CCD为ADIMEC-4020m。待测样品为硒化锌(ZnSe)，在532nm处为双光子吸收光学非线性，会聚阶梯反射镜阵列的阶梯高度为300μm，时间分辨率为2ps。

具体的探测步骤为：1)样品架上不放置待测样品，用CCD接收经过会聚阶梯反射镜阵列反射后的光斑；CCD接收的光斑为探测光背景斑；2)样品架上放上待测样品，用CCD接收经过会聚阶梯反射镜阵列反射后透过待测样品后的光斑，CCD接收的光斑为存在泵浦光光斑空间分布信息的光斑；3)对上述获得的两个光斑进行处理，获得所需的泵浦光在一个脉冲内的光斑变化图像。

对于ZnSe光学非线性的理论计算具体过程如下：

由于和泵浦光相比探测光能量很弱，所以泵浦光的双光子吸收成为自由载流子产生的唯一途径，其速率可表示为：

式中的I_e为泵浦光待测样品处的光强，τ_r为自由载流子寿命，自由载流子引起的吸收系数的改变正比于过剩载流子浓度，可以表示成：

Δα_f＝σ_αΔN(t) (2)

式中σ_α为自由载流子吸收截面，考虑到束缚电子效应和自由载流子共同效应的结合，利用薄待测样品和慢变振幅近似，探测光和泵浦光在ZnSe晶体内部的传播公式为：

式中的I_p表示探测光的光强。背景光斑和包含泵浦光斑信息的光斑图如图2所示。当待测样品上只有探测光作用时，材料的非线性效应非常弱，基本没有变化，周围的探测光经过待测样品时就为线性透过，没有任何变化，因此图2为激光光斑透过材料后的线性光斑，即为背景光斑。当泵浦光作用到待测样品之后，较强的泵浦光就会激发待测样品产生非线性，对于待测样品上阶梯反射镜产生探测光斑序列，适当调节的探测光与泵浦光之间的时间延迟，ZnSe的非线性机制为双光子吸收的瞬态吸收过程，所以在脉冲宽度时间内存在一个快速地吸收的过程，表现在光斑图像中为该处的光强比线性光斑要弱，图3为背景光斑图减去含泵浦光信息光斑图的结果，红色方框处越强，代表此时的泵浦光越弱。图3的每个光斑图像即为脉冲内一定时刻泵光光斑的形状，这样就可以通过探测光斑序列和非线性待测样品同时获得一个单脉冲内泵浦光斑的空间的时间分辨变化。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本申请中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。

Claims (7)

1.一种光学分幅相机，其特征在于包括：入射探测激光束、分束镜、会聚阶梯反射镜阵列、入射泵浦激光束、样品架、成像系统、补偿阶梯反射镜阵列、CCD；

所述入射探测激光束发出的探测光透过所述分束镜后，经会聚阶梯反射镜阵列反射至分束镜，然后探测光被分束镜的后表面反射至样品架处的待测样品；

同时入射泵浦激光束发出的泵浦光也入射至待测样品，经过待测样品后的探测光经成像系统会聚，再经由补偿阶梯反射镜阵列反射后成像于CCD中；

所述会聚阶梯反射镜阵列以及补偿阶梯反射镜阵列均由多个反射面组成，且每个反射面均为平面镜，每个反射面的反射角度不同，但最终每束反射光在同一个位置重合，且每个反射面间存在高度差。

2.根据权利要求1所述的一种光学分幅相机，其特征在于：所述待测样品后的成像系统为成像透镜，待测样品放置在成像系统的物平面上，CCD放置在成像系统的像平面上。

3.根据权利要求1所述的一种光学分幅相机，其特征在于：所述会聚阶梯反射镜阵列以及补偿阶梯反射镜阵列的阶梯宽度由成像系统中所成像大小与探测光的光斑大小及CCD的像素尺寸决定，算法为会聚阶梯反射镜阵列的阶梯宽度=N×CCD像素尺寸/成像系统放大倍数，N为会聚阶梯反射镜阵列中每个平面镜所占像素的个数；会聚阶梯反射镜阵列的阶梯高度=延迟时间分辨率×光速/2。

4.根据权利要求1所述的一种光学分幅相机，其特征在于：在待测样品处泵浦光与探测光的光束重合，且在待测样品处泵浦光的光斑尺寸小于探测光的光斑尺寸。

5.根据权利要求1所述的一种光学分幅相机，其特征在于：所述的补偿阶梯反射镜阵列上任意一个反射面都与会聚阶梯反射镜阵列上对应的一个反射面角度互补，且补偿阶梯反射镜阵列上各个反射面组成的整体形状与会聚阶梯反射镜阵列上各个反射面组成的整体形状互补。

6.根据权利要求1所述的一种光学分幅相机，其特征在于：补偿阶梯反射镜阵列上各个反射面组成的整体形状呈现为凸面，会聚阶梯反射镜阵列上各个反射面组成的整体形状呈现为凹面。

7.根据权利要求6所述的一种光学分幅相机，其特征在于：补偿阶梯反射镜阵列上各个反射面凸出的高度和会聚阶梯反射镜阵列上对应的反射面凹陷的深度相等。

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