一种超高速光学成像系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于超短脉冲色散整形和分幅技术的超高速光学成像系统及方法，光学成像系统包括飞秒激光振荡器、超短子脉冲串产生器、飞秒激光放大器、光学扩束系统、无焦光学系统、波长分幅光学系统、多个图像记录系统。光学成像方法包括：输出飞秒激光脉冲串；将每个脉冲变成一组子脉冲串；放大每个子脉冲；对放大后的子脉冲进行准直扩束；将经过准直扩束后的子脉冲投射到待测物体上；使载有不同时刻物体信息的子脉冲沿不同的方向传播；接收并记录不同方向的子脉冲。本发明可实现皮秒时间分辨的几十皮秒到几十纳秒过程的多幅图像记录。

权利要求

1.一种光学成像系统，其特征在于，包括飞秒激光振荡器、超短子脉冲串产生器、飞秒激光放大器、光学扩束系统、无焦光学系统、波长分幅光学系统、多个图像记录系统；飞秒激光振荡器用于输出飞秒激光脉冲；超短子脉冲串产生器用于将每个脉冲变成一组子脉冲串；飞秒激光放大器用于放大每个子脉冲；光学扩束系统用于对放大后的子脉冲进行准直扩束；经过准直扩束后的子脉冲投射到待测物体上，从待测物体透射或反射后的子脉冲经过无焦光学系统后进入波长分幅光学系统；波长分幅光学系统用于使载有不同时刻物体信息的子脉冲沿不同的方向传播；位于多个不同位置的图像记录系统相应接收不同方向的子脉冲。

2.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，还包括设置在光学成像系统内的用于改变光路方向的平面镜。

3.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，超短子脉冲串产生器包括第一布儒斯特角棱镜、第二布儒斯特角棱镜、多缝光阑、由多个反射镜单元组成的反射镜阵列，脉冲通过第一布儒斯特角棱镜后变成一组子脉冲串，第二布儒斯特角棱镜用于对子脉冲串进行准直，多缝光阑垂直于子脉冲的传输方向放置，反射镜阵列垂直于通过多缝光阑后的各个子脉冲的传输方向放置，并且各反射镜单元具有不同的轴向位置。

4.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，超短子脉冲串产生器包括第一色散光栅、第二色散光栅、多缝光阑、由多个反射镜单元组成的反射镜阵列，脉冲通过第二色散光栅后变成一组子脉冲串，第二色散光栅用于对子脉冲串进行准直，多缝光阑垂直于子脉冲的传输方向放置，反射镜阵列垂直于通过多缝光阑后的各个子脉冲的传输方向放置，并且各反射镜单元具有不同的轴向位置。

5.根据权利要求3或4所述的光学成像系统，其特征在于，用一个阶梯反射镜代替反射镜列阵。

6.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，波长分幅光学系统包括第一脉冲色散器和第二脉冲色散器，第二脉冲色散器和第一脉冲色散器是镜像对称的，第一脉冲色散器包括第一光栅和第二光栅，第一光栅和第二光栅相互平行放置，第一光栅用于使子脉冲产生角色散，第二光栅用于对角色散后的子脉冲进行准直；第二脉冲色散器包括第三光栅和第四光栅。

7.根据权利要求6所述的光学成像系统，其特征在于，第一光栅和第二光栅之间还设置有开普勒望远镜系统，此时第一光栅和第二光栅呈反平行放置。

8.根据权利要求6所述的光学成像系统，其特征在于，第二光栅、第三光栅、第四光栅分别用一系列同参数的小光栅取代，且取代第二光栅的每块小光栅相互平行放置，取代第三光栅的每块小光栅相互平行放置，取代第四光栅的每块小光栅相互平行放置。

9.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，各图像记录系统所在平面与待测物体所在平面是物象共轭关系。

10.一种基于权利要求1所述光学成像系统实现光学成像的方法，其特征在于，包括：输出飞秒激光脉冲串；

将每个脉冲变成一组子脉冲串；

放大每个子脉冲；

对放大后的子脉冲进行准直扩束；

将经过准直扩束后的子脉冲投射到待测物体上；

使载有不同时刻物体信息的子脉冲沿不同的方向传播；

接收并记录不同方向的子脉冲。

说明书

一种超高速光学成像系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及超快光学和瞬态成像技术领域，具体涉及一种具有皮秒甚至飞秒的时间分辨率的基于超短脉冲色散整形和分幅技术的超高速的光学成像系统和光学成像方法。

背景技术

[0002] 极高速光学成像技术在许多领域都有重要应用，例如极速飞片技术、Z-Pinch炸磁箍缩和可变比冲磁等离子体火箭等极端条件下的科学研究。这些瞬态光学过程具有高达50～100km/s的飞逸速度，需要100皮秒量级的分幅时间，需要在5～10纳秒的关键过程
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时间里得到10～20幅高时间分辨的图像，相应的摄影频率要求达到10 pps～10 pps(幅
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/秒)。在现有的技术中，转镜高速成像技术主要的摄影频率在10pps～10pps(幅/秒)
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范围。结合光学加速、网络摄影等技术也只能达到10pps(幅/秒)量级。变像管技术具有波长转换、弱光成像的优势，但其成像的空间带宽积和画幅数量受到电子光学成像系统
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和电子偏转系统本身的限制，辅之以像分解技术可将摄影频率提高到10pps。随着超短脉冲激光技术的迅速发展，飞秒时间分辨的超快全息成像技术得到飞速发展。振幅分光方位角编码的超短脉冲全息技术已经实现分幅时间达0.3皮秒的超高速成像。利用波前分光方位角编码的超快全息技术也成功得到了4幅皮秒量级分幅间隔的水和CS2非线性变化过程的图像。另外还出现了波长编码以及偏振编码等技术，但这些技术难以获得十幅以上高时间分辨的光学图像。因此，对于皮秒级极高速光学成像，高时间分辨、高空间带宽积、高分幅频率以及高数量图像拍摄 幅数都是至关重要的技术参数。虽然超快光学技术可以获得高时间分辨的光学图像，但如果还要同时满足高空间带宽积、高分幅频率和超过十幅的多幅成像还是面临巨大的技术挑战。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种具有皮秒甚至飞秒时间分辨率的超高速的光学成像装置和光学成像方法。

[0004] 本发明的技术方案如下：

[0005] 一种光学成像系统，包括飞秒激光振荡器、超短子脉冲串产生器、飞秒激光放大器、光学扩束系统、无焦光学系统、波长分幅光学系统、多个图像记录系统；飞秒激光振荡器用于输出飞秒、宽带的激光脉冲；超短子脉冲串产生器用于将每个脉冲变成一组子脉冲串；飞秒激光放大器用于放大每个子脉冲；光学扩束系统用于对放大后的子脉冲进行准直扩束；经过准直扩束后的子脉冲投射到待测物体上，从待测物体透射或反射后的子脉冲经过无焦光学系统后进入波长分幅光学系统；波长分幅光学系统用于使载有不同时刻物体信息的子脉冲沿不同的方向传播；位于多个不同位置的图像记录系统相应接收不同方向的子脉冲。

[0006] 所述的光学成像系统，其中，还包括设置在光学成像系统内的用于改变光路方向的平面镜，例如第一平面镜和第二平面镜，第一平面镜设置在超短子脉冲串产生器和飞秒激光放大器之间，第二平面镜设置在飞秒激光放大器和光学扩束系统之间，第一平面镜和第二平面镜都是用于改变光路。

[0007] 所述的光学成像系统，其中，超短子脉冲串产生器包括第一布儒斯特角棱镜、第二布儒斯特角棱镜、多缝光阑、由多个反射镜单元组成的反射镜阵列，脉冲通过第一布儒斯特角棱镜后变成一组子脉冲串，第二布儒斯特角棱镜用于对子脉冲串进行准直，多缝光阑垂直于子脉冲的传输方向放置，反射镜阵列垂直于通过多缝光阑后的各个子脉冲的传输方向放置，并 且各反射镜单元具有不同的轴向位置。

[0008] 所述的光学成像系统，其中，超短子脉冲串产生器包括第一色散光栅、第二色散光栅、多缝光阑、由多个反射镜单元组成的反射镜阵列，脉冲通过第二色散光栅后变成一组子脉冲串，第二色散光栅用于对子脉冲串进行准直，多缝光阑垂直于子脉冲的传输方向放置，反射镜阵列垂直于通过多缝光阑后的各个子脉冲的传输方向放置，并且各反射镜单元具有不同的轴向位置。

[0009] 所述的光学成像系统，其中，用一个阶梯反射镜代替反射镜列阵。

[0010] 所述的光学成像系统，其中，飞秒激光放大器是宽带再生放大器或多通放大器。

[0011] 所述的光学成像系统，其中，波长分幅光学系统包括第一脉冲色散器，第一脉冲色散器包括第一光栅和第二光栅，第一光栅用于使子脉冲产生角色散，第二光栅用于对角色散后的子脉冲进行准直。两光栅相互并行放置，此两光束我们成为光栅对。

[0012] 所述的光学成像系统，其中，波长分幅光学系统还包括第二脉冲色散器，第二脉冲色散器和第一脉冲色散器是镜像对称的，第二脉冲色散器包括第三光栅和第四光栅(它们也构成光栅对)。

[0013] 所述的光学成像系统，其中，分别用一系列同参数的小光栅取代第二光栅、第三光栅、第四光栅。取代第二光栅的小光栅相互间平行放置。这些小光栅分别与第一光栅构成光栅对。取代第三光栅的小光栅相互间平行放置，取代第四光栅的小光栅相互间平行放置。取代第三光栅的小光栅与取代第四光栅的小光栅之间分别一一对应构成各自的光栅对。

[0014] 所述的光学成像系统，其中，各光栅对内部还可置有开普勒望远镜系统，此时构成光栅对的两光栅应反平行放置。

[0015] 所述的光学成像系统，其中，波长分幅光学系统还包括一些平面反射镜用于改变光路方向。

[0016] 所述的光学成像系统，其中，各图像记录系统所在平面与待测物体所在平面是物象共轭关系。

[0017] 一种光学成像方法，包括：输出飞秒激光脉冲串；将每个脉冲变成一组子脉冲串；放大每个子脉冲；对放大后的子脉冲进行准直扩束；将经过准直扩束后的子脉冲投射到待测物体上；使载有不同时刻物体信息的子脉冲沿不同的方向传播；接收并记录不同方向的子脉冲。

[0018] 本发明的有益效果：本发明通过采用对宽带飞秒脉冲整形将每个脉冲变成一组子脉冲串，这些子脉冲串具有不同的时间频率但在空间上是完全重合的。这些子脉冲在不同时刻经过同一地点的物体，即可实现对物体的不同时刻进行成像。因此，本发明能实现具有皮秒甚至飞秒时间分辨率的超高速光学成像。

附图说明

[0019] 图1是本发明光学成像系统的示意图。

[0020] 图2是图1中超短子脉冲串产生器第一实施方式的示意图。

[0021] 图3是图1中超短子脉冲串产生器第二实施方式的示意图。

[0022] 图4是图1中波长分幅光学系统第一实施方式的示意图。

[0023] 图5是图1中波长分幅光学系统第二实施方式的示意图。

具体实施方式

[0024] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

[0025] 本发明提出了一种基于啁啾脉冲整形和空间色散技术的极高速光学成像技术，利用超短激光脉冲的时间整形技术产生空间传输方向重合的不同波长的脉冲序列。该序列的子脉冲宽度为皮秒甚至飞秒量级，而脉冲间隔可以从几十皮秒调整到纳秒级(视需要而定)，所以可用于皮秒时间分辨的 几十皮秒到几十纳秒过程的多幅图像记录。

[0026] 请参阅图1，本发明的光学成像系统包括飞秒激光振荡器11、超短子脉冲串产生器12、第一平面镜13、飞秒激光放大器14、第二平面镜15、光学扩束系统16、无焦光学系统17、波长分幅光学系统18、多个图像记录系统19。其中，第一平面镜13和第二平面镜15不是必须的，只是用于改变光路布局，以减小整个光学成像系统的体积。

[0027] 飞秒激光振荡器11用于输出飞秒激光脉冲串。飞秒激光振荡器11具有较宽的输出带宽(一般大于20纳米)和较大的脉冲能量(不小于2.0纳焦耳)，以便后续的脉冲整形和放大。例如可采用Ti：Sapphire飞秒激光振荡器，其输出的飞秒激光脉冲中心波长为800纳米，一般时间为几十飞秒，光谱带宽为几十纳米。

[0028] 超短子脉冲串产生器12的作用是使每个脉冲变成一组子脉冲串(例如N个子脉冲)，且每个子脉冲的中心波长是不同的。每个子脉冲的宽度和彼此之间的时间延迟决定于超短子脉冲串产生器12的设计参数。子脉冲的宽度可以从飞秒到皮秒量级，而子脉冲之间的时间延迟可以为几十皮秒到纳秒量级。实现这个功能的超短子脉冲串产生器12可由传统的棱镜对整形器或光栅对整形器改制而成。

[0029] 请参阅图2，本发明的第一实施方式的超短子脉冲串产生器包括第一布儒斯特角棱镜21、第二布儒斯特角棱镜22、多缝光阑23、反射镜列阵24。

[0030] 脉冲通过第一布儒斯特角棱镜21产生角色散，传输一段距离后，被另一个相同光学材料的第二布儒斯特角棱镜22准直。这样平行出射的不同波长的子脉冲在空间上是分开的。分开的程度取决于两个棱镜的距离和棱镜的光学材料。在第二布儒斯特角棱镜22的后面垂直于子脉冲传输方向放置一个多缝光阑23，缝的数量由所需要的子脉冲数决定，缝的宽度则决定子脉冲的光谱宽度，而缝的间隔决定子脉冲间的中心波长间隔。于是在多缝光阑23后就有N束子脉冲，这N束子脉冲具有不同的中心波长。这些子 脉冲随后被各自对应的反射镜24反射，原路返回。在超短子脉冲串产生器12的输出端形成空间传输方向重合的子脉冲序列，各子脉冲的时间间隔由各自对应的反射镜列阵24单元的时间延迟决定。显然，调节各个反射镜24单元沿光轴方向的位置就基本上决定了各个子脉冲间的相对时间间隔，当然也与棱镜对或光栅对的群速度色散有关。子脉冲的宽度主要取决于各个子脉冲的光谱宽度以及棱镜对的群速度色散。多缝光阑23的作用是用于限制各个子脉冲的光谱宽度和位置。在脉冲延迟量固定的应用场合，多个反射镜24可由一个阶梯反射镜代替。

[0031] 请参阅图3，第二实施方式的超短子脉冲串产生器的结构与第一实施方式的超短子脉冲串产生器的结构基本相同，二者的区别是角色散的产生和准直由光栅对(第一色散光栅31和第二色散光栅32)来完成。光栅对整形器由于具有较大的色散能力，比较容易让光谱在空间上实现较大程度的分离。例如选择高密度光栅(1700线/mm)以及适当的光栅间距，可使通过在多缝光阑23处的光谱横向空间分布线度达到30cm左右。因此通过设计适当的多缝光阑23，就可得到十几个脉冲宽度为皮秒或飞秒的子脉冲。这些子脉冲之间的时间间距调节范围可以从皮秒级到几百皮秒级。

[0032] 从超短子脉冲串产生器12输出的子脉冲串在空间上是完全重合的。将这些子脉冲通过第一平面镜13的反射，作为种子注入到飞秒激光放大器14中，将每个子脉冲放大到百微焦耳水平是现实可行的。飞秒激光放大器14的工作介质需与飞秒激光振荡器11匹配。例如对于中心波长为800nm的Ti：Sapphire飞秒激光振荡器，可以采用宽带再生放大器或多通放大器。

[0033] 放大后的子脉冲通过第二平面镜15反射后进入光学扩束系统16进行准直扩束，然后投射到待测物体10上。从待测物体10透射或反射后的子脉冲就携带了物体的结构信息。由于其空间分布是完全重合的，这些具有不同中心波长的脉冲在不同时刻经过同一地点的物体，即可对物体的不同时刻进行成像。子脉冲的宽度决定成像的时间分辨率，子脉冲的间隔决定 分幅时间，而子脉冲数则等于拍摄幅数。

[0034] 待测物体10后面的无焦光学系统17是用于控制入射到后续波长分幅光学系统18的光斑尺寸。

[0035] 波长分幅光学系统18的作用是使载有不同时刻物体信息的子脉冲沿不同的方向传播，从而可以被不同位置的图像记录系统19接收，但是不能破坏光波所载有的物体信息。为了减少损耗，同时使整个装置尽量紧凑，本发明采用一组光栅达到不同波长脉冲空间分割的目的。由于光束单次通过色散光栅和准直光栅会产生像散效应，本发明借助于对称的光栅对脉冲色散器来消除像散。

[0036] 请参阅图4，第一实施方式的波长分幅光学系统包括第一脉冲色散器和第二脉冲色散器，第一脉冲色散器和第二脉冲色散器是镜像对称的。第一光栅41和第二光栅42构成第一脉冲色散器，第三光栅43和第四光栅44构成第二脉冲色散器。所有的子脉冲都入射到第一光栅41上，不同的子脉冲由于波长不同，衍射方向各不相同(图中仅示意了两个子脉冲的情况)。第二光栅42对第一光栅41产生的角色散进行准直。第三光栅43和第四光栅44与第二光栅42和第一光栅41是镜像对称的，因此脉冲经过这四块光栅在光学上等价于脉冲经第一光栅41与第二光栅42后被0°反射镜原路返回。

[0037] 第一光栅41和第二光栅42是平行放置的。如果第一光栅41和第二光栅42之间有开普勒望远镜系统，则第一光栅41和第二光栅42应为反平行放置。

[0038] 请参阅图5，为了在空间上截取方便和记录，可将图4中的第二光栅42用一系列同参数的小光栅取代(例如图5中的光栅42′和42″)。小光栅的数量根据子脉冲数的需要而定。这些小光栅相互间平行放置，但与光栅41的间距可视需要而定。这样图4中的第三光栅43第四光栅44构成的镜像结构在图5中也需要有相应的多个镜像结构(例如图5中的光栅43′和44′、 光栅43″和44″)。这样不同的子脉冲就可在空间上区分开来，且不引入像散。图5中第三平面镜51和第四平面镜52的作用仅仅是改变光路的方向。最后，各子脉冲被各自对应的图像记录系统19(可以是高灵敏的CCD器件或胶卷)记录。这里各个图像记录系统19的表面与待测物体成共轭物象关系。

[0039] 本发明的光学成像系统中加入的反射、折射光学元件的作用仅仅是改变光的传输方向。

[0040] 相比以往的高速成像技术，本发明具有下列特点：

[0041] 1)高时间分辨率的多幅成像。其时间分辨率可以达到皮秒(甚至亚皮秒量级)，10
分幅频率可以达到10 pps以上，幅数可大于10幅。

[0042] 2)此分幅技术原理上无像差。利用不同的波长对超快过程的不同时刻成像，并利用色散元件实现不同时刻成像的空间分离，方便图像记录系统19接收，也使得系统结构更加紧凑。

[0043] 3)整个系统工作过程中没有运动部件，简化了系统的机械和光学设计，且稳定性好。

[0044] 4)利用光程差来控制各子脉冲之间的相对时间延迟，精度高，稳定性好。

[0045] 5)将传统的光栅/棱镜脉冲整形器和反射镜24列阵结合，可方便地调节脉冲之间的相对时间延迟，使得该系统工作范围灵活可调。

[0046] 6)采用先整形后放大的光源系统设计，使得每个激光子脉冲具有足够的脉冲能量用于光学成像。

[0047] 应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，根据上述说明所作的无原理性的改进或变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。