[发明专利]基于全光网格原理的原子时间成像装置及方法

说明书

本申请提供一种基于全光网格原理的原子时间成像装置及方法，该装置包括：飞秒激光放大器，发出飞秒激光至楔片分束器进行处理得到探测光和激发光；倍频及垂直偏振系统，接收激发光进行倍频及垂直偏振处理后，得到超快事件激发光聚焦到目标激发超快事件；展宽整形延迟系统，接收探测光进行展宽整形延迟处理后，得到与超快事件激发光同步的基频探测光；显微物镜，接收照射目标后的基频探测光，进行放大处理后传送至网格分幅相机；网格分幅相机，用来取样目标和记录光谱色散的网格像。本发明提出了一种高时空分辨、高摄影频率/多画幅的超快全光单次网格成像技术。

技术领域

本申请涉及超快光学的技术领域，尤其涉及一种基于全光网格原理的原子时间成像装置及方法。

背景技术

获取原子时间(1ps-10fs)的动力学图像是长期以来人们研究的热点问题，是探索物理、化学、生物等基础科学中基本机理形成的主要手段。同时，在工业，国防，能源和医学等领域中，对超快过程的观测、诊断具有广泛的实用价值。

为了获得高时空分辨率的超快光学图像，近几十年来提出了许多超快成像技术，通常，泵浦-探测(pump-probe)方法被认为是最广泛最普遍的探测技术，其通过多次重复测量捕获超快事件的动态过程，但仅适用于周期性重复发生的超快事件，然而，很多超快过程是非重复性的，如不可逆化学反应、冲击波的形成过程、激光核聚变过程等。为了克服pump-probe技术的局限性，单次测量超快光学成像技术成为近些年来的重要研究方向，目前代表性的技术有压缩超快摄影(CUP)、全光时序分幅摄影(STAMP)等。其中CUP 由于过低的空间分辨率难以应用在实际测量中，STAMP是一种基于光谱编码的超快成像技术，原始STAMP成像装置由于结构复杂，实验成本昂贵，且单次探测仅获得6幅图像；光谱滤波型(SF)-STAMP通过光谱滤波技术单次测量虽然获得25幅图像，但是成像光通量严重退化，造成图像对比度太低；为了解决成像系统光通量退化的问题，目前，微透镜型(LA)-STAMP结合一对非平行反射镜产生离散的光谱编码脉冲串和微透镜阵列取样，虽然这种设计改善了成像系统光通量退化问题，导致单次测量摄影频率限定在10⁹幅/秒(fps)量级，而且仅获得7幅时序图像，无法获取原子时间(1ps-10fs) 的动力学图像，同时，系统需要精准调节，结构也变得较为复杂，且降低了系统的稳定性。

因此，如何提供一种能够简化微透镜型(LA)-STAMP系统结构，同时降低实验成本并提高摄影频率的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基于全光网格原理的原子时间成像装置及方法，可以简化微透镜型(LA)-STAMP系统结构，同时降低了实验成本，并提高摄影频率至10¹²幅/秒(fps)，同时单次测量获取画幅数≥10，进而扩展了系统的应用范围。

为达到上述目的，本申请提供一种基于全光网格原理的原子时间成像装置，包括：飞秒激光放大器、楔片分束器、倍频及垂直偏振系统、展宽整形延迟系统、显微物镜及网格分幅相机；其中，

所述飞秒激光放大器，发出的飞秒激光至所述楔片分束器，所述楔片分束器，处理所述飞秒激光得到透射的探测光和反射的激发光；

所述倍频及垂直偏振系统，接收所述激发光进行倍频及垂直偏振处理后，得到超快事件激发光聚焦到目标激发超快事件；

所述展宽整形延迟系统，接收所述探测光进行展宽整形延迟处理后，得到与所述超快事件激发光同步的基频探测光；

所述显微物镜，接收照射所述目标后的所述基频探测光，进行放大处理后传送至所述网格分幅相机；

所述网格分幅相机，接收放大处理后的目标，并对目标进行取样形成网格像，网格像经过光谱-空间线性映射后在像面形成光谱色散的网格像，利用系统标定的方法提取单波长网格像，最后通过傅里叶算法重建超快过程。