CN102929094A

CN102929094A - 一种超快分幅成像装置

Info

Publication number: CN102929094A
Application number: CN201110227205XA
Authority: CN
Inventors: 鲁欣
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明提供一种超快分幅成像装置，包括：脉冲序列生成装置，用于生成不同波长的超短激光脉冲组成的脉冲序列以入射待测样品；分光器，用于将来自待测样品的脉冲序列的不同波长成分在空间上相互分离；以及相机阵列，用于对分光器分离出的脉冲序列的不同波长成分进行分别成像。与现有技术相比，本发明能够突破时间分辨能力的瓶颈，使时间分辨能力达到皮秒甚至飞秒量级；本发明不需要使用超快控制电路，成本相对低廉。

Description

一种超快分幅成像装置

技术领域

本发明涉及超快摄像领域，具体地说，本发明涉及一种超快分幅成像装置。

背景技术

在科学研究和技术研发的过程中，经常需要对某一过程进行时间间隔非常短的连续拍照。当时间分辨要求达到微秒的水平时，一台数字相机的信号读取速度已经难以满足高速连续拍摄的需求，因此需要采用多张胶片或多台相机分别记录样品在不同时刻的图像，此类装置的名称叫做高速分幅相机。传统的高速分幅相机分为两类，一类是旋转镜法，另一类是基于高速电子快门的数字照相系统。旋转镜法采用一个高速旋转的反射镜将不同时刻样品的图像投射到不同的感光胶片或电子感光芯片上，由于采用的是机械设备，其时间分辨能力只能达到微秒的水平，并且操作过程比较复杂，目前正在逐渐被淘汰。如今商用的超快分幅相机多数是基于多通道成像原理，将输入光分成多路，分别在不同的电子感光芯片上成像，电子感光芯片的曝光时间和顺序由超快电路控制，这样即可实现对样品的分幅成像。基于超快电子快门的分幅成像装置的时间分辨能力取决于控制电路的响应速度，目前处于纳秒的水平，而且很难再继续提高。并且，由于超快电子控制系统的成本较高，因此这类分幅成像装置的价格十分昂贵。另外，基于超快电子快门的分幅相机的画面帧数是有限且固定的。

因此，当前迫切需要一种能够突破时间分辨能力的瓶颈且成本低的超快分幅成像装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够突破时间分辨能力的瓶颈且成本低的超快分幅成像装置。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种超快分幅成像装置，包括：

脉冲序列生成装置，用于生成不同波长的超短激光脉冲组成的脉冲序列以入射待测样品；

分光器，用于将来自待测样品的脉冲序列的不同波长成分在空间上相互分离；以及

相机阵列，用于对分光器分离出的脉冲序列的不同波长成分进行分别成像。

其中，所述脉冲序列生成装置包括：

超短脉冲激光器，用于产生超短激光脉冲；

频率转换器，用于利用非线性光学效应将所述超短激光脉冲转化为数个不同波长的超短激光脉冲；以及

延时器，用于将所述数个不同波长的超短激光脉冲转化为不同波长的超短激光脉冲组成的脉冲序列。

其中，所述频率转换器沿光路依次包括：聚焦透镜、非线性光学晶体和准直透镜。

其中，所述延时器采用群速度色散介质。

其中，所述延时器采用棱镜对。

其中，所述延时器采用光栅对。

其中，所述相机阵列中的各个相机分别对准所述分光器所分离出的与该相机对应的波长的光的所在角度。

与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：

1、能够突破时间分辨能力的瓶颈，使时间分辨能力达到皮秒甚至飞秒量级。

2、不需要使用超快控制电路，成本相对低廉。

3、结构相对简单，易于实现。

附图说明

图1示出了本发明一个实施例的超快分幅成像装置的结构示意图；

图2示出了中心波长为830nm飞秒激光脉冲通过MgO:LiNbO3晶体的出射光的光谱示意图；

图3示出了本发明一个实施例的频率转换器的示意图；

图4示出了本发明一个实施例的延时器的示意图。

具体实施方式

下面，结合附图和实施例对本发明做进一步地描述。

根据本发明的一个实施例，提供了一种超快分幅成像装置，如图1所示，该超快分幅成像装置包括超短脉冲激光器1，频率转换器2，延时器3，分光器5和相机阵列6，被探测样品4置于延时器3和分光器5之间。

首先将超短脉冲激光器1产生的超短激光脉冲入射至频率转换器2中，频率转换器2是可以将单个超短激光脉冲转换为数个不同波长的超短激光脉冲的器件。在一个实施例中，频率转换器2是一个非线性光学晶体，利用晶体的非线性光学效应可将超短脉冲激光器1输出的超短激光脉冲转换为数个其它不同波长的超短激光脉冲；然后经过延时器3将频率转换器2输出的不同波长的超短脉冲在时间上分开，形成脉冲序列；脉冲序列与被探测样品4相互作用后，其不同的波长成分携带着样品在不同时刻的信息；然后利用分光器5使脉冲序列中的不同的波长成分沿不同的方向偏转；最后采用相机阵列对不同波长的超短脉冲分别单独成像，即可获得样品在不同时刻的照片。上述实施例中，超短脉冲激光器1、频率转换器2和延时器3构成超短激光脉冲序列产生装置，用于生成不同波长的超短激光脉冲组成的脉冲序列。本领域的技术人员易于理解，本发明中也可以使用其它类型的超短激光脉冲序列产生装置来代替，例如可以用多台不同频率的飞秒激光合成一个脉冲序列，然而这种方案结构较为复杂，成本也较高。

在另一个实施例中，如图3所示，所述频率转换器包括：聚焦透镜2、非线性光学晶体3(如MgO:LiNbO₃晶体)和准直透镜4；其工作原理如下：将超短激光脉冲1经聚焦透镜2聚焦在非线性光学晶体3中，产生的多波长超短激光脉冲5经准直透镜4准直为平行光。

在另一个实施例中，所述延时器采用群速度色散材料制作。如图4所示，多波长超短脉冲激光1在群速度色散材料2传输时，由于其不同波长成分的传输速度不同，因此随着传输距离的不断增加，入射光的不同波长成分就会在时间上相互分离，从而形成脉冲序列3。

例如，中心波长为830nm飞秒激光脉冲通过MgO:LiNbO₃晶体后会产生其他波长的激光脉冲，出射光的光谱如附图2所示(可参考文献Optics Express18，4206(2010))。从光谱图中可以看到，出射光可包含4个波长成分，分别为：830nm，680nm，520nm，415nm。这样的多波长超短脉冲穿过一定厚度的色散介质时，由于不同的波长成分的传输速度(群速度)不同，因此在传输过程中不同波长成分的光脉冲会相互分离，形成由不同波长的超短脉冲组成的脉冲序列。假设使用一块厚度为6cm的石英玻璃作为延时器，则可根据出射光的4个波长成分在石英玻璃介质中的传输速度，估算输出的脉冲序列的时间特性。

石英玻璃的色散关系可用Sellmier经验公式计算：

n^{2} (λ) = 1.0 + \frac{b_{1} λ^{2}}{λ^{2} - c_{1}} + \frac{b_{2} λ^{2}}{λ^{2} - c_{2}} + \frac{b_{3} λ^{2}}{λ^{2} - c_{3}}

其中n为折射率，λ为波长(单位是微米)。b₁＝0.6961663，b₂＝0.4079426，b₃＝0.8974794，c₁＝0.00467914826，c₂＝0.0135120631，c₃＝97.9340025.

根据Sellmier经验公式可以计算出不同波长的光在石英玻璃中的传输速度(群速度)及其通过6厘米长石英玻璃所需要的时间，如表1所示：

表1

波长(nm)	传输速度(10⁸m/s)	传输时间(ps)
			415	1.986	302.1
520	2.018	297.3
			680	2.038	294.4
830	2.046	293.2

从表1可以看出，多波长超短脉冲在通过石英玻璃后演变成为由4个不同波长的超短脉冲组成的脉冲序列。如果将830nm波长的脉冲对应的时刻定为零时刻，那么680nm波长的脉冲对应1.2ps，520nm波长的脉冲对应4.1ps，415nm波长的脉冲对应8.9ps。

这样的脉冲序列在经过样品后，830nm的脉冲携带样品在0时刻的图像信息，680nm的脉冲携带样品在1.2皮秒时刻的图像信息，520nm波长的脉冲携带样品在4.1皮秒时刻的图像信息，415nm波长的脉冲携带样品在8.9皮秒时刻的图像信息。包含样品信息的脉冲序列经过分光器后，不同波长成分沿不同的传播方向偏转，最后用4个CCD相机对4个波长的光脉冲分别进行成像，即可获得样品的4祯动态图象。

对于本领域的技术人员应该理解，本发明中的光学晶体种类，探测光的光谱组成，脉冲之间的时间间隔，以及相机阵列中相机的数量均可根据实验需要进行调节。其中，通过改变脉冲序列在色散介质中的传播距离就可以调整脉冲之间的间隔，例如，增加脉冲之间的间隔可以通过增加色散介质的厚度来实现，或者让脉冲序列多次往返通过色散介质。

延时器的主要功能是把超短白光脉冲的不同波长成分在时间上分开。除了采用群速度色散材料外，延时器还可以棱镜对或光栅对制作。

棱镜对和光栅对利用光学元件的角色散来实现光脉冲的展宽，不同波长的光在经过棱镜和光栅时具有不同的折射角和衍射角，利用棱镜对和光栅对的这种性质可以在白光脉冲的不同波长成分之间引入光程差，从而使得超短白光脉冲的不同波长成分在时间上相互分离，形成由不同波长的脉冲组成的脉冲序列。

上述的几种延时装置是超短脉冲激光技术中的常用标准技术，其具体细节可参考相关文献资料。其中色散材料和棱镜通常能将在长波长脉冲和短波长脉冲之间产生几个皮秒至十几皮秒的时间差，而光栅在不同波长的脉冲之间产生的时间差比色散材料和棱镜大两个数量级。

在另一个实施例中，所述分光器采用棱镜或光栅。

来自延时器的由不同波长的脉冲组成的脉冲序列在与样品相互作用后，再经过棱镜或光栅等分光器件时，其不同的波长成分会沿着不同的角度折射或衍射。

以光栅为例，假设上述的脉冲序列垂直入射到反射光栅上，光栅的刻线间距为d，那么波长λ的光的衍射方向满足光栅公式

dsinθ＝mλ

其中θ为衍射角(衍射光线与光栅法线的夹角)，整数m为衍射级。m＝0代表0级衍射，此时所有波长的衍射光都沿法线返回，实际应用中利用m≠0的衍射级才可以实现分光，例如m＝1时，不同波长的光的衍射角度

θ＝arcsin(λ/d)

假设光栅刻线的间距为1μm，那么这个脉冲序列的不同波长成分对应的时刻，衍射角度与波长的关系如表2所示：

表2

波长	对应时刻(ps)	衍射角度
			830	0	56.1
680	1.2	42.9
			520	4.1	31.3
415	8.9	24.5

参照表2，以图1所示的超快分幅成像装置为例，如果相机对准波长520纳米的衍射光成像即(31.3度的衍射光)，这时候相机拍摄到图像就是样品在4.1ps时刻的图像。

最后，上述的实施例仅用来说明本发明，它不应该理解为是对本发明的保护范围进行任何限制。而且，本领域的技术人员可以明白，在不脱离上述实施例精神和原理下，对上述实施例所进行的各种等效变化、变型以及在文中没有描述的各种改进均在本专利的保护范围之内。

Claims

1.一种超快分幅成像装置，包括：

2.根据权利要求1所述的超快分幅成像装置，其特征在于，所述脉冲序列生成装置包括：

超短脉冲激光器，用于产生超短激光脉冲；

3.根据权利要求2所述的超快分幅成像装置，其特征在于，所述频率转换器沿光路依次包括：聚焦透镜、非线性光学晶体和准直透镜。

4.根据权利要求2所述的超快分幅成像装置，其特征在于，所述延时器采用群速度色散介质。

5.根据权利要求2所述的超快分幅成像装置，其特征在于，所述延时器采用棱镜对。

6.根据权利要求2所述的超快分幅成像装置，其特征在于，所述延时器采用光栅对。

7.根据权利要求1所述的超快分幅成像装置，其特征在于，所述相机阵列中的各个相机分别对准所述分光器所分离出的与该相机对应的波长的光的所在角度。