本發(fā)明涉及基于超快激光的高時(shí)間分辨全息偏振顯微成像系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

近幾十年來(lái)，隨著超快激光技術(shù)的發(fā)展，基于超快激光的高時(shí)間分辨成像技術(shù)成為了研究超快現(xiàn)象的一個(gè)重要手段。到目前為止，常見(jiàn)的時(shí)間分辨成像技術(shù)主要包括時(shí)間分辨陰影成像，相襯顯微，光譜干涉測(cè)量，波前傳感和數(shù)字全息等。這些方法各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，時(shí)間分辨陰影成像只能記錄物光波透過(guò)樣品后的衍射強(qiáng)度圖樣，不能給出樣品的相位信息；相襯顯微鏡能記錄超快過(guò)程中樣品折射率的變化，而不能給出樣品透過(guò)率的變化；光譜干涉測(cè)量可以同時(shí)對(duì)樣品的透過(guò)率和折射率進(jìn)行定量測(cè)量，其缺點(diǎn)是其空間分辨率只有一維；波前傳感技術(shù)可以同時(shí)獲得物波的二維振幅和相位信息，但是其圖像分辨率不夠高。相比較而言，數(shù)字全息(dh)成為了研究超快現(xiàn)象的一種比較有效的方法。papazoglou等人利用同軸dh技術(shù)對(duì)飛秒激光與透明材料的相互作用過(guò)程進(jìn)行了測(cè)量。balciunas等人提出了一種基于馬赫-曾德干涉儀光路的時(shí)間分辨離軸dh技術(shù)，并利用該方法對(duì)水中的飛秒激光成絲現(xiàn)象進(jìn)行了研究。此外，wang等人提出了一種角分復(fù)用dh技術(shù)，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以用一個(gè)全息圖記錄超快過(guò)程中三個(gè)不同時(shí)刻的復(fù)振幅分布。然而，以上這些dh技術(shù)只能研究各向同性材料(如水和空氣等)中的超快現(xiàn)象。事實(shí)上，大多數(shù)透明材料都是偏振敏感的，例如功能晶體和生物樣品。此外，各向同性材料被聚焦的飛秒激光輻照后也會(huì)產(chǎn)生人工雙折射現(xiàn)象，例如熔融石英。colomb等人提出了一種基于離軸dh的偏振顯微方法，但是該方法只能對(duì)靜態(tài)的物體進(jìn)行偏振測(cè)量和成像。到目前為止，還沒(méi)有一種能對(duì)超快現(xiàn)象進(jìn)行時(shí)間分辨偏振測(cè)量和成像的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了解決上述問(wèn)題，提供基于超快激光的高時(shí)間分辨全息偏振顯微成像系統(tǒng)及方法，該方法不僅可以實(shí)現(xiàn)超快現(xiàn)象的偏振成像，還能在一次測(cè)量中同時(shí)記錄超快過(guò)程中兩個(gè)不同時(shí)刻的偏振信息。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

基于超快激光的高時(shí)間分辨全息偏振顯微成像系統(tǒng)，包括：

光源系統(tǒng)，用于產(chǎn)生超短激光脈沖，經(jīng)過(guò)四分之一波片后被調(diào)制成圓偏振光，并發(fā)送給時(shí)間延遲系統(tǒng)；

時(shí)間延遲系統(tǒng)，用于將入射激光脈沖分成兩個(gè)延遲時(shí)間可調(diào)的探測(cè)子脈沖，兩個(gè)探測(cè)子脈沖通過(guò)衍射系統(tǒng)后，再經(jīng)過(guò)分光鏡分兩路分別進(jìn)入干涉系統(tǒng)的樣品光路和參考光路；

在樣品光路，通過(guò)第一空間濾波器濾波后，只保留從衍射系統(tǒng)出射的零級(jí)衍射光，零級(jí)衍射光通過(guò)第一偏振片后作為照明光入射到動(dòng)態(tài)樣品上，透過(guò)動(dòng)態(tài)樣品后得到包含樣品兩個(gè)不同時(shí)刻復(fù)振幅的物光波；

在參考光路，通過(guò)第三空間濾波器濾波后，只保留從衍射系統(tǒng)出射的四束一級(jí)衍射光，再經(jīng)過(guò)第二偏振片或第三偏振片處理，得到參考光波；

參考光波和物光波經(jīng)過(guò)第三分光鏡后在記錄平面疊加，疊加后的光場(chǎng)由與光源系統(tǒng)同步的記錄系統(tǒng)來(lái)記錄，得到包含兩個(gè)不同時(shí)刻的物光波各正交偏振分量的復(fù)振幅信息的時(shí)間分辨偏振全息圖；

計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，用于采用離軸全息圖的處理方法對(duì)時(shí)間分辨偏振全息圖進(jìn)行處理，得到在兩個(gè)不同時(shí)刻透過(guò)超快變化樣品的物光波各正交偏振分量的復(fù)振幅信息。

所述光源系統(tǒng)，包括：超短脈沖激光器和四分之一波片；所述超短脈沖激光器用于產(chǎn)生超短激光脈沖，四分之一波片將超短激光脈沖調(diào)制成圓偏振光。

所述時(shí)間延遲系統(tǒng)，包括：第一分光鏡，所述第一分光鏡連接兩條支路：第一支路和第二支路；

第一條支路包括依次連接的第一反光鏡和第二反光鏡；其中，第一反光鏡與第一分光鏡連接；第二反光鏡與衍射系統(tǒng)連接；

第二條支路包括依次連接的第三反光鏡和第四反光鏡；其中，第三反光鏡與第一分光鏡連接；第四反光鏡與衍射系統(tǒng)連接。

所述衍射系統(tǒng)，包括：兩個(gè)取向成45度的正交光柵：第一正交光柵和第二正交光柵；其中，第一正交光柵的第一側(cè)與第二反光鏡連接，第一正交光柵的第二側(cè)與干涉系統(tǒng)連接；所述第二正交光柵的第一側(cè)與第四反光鏡連接，第二正交光柵的第二側(cè)與干涉系統(tǒng)連接。

所述干涉系統(tǒng)，包括：第二分光鏡，所述第二分光鏡分別連接兩條支路：樣品光路和參考光路；

樣品光路，包括：依次連接的第一空間濾波器、第五反光鏡、第一偏振片、第一透鏡、第二空間濾波器、第二透鏡、動(dòng)態(tài)樣品、顯微物鏡和第三分光鏡；

參考光路，包括：依次連接的第二分光鏡、第三透鏡、第三空間濾波器、第六反光鏡、第四透鏡和第三分光鏡；所述第三空間濾波器為四針孔濾波器，在四針孔濾波器的針孔位置上覆蓋了兩個(gè)偏振方向正交的第二偏振片和第三偏振片，其中兩個(gè)針孔位置覆蓋第二偏振片，另外兩個(gè)針孔位置覆蓋第三偏振片；

所述第二分光鏡分別與第一正交光柵的第二側(cè)和第二正交光柵的第二側(cè)連接；

所述第三分光鏡與記錄系統(tǒng)連接。

所述第二分光鏡的作用是：將進(jìn)入干涉系統(tǒng)的脈沖激光分成物光和參考光；

所述第三分光鏡的作用是：實(shí)現(xiàn)物光和參考光匯聚后出射。

所述樣品光路的照明光由第一正交光柵和第二正交光柵的兩個(gè)零級(jí)衍射光組成，所述照明光的偏振方向由第一偏振片來(lái)控制。

所述參考光通過(guò)第三空間濾波器濾波的過(guò)程中，第三空間濾波器是四針孔空間濾波器，四針孔空間濾波器只讓每個(gè)正交光柵相互垂直的一級(jí)衍射光中的兩束通過(guò)。

所述參考光經(jīng)過(guò)第二偏振片或第三偏振片處理過(guò)程中，來(lái)自?xún)蓚€(gè)探測(cè)脈沖的兩束光經(jīng)過(guò)第二偏振片后變成水平偏振的線(xiàn)偏振光；另外兩束光經(jīng)過(guò)第三偏振片變成垂直偏振的線(xiàn)偏振光。

所述記錄系統(tǒng)，包括：圖像傳感器，所述圖像傳感器與第三分光鏡連接，所述圖像傳感器還與計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)連接。

所述計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，包括：

快速傅里葉變換模塊：用于對(duì)時(shí)間分辨偏振全息圖進(jìn)行快速傅里葉變換，變換到空間頻域；

空間濾波模塊：用于從全息圖的空間頻域中分別提取包含物光波信息的四個(gè)空間頻譜分量；

快速傅里葉逆變換模塊：用于對(duì)提取的空間頻譜分量進(jìn)行快速傅里葉逆變換，獲得所需要的物光波各正交偏振分量的復(fù)振幅分布。

基于超快激光的高時(shí)間分辨全息偏振顯微成像方法，包括如下步驟：

由脈沖激光器產(chǎn)生的超短激光脈沖，首先通過(guò)四分之一波片，再經(jīng)過(guò)時(shí)間延遲系統(tǒng)后，變成兩個(gè)延遲時(shí)間可調(diào)的探測(cè)子脈沖，兩個(gè)探測(cè)子脈沖通過(guò)衍射系統(tǒng)后，再經(jīng)過(guò)分光鏡分兩路分別進(jìn)入干涉系統(tǒng)的樣品光路和參考光路；

在樣品光路，通過(guò)第一空間濾波器濾波后，只保留從衍射系統(tǒng)出射的零級(jí)衍射光，零級(jí)衍射光通過(guò)第一偏振片后作為照明光入射到動(dòng)態(tài)樣品上，透過(guò)動(dòng)態(tài)樣品后得到包含樣品兩個(gè)不同時(shí)刻透射特性的物光波；

在參考光路，通過(guò)第三空間濾波器濾波后，只保留從衍射系統(tǒng)出射的四束一級(jí)衍射光，再經(jīng)過(guò)第二偏振片或第三偏振片處理，得到參考光波；

參考光波和物光波經(jīng)過(guò)第三分光鏡后在記錄平面疊加，疊加后的光場(chǎng)由與光源系統(tǒng)同步的圖像傳感器來(lái)記錄，得到包含兩個(gè)不同時(shí)刻的透射物光波各正交偏振分量的復(fù)振幅信息的時(shí)間分辨偏振全息圖；

采用全息圖的處理方法對(duì)時(shí)間分辨偏振全息圖進(jìn)行處理后，得到兩個(gè)不同時(shí)刻透過(guò)超快變化樣品的物光波各正交偏振分量的復(fù)振幅信息。

所述全息圖的處理方法為：

對(duì)時(shí)間分辨偏振全息圖進(jìn)行快速傅里葉變換，變換到空間頻域；

從全息圖的空間頻域中分別提取包含物波信息的四個(gè)空間頻譜分量；

對(duì)提取的空間頻譜分量進(jìn)行快速傅里葉逆變換，獲得所需要的物光波各正交偏振分量的復(fù)振幅分布。

所述復(fù)振幅信息，包括：振幅和相位。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明提出了基于超快激光的高時(shí)間分辨全息偏振顯微成像系統(tǒng)及方法。與其它時(shí)間分辨技術(shù)相比較，該方法不僅可以實(shí)現(xiàn)超快現(xiàn)象的高時(shí)間分辨偏振成像，還能在一次測(cè)量中同時(shí)記錄超快過(guò)程中兩個(gè)不同時(shí)刻的偏振信息。基于該系統(tǒng)，我們成功地對(duì)超快激光與兩種典型偏振敏感材料(線(xiàn)性偏振片和云母片)的超快相互作用過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本發(fā)明為超快過(guò)程的偏振測(cè)量和成像提供了一種有效的手段，對(duì)于那些無(wú)法進(jìn)行重復(fù)性測(cè)量的實(shí)驗(yàn)更有應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。

附圖說(shuō)明

圖1高時(shí)間分辨全息偏振顯微成像系統(tǒng)示意圖；

圖2用于表征超快激光誘導(dǎo)超快現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖；

圖3(a)-圖3(l)線(xiàn)性偏振片在不同時(shí)刻的振幅和相位分布圖像；

圖4(a)-圖4(l)云母片在不同時(shí)刻的振幅和相位分布圖像。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1高時(shí)間分辨全息偏振顯微成像系統(tǒng)示意圖。qwp，四分之一波片；bs1–bs3，分光鏡；m1–m6，反光鏡；p1-p3，偏振片；cg1-cg2，正交光柵；pf1-pf3，空間濾波器；l1-l4，透鏡；mo，顯微物鏡；ccd，圖像傳感器；obj，動(dòng)態(tài)物體。

圖2用于表征超快激光誘導(dǎo)超快現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。qwp，四分之一波片；bs1–bs3，分光鏡；m1–m6，反光鏡；p1-p3，偏振片；cg1-cg2，正交光柵；pf1-pf3，空間濾波器；l1-l4，透鏡；mo，顯微物鏡；ccd，圖像傳感器；obj，動(dòng)態(tài)物體。圖3(a)-圖3(l)在不同時(shí)刻透過(guò)一個(gè)線(xiàn)性偏振片樣品的物波各正交偏振分量的復(fù)振幅(包括振幅和相位)分布圖像。圖3(a)-(d)泵浦前通過(guò)樣品的物波各正交偏振分量的振幅和相位分布；圖3(e)-(h)當(dāng)時(shí)間延遲為0.2ns時(shí)，通過(guò)樣品的物波各正交偏振分量的振幅和相位分布；圖3(i)-(l)當(dāng)時(shí)間延遲為1.8ns時(shí)，通過(guò)樣品的物波各正交偏振分量的振幅和相位分布。圖中帶箭頭的白色虛線(xiàn)表示泵浦脈沖在樣品中的傳播方向。

圖4(a)-圖4(l)透過(guò)一個(gè)云母片樣品的物波各正交偏振分量在不同時(shí)刻的振幅和相位分布圖像。圖4(a)-(d)泵浦前通過(guò)樣品的物波各正交偏振分量的振幅和相位分布；圖4(e)-(h)當(dāng)時(shí)間延遲為0.1ns時(shí)，通過(guò)樣品的物波各正交偏振分量的振幅和相位分布；圖4(i)-(l)當(dāng)時(shí)間延遲為1.7ns時(shí)，通過(guò)樣品的物波各正交偏振分量的振幅和相位分布。

圖1給出了時(shí)間分辨全息偏振顯微成像方法的原理圖，該方法的主要步驟包括：由脈沖激光器產(chǎn)生的超短激光脈沖首先通過(guò)一個(gè)四分之一波片，再經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)間延遲系統(tǒng)后，變成兩個(gè)延遲時(shí)間可調(diào)的探測(cè)子脈沖。這兩個(gè)探測(cè)脈沖通過(guò)衍射系統(tǒng)后，再經(jīng)分光鏡分為兩路分別進(jìn)入干涉系統(tǒng)的樣品光路和參考光路。在樣品光路，通過(guò)針孔濾波后，只保留從衍射系統(tǒng)出射的零級(jí)衍射光，通過(guò)偏振片后作為照明光入射到動(dòng)態(tài)樣品上，透過(guò)樣品后得到包含樣品兩個(gè)不同時(shí)刻信息的物光波。在參考光路，通過(guò)一個(gè)四針孔空間濾波器進(jìn)行濾波，只保留從衍射系統(tǒng)出射的四束一級(jí)衍射光，再經(jīng)過(guò)偏振處理過(guò)程，作為參考光波。參考光波和物光波經(jīng)過(guò)分光鏡后在記錄平面疊加，疊加后的光場(chǎng)由一個(gè)與光源系統(tǒng)同步的圖像傳感器來(lái)記錄，得到包含兩個(gè)不同時(shí)刻的物光波各正交偏振分量的復(fù)振幅信息的時(shí)間分辨偏振全息圖。利用本發(fā)明的全息圖處理方法對(duì)該時(shí)間分辨偏振全息圖進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理后就可得到超快過(guò)程中樣品在兩個(gè)不同時(shí)刻透過(guò)樣品的物波各正交偏振分量的復(fù)振幅信息。

本系統(tǒng)主要包含光源系統(tǒng)、時(shí)間延遲系統(tǒng)、衍射系統(tǒng)、干涉系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。所述的光源系統(tǒng)，由一個(gè)超短脈沖激光器和一個(gè)四分之一波片構(gòu)成，用來(lái)產(chǎn)生脈沖圓偏振光。所述的時(shí)間延遲系統(tǒng)，主要由一個(gè)分光鏡和兩個(gè)時(shí)間延遲線(xiàn)構(gòu)成。所述的衍射系統(tǒng)，由兩個(gè)取向成45度的二維正交光柵組成。所述的干涉系統(tǒng)，是一個(gè)馬赫-曾德干涉系統(tǒng)，包含一對(duì)分光鏡和一對(duì)反光鏡，其中一個(gè)分光鏡的作用將進(jìn)入干涉系統(tǒng)的脈沖激光分成物光和參考光；另一個(gè)分光鏡實(shí)現(xiàn)物光和參考光的匯聚出射。所述的樣品光路的照明光，由兩個(gè)二維光柵的兩個(gè)零級(jí)衍射光組成，其偏振方向由一個(gè)偏振片來(lái)控制。所述的參考光濾波過(guò)程，是指通過(guò)四針孔空間濾波器對(duì)進(jìn)入?yún)⒖脊饴返墓膺M(jìn)行濾波，只讓每個(gè)正交光柵相互垂直的一級(jí)衍射光中的兩束通過(guò)。所述的偏振處理過(guò)程，是讓從四針孔空間濾波器出射的光經(jīng)過(guò)兩個(gè)正交偏振片的過(guò)程，其中兩束光經(jīng)過(guò)偏振片后變成水平偏振的線(xiàn)偏振光，另外兩束光經(jīng)過(guò)另一偏振片變成垂直偏振的線(xiàn)偏振光。所述的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)對(duì)全息圖的處理方法主要包含三個(gè)步驟：(1)對(duì)時(shí)間分辨偏振全息圖進(jìn)行快速傅里葉變換，把它轉(zhuǎn)換到空間頻域。(2)從全息圖的空間頻譜中分別提取包含物波信息的四個(gè)空間頻譜分量。(3)對(duì)提取的空間頻譜分量進(jìn)行快速傅里葉逆變換，便可獲得所測(cè)物光波各正交偏振分量的復(fù)振幅分布。

接下來(lái)，我們將對(duì)圖1所示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)做進(jìn)一步的說(shuō)明。由脈沖激光器產(chǎn)生的超短激光脈沖通過(guò)一個(gè)四分之一波片qwp后被調(diào)制成圓偏振光，再經(jīng)分光鏡bs1分成兩個(gè)子脈沖，然后這兩個(gè)子脈沖分別通過(guò)由反光鏡m1、m2組成的時(shí)間延遲線(xiàn)1和反光鏡m3、m4組成的時(shí)間延遲線(xiàn)2，便可產(chǎn)生兩個(gè)延遲時(shí)間可調(diào)的探測(cè)脈沖。這兩個(gè)探測(cè)脈沖先后分別通過(guò)二維正交光柵cg1和cg2，再經(jīng)分光鏡bs2分成兩路：一路是物波光路，另一路是參考光路。在物波光路中設(shè)置了一個(gè)濾波器pf1，該濾波器只允許從光柵cg1和光柵cg2出射的零級(jí)衍射光先后通過(guò)；透過(guò)濾波器pf1的光經(jīng)過(guò)偏振片p1后照射到動(dòng)態(tài)樣品上，透過(guò)樣品后得到包含樣品兩個(gè)不同時(shí)刻信息的物光波。在參考光路中設(shè)置了一個(gè)四針孔空間濾波器pf3，該濾波器將來(lái)自光柵cg1和光柵cg2的零級(jí)衍射光遮擋住，只允許光柵cg1和光柵cg2一級(jí)衍射光中的四束光通過(guò)，作為記錄時(shí)間分辨偏振全息圖的參考光，其中兩束參考光和是來(lái)自正交光柵cg1，另兩束參考光和來(lái)自于正交光柵cg2。假設(shè)光柵cg2的空間取向相對(duì)光柵cg1旋轉(zhuǎn)45度，四針孔濾波器pf3上的四個(gè)濾波針孔的空間分布可按如圖1中的放大部分所示設(shè)置。同時(shí)，在四針孔濾波器pf3的四個(gè)濾波針孔位置上還設(shè)置了兩個(gè)正交的線(xiàn)偏振片p2和p3，通過(guò)偏振片p2和p3后四束參考光變成了兩組正交線(xiàn)偏振光，例如參考光和變成水平偏振的線(xiàn)偏振光，參考光和變成垂直偏振的線(xiàn)偏振光。物波光路中的光經(jīng)過(guò)濾波器pf1、反光鏡m5、偏振片p1、透鏡l1、低通濾波器pf2、透鏡l2、待測(cè)動(dòng)態(tài)樣品obj、顯微物鏡mo和分光鏡bs3后到達(dá)記錄平面。參考光路中的光經(jīng)過(guò)透鏡l3、四針孔偏振濾波器pf3、反光鏡m6、透鏡l4和分光鏡bs3后達(dá)到記錄平面。這四個(gè)參考光和物光波經(jīng)過(guò)分光棱鏡后在記錄平面疊加，疊加后的光場(chǎng)由一個(gè)與超快激光系統(tǒng)同步的外觸發(fā)ccd來(lái)記錄，得到包含兩個(gè)不同時(shí)刻的物光波各正交偏振分量的復(fù)振幅信息的時(shí)間分辨偏振全息圖。由于在實(shí)際測(cè)量中，兩個(gè)測(cè)量脈沖之間的時(shí)間延遲δτ要大于脈沖激光的脈寬，因此物光波各正交偏振分量只能和來(lái)自同一個(gè)測(cè)量脈沖的參考光的同向正交偏振分量發(fā)生干涉。所以，ccd記錄平面上總的光強(qiáng)i可以表示為，

其中，和表示來(lái)自第一個(gè)探測(cè)脈沖的物光波的兩個(gè)正交偏振分量的復(fù)振幅；和是來(lái)自第二個(gè)探測(cè)脈沖的物光波的兩個(gè)正交偏振分量的復(fù)振幅，這兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間延遲為δτ＝t2-t1。四個(gè)參考光的復(fù)振幅和可以寫(xiě)成，

其中，ξ1,ξ2,η1和η2分別是四個(gè)參考光在記錄平面上的空間頻率分量。公式(1)可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為，

其中，

和

公式(3)-(5)中的上標(biāo)(*)表示復(fù)數(shù)的共軛運(yùn)算，y0是零級(jí)項(xiàng)，y1x,y1y,y2x和y2y是時(shí)間分辨偏振全息圖的四個(gè)一級(jí)衍射項(xiàng)，其可以分別利用對(duì)離軸全息圖再現(xiàn)的空間濾波算法來(lái)提取。具體再現(xiàn)步驟如下：(1)對(duì)時(shí)間分辨偏振全息圖進(jìn)行快速傅里葉變換，把它轉(zhuǎn)換到空間頻域。(2)通過(guò)對(duì)空間頻譜進(jìn)行空間濾波來(lái)分別提取公式(5)中所表示的四項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的空間頻譜分量。(3)對(duì)提取的空間頻譜分量進(jìn)行快速傅里葉逆變換，便可獲得所測(cè)物光波各正交偏振分量的復(fù)振幅分布和

為了驗(yàn)證上述方法的可行性，我們利用該方法對(duì)偏振敏感材料在超快激光激發(fā)下產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)光路如圖2所示。與圖1所示裝置不同的地方只是增加了一束照射到待測(cè)樣品上的激發(fā)脈沖激光。實(shí)驗(yàn)所用的超快激光光源為一商用皮秒激光器(eksplapl2250)，該激光器可同時(shí)輸出波長(zhǎng)為532nm和1064nm的兩種單脈沖激光，其輸出超快激光脈沖的寬度(fwhm)為30ps；實(shí)驗(yàn)中測(cè)量系統(tǒng)所用的光源為從該皮秒激光器發(fā)出波長(zhǎng)為532nm的脈沖激光，照射到待測(cè)樣品上的激發(fā)光為從同一皮秒激光器發(fā)出的另一波長(zhǎng)為1064nm的脈沖激光；所用二維正交光柵為150線(xiàn)/毫米的相位型光柵；采用的圖像傳感器像素?cái)?shù)為2048×2048，像素尺寸為5.2um×5.2um。

第一個(gè)待測(cè)樣品為為一150um厚的線(xiàn)偏振片，其偏振方向與水平方向的夾角為60度。圖3(a)-圖3(l)給出了不同時(shí)刻透過(guò)樣品的物光波各正交偏振分量的復(fù)振幅分布。從圖3(a)-3(d)中可以看出，泵浦前透過(guò)樣品的物波各正交偏振分量的振幅是明顯不一樣的，而相位幾乎是一樣的，這與線(xiàn)偏振片的特性是一致的。圖3(e)-3(l)給出了兩個(gè)不同的時(shí)間延遲情況下透過(guò)樣品物波各正交偏振分量的振幅和相位分布。當(dāng)時(shí)間延遲為0.2ns時(shí)，振幅圖像中出現(xiàn)了一個(gè)明顯的暗區(qū)，這表明在聚焦區(qū)域內(nèi)溫度的迅速上升導(dǎo)致了內(nèi)部壓力的快速增長(zhǎng)從而產(chǎn)生了沖擊波，如圖3(e)和3(f)所示。從圖3(e)和3(f)可以看出，條狀暗區(qū)的長(zhǎng)度大約為150um，這恰好等于脈沖在樣品中橫向傳播的距離。當(dāng)時(shí)間延遲為1.8ns時(shí)，條形暗區(qū)的范圍變的更大了，這正是由于沖擊波的傳播所引起的，如圖3(i)和3(j)所示。

第二個(gè)待測(cè)樣品為20um厚的云母片，除了延遲時(shí)間外，采用與第一個(gè)測(cè)試樣品相同的實(shí)驗(yàn)條件。圖4(a)-圖4(l)給出了在不同時(shí)刻透過(guò)樣品的物波各正交偏振分量的復(fù)振幅分布。從圖4(a)-4(d)可以看出，透過(guò)樣品的兩個(gè)正交偏振分量的振幅和相位分布都有著明顯的不同，這正是由于云母片的雙折射性質(zhì)所造成的。從圖4(e)-4(l)中同樣觀(guān)察到了超快過(guò)程中沖擊波的產(chǎn)生和傳播現(xiàn)象。從圖4(i)-4(l)可以看出，透過(guò)樣品的兩個(gè)正交偏振分量的振幅和相位分布都是明顯不同的，這表明超快過(guò)程中樣品2的透射率和折射率變化都是各向異性的。

綜上，本發(fā)明提出了基于超快激光的時(shí)間分辨全息偏振顯微成像系統(tǒng)及方法，基于該系統(tǒng)，我們成功地對(duì)皮秒激光與兩種典型偏振敏感材料(線(xiàn)性偏振片和云母片)的相互作用過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)表征，并在實(shí)驗(yàn)上成功地觀(guān)測(cè)到了沖擊波的產(chǎn)生和傳播現(xiàn)象。如果將實(shí)施例中的皮秒激光換成飛秒激光，基于本發(fā)明還可以對(duì)超快過(guò)程中的更早期現(xiàn)象(亞皮秒量級(jí))如自由電子產(chǎn)生和晶格加熱等超快過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)表征。與以往的時(shí)間分辨技術(shù)相比較，該方法不僅可以實(shí)現(xiàn)超快現(xiàn)象的偏振測(cè)量，還能在一次測(cè)量中同時(shí)記錄超快過(guò)程中兩個(gè)不同時(shí)刻的偏振圖像。與以往的偏振全息測(cè)量系統(tǒng)相比較，該系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單可靠。因此，該發(fā)明為超快過(guò)程的偏振測(cè)量和成像提供了一種有效的手段，對(duì)于那些無(wú)法進(jìn)行重復(fù)性測(cè)量的實(shí)驗(yàn)更有實(shí)用價(jià)值。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以?xún)?nèi)。