一種成像裝置及超短脈沖序列生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及快速成像裝置領(lǐng)域，具體而言，涉及一種成像裝置及超短脈沖序列生 成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 用快速成像技術(shù)將事物發(fā)生發(fā)展的過程拍攝下來，然后進行細致分析，可以實現(xiàn) "將看不到的過程可視化"，從而加深對事物發(fā)生發(fā)展過程的認識。為了滿足科學(xué)研宄和工 業(yè)應(yīng)用需求，近幾十年來高速成像技術(shù)已經(jīng)獲得快速發(fā)展并已有商品化產(chǎn)品?？傮w說來，常 規(guī)的快速成像技術(shù)分為兩類：一類是連續(xù)模式相機（如高速錄像機），能連續(xù)拍攝大量照片 存進數(shù)字存儲器中；另一類是觸發(fā)模式相機（如分幅相機，條紋相機等），能在觸發(fā)后一短 段時間內(nèi)記錄一組相片，其拍攝速度比連續(xù)模式相機快得多。
[0003] 2014年9月，日本東京大學(xué)的K.Nakagawa教授等提出了一種簡稱為STAMP的序列 時延全光學(xué)超快成像技術(shù)。這種成像技術(shù)能實現(xiàn)與基于"pump-probe"方法相同的超快時 間分辨（已實現(xiàn)的最小幀頻間隔為229fs)及相近的成像質(zhì)量（約500X500像素）。這種 成像技術(shù)能對很難重復(fù)發(fā)生的超快單次事件進行實時動態(tài)成像。
[0004] 但是K.Nakagawa教授提出的STAMP技術(shù)可以在進一步改進的基礎(chǔ)上把時間分辨 率繼續(xù)提高，突破百飛秒極限。改進的地方有兩點：一是超短脈沖光源的頻譜寬度不夠?qū)挘?超短脈沖光源的頻譜寬度為20nm左右，分成多個子脈沖后，各子脈沖的頻譜寬度就更小 了，小帶寬子脈沖再壓縮后的脈沖寬度就會較寬，而且不同子脈沖在時間波形上會出現(xiàn)重 疊，這會導(dǎo)致所拍圖像信息的重疊，從而限制了最終能實現(xiàn)的最小時間分辨能力；二是通過 空間整形方式來進行頻譜整形的過程中，空間整形器件的透過率分布未能進行分布精細優(yōu) 化，這也是導(dǎo)致子脈沖波形出現(xiàn)重疊的原因之一，也會最終限制最小時間分辨能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種成像裝置及超短脈沖序列生成方法，以在有效增大超 短激光脈沖光源的頻譜寬度基礎(chǔ)上實現(xiàn)超短脈沖序列。
[0006] 第一方面，本發(fā)明實施例提供的一種成像裝置，包括：激光器、超連續(xù)譜發(fā)生器、脈 沖壓縮器、脈沖展寬器、脈沖整形器和成像單元，所述超連續(xù)譜發(fā)生器包括光子晶體光纖；
[0007] 所述激光器用于產(chǎn)生超短激光脈沖輸入所述光子晶體光纖；
[0008] 所述光子晶體光纖用于將輸入的超短激光脈沖的頻譜展寬，輸入所述脈沖壓縮 器；
[0009] 所述脈沖壓縮器用于將所述超連續(xù)譜發(fā)生器輸出的經(jīng)頻譜展寬后的超短激光脈 沖脈寬壓縮，輸入所述脈沖展寬器；
[0010] 所述脈沖展寬器用于將所述脈沖壓縮器輸出的經(jīng)脈寬壓縮的超短激光脈沖進行 啁啾展寬，輸入所述脈沖整形器；
[0011] 所述脈沖整形器，用于對所述脈沖展寬器輸出的經(jīng)啁啾展寬后的超短激光脈沖依 次進行空間色散和頻譜整形，再將經(jīng)頻譜整形后的超短激光脈沖反演至?xí)r間啁啾脈沖，生 成啁啾超短脈沖序列，輸入所述成像單元；
[0012] 所述成像單元，用于接收所述啁啾超短脈沖序列，將所述啁啾超短脈沖序列中不 同顏色的子脈沖在空間色散開，分別成像在所述成像單元內(nèi)的感光器件的不同部分。
[0013] 結(jié)合第一方面，本發(fā)明實施例還提供了第一方面的第一種可能實施方式，其中，所 述脈沖壓縮器包括一對平行放置的平面光柵，分別為第一平面光柵和第二平面光柵；
[0014] 所述第一平面光柵用于將所述超連續(xù)譜發(fā)生器輸出的經(jīng)頻譜展寬后的以銳角射 入的超短激光脈沖進行第一次衍射后射入所述第二平面光柵；
[0015] 所述第二平面光柵用于對射入所述第二平面光柵的超短激光脈沖進行第二次衍 射，輸入所述脈沖展寬器。
[0016] 結(jié)合第一方面，本發(fā)明實施例還提供了第一方面的第二種可能實施方式，其中，所 述脈沖展寬器包括色散介質(zhì)、棱鏡或光纖的任一種。
[0017] 結(jié)合第一方面，本發(fā)明實施例還提供了第一方面的第三種可能實施方式，其中，所 述脈沖整形器包括第一衍射光柵、空間光調(diào)制器和第二衍射光柵；
[0018] 所述第一衍射光柵用于對所述脈沖展寬器輸出的經(jīng)啁啾展寬后的超短激光脈沖 進行空間色散；
[0019] 所述空間光調(diào)制器用于將經(jīng)第一衍射光柵透射后的經(jīng)空間色散后的超短激光脈 沖進行頻譜整形；
[0020] 所述第二衍射光柵用于將所述空間光調(diào)制器輸出的經(jīng)頻譜整形的超短激光脈沖 反演至?xí)r間啁啾脈沖，生成啁啾超短脈沖序列。
[0021] 結(jié)合第一方面的第三種可能實施方式，本發(fā)明實施例還提供了第一方面的第四種 可能實施方式，其中，所述空間光調(diào)制器的透過率分布為按照預(yù)設(shè)規(guī)則設(shè)計的一維明暗條 紋，所述預(yù)設(shè)規(guī)則包括使透光明條紋和暗條紋的透過率均呈高斯或超高斯分布。
[0022] 結(jié)合第一方面或第一方面的第一種可能實施方式或第二種可能實施方式或第三 種可能實施方式或第四種可能實施方式，本發(fā)明實施例還提供了第一方面的第五種可能實 施方式，其中，所述激光器為鈦寶石體式超短激光器。
[0023] 第二方面，本發(fā)明實施例提供了一種超短脈沖序列生成方法，應(yīng)用于成像裝置，所 述成像裝置包括：激光器、超連續(xù)譜發(fā)生器、脈沖壓縮器、脈沖展寬器和脈沖整形器，所述超 連續(xù)譜發(fā)生器包括光子晶體光纖，所述方法包括：
[0024] 所述光子晶體光纖接收所述激光器發(fā)出的超短激光脈沖，將輸入的超短激光脈沖 的頻譜展寬；
[0025] 所述脈沖壓縮器將所述超連續(xù)譜發(fā)生器輸出的經(jīng)頻譜展寬后的超短激光脈沖脈 寬壓縮；
[0026] 所述脈沖展寬器將所述脈沖壓縮器輸出的經(jīng)脈寬壓縮的超短激光脈沖進行啁啾 展寬；
[0027] 所述脈沖整形器對所述脈沖展寬器輸出的經(jīng)啁啾展寬后的超短激光脈沖依次進 行空間色散和頻譜整形，再將經(jīng)頻譜整形后的超短激光脈沖反演至?xí)r間啁啾脈沖，生成啁 啾超短脈沖序列。
[0028] 結(jié)合第二方面，本發(fā)明實施例還提供了第二方面的第一種可能實施方式，其中，所 述脈沖壓縮器包括一對平行放置的平面光柵，分別為第一平面光柵和第二平面光柵；
[0029] 所述脈沖壓縮器用于將所述超連續(xù)譜發(fā)生器輸出的經(jīng)頻譜展寬后的超短激光脈 沖脈寬壓縮，輸入所述脈沖展寬器，包括：
[0030] 所述超連續(xù)譜發(fā)生器輸出的經(jīng)頻譜展寬后的超短激光脈沖以銳角射入所述第一 平面光柵，所述第一平面光柵對輸入所述第一平面光柵的超短激光脈沖進行第一次衍射后 射入所述第二平面光柵；
[0031] 所述第二平面光柵對射入所述第二平面光柵的超短激光脈沖進行第二次衍射，輸 入所述脈沖展寬器。
[0032] 結(jié)合第二方面的第一種可能實施方式，本發(fā)明實施例還提供了第二方面的第二種 可能實施方式，其中，所述脈沖整形器包括第一衍射光柵、空間光調(diào)制器和第二衍射光柵；
[0033] 所述脈沖整形器，用于對所述脈沖展寬器輸出的經(jīng)啁啾展寬后的超短激光脈沖依 次進行空間色散和頻譜整形，再將經(jīng)頻譜整形后的超短激光脈沖反演至?xí)r間啁啾脈沖，生 成啁啾超短脈沖序列，輸入所述成像單元，包括：
[0034] 所述第一衍射光柵對所述脈沖展寬器輸出的經(jīng)啁啾展寬后的超短激光脈沖進行 空間色散；
[0035] 所述空間光調(diào)制器將經(jīng)第一衍射光柵透射后的經(jīng)空間色散后的超短激光脈沖進 行頻譜整形；
[0036] 所述第二衍射光柵將所述空間光調(diào)制器輸出的經(jīng)頻譜整形的超短激光脈沖反演 至?xí)r間啁啾脈沖，生成啁啾超短脈沖序列。
[0037] 結(jié)合第二方面的第二種可能實施方式，本發(fā)明實施例還提供了第二方面的第三種 可能實施方式，其中，所述空間光調(diào)制器的透過率分布為按照預(yù)設(shè)規(guī)則設(shè)計的一維明暗條 紋，所述預(yù)設(shè)規(guī)則包括使透光明條紋和暗條紋的透過率均呈高斯或超高斯分布。
[0038] 本發(fā)明實施例中，使用光子晶體光纖將輸入的超短激光脈沖的頻譜展寬，光 子晶體光纖具有很強的非線性效應(yīng)，當(dāng)超短脈沖在PCF中傳輸時，光纖色散主要影響 脈沖的時域波形，對頻譜沒有影響；非線性效應(yīng)方面，介質(zhì)的折射率與入射光的光強有 關(guān)，空間表現(xiàn)為自聚焦效應(yīng)（Self-focusing,SF)，時間表現(xiàn)為自相位調(diào)制（Self-phase Modulation,SPM)，它將導(dǎo)致脈沖的頻譜展寬。
[0039] 超短脈沖激光在光子晶體光纖中傳輸時，在正常色散區(qū)，控制條件抑制其它高階 非線性效應(yīng)，僅有自相位調(diào)制和群速度色散效應(yīng)作用時，超短脈沖可產(chǎn)生相位穩(wěn)定的寬頻 譜展寬，可再壓縮至極窄脈寬。
[0040] 本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將在隨后的說明書闡述，并且，部分地從說明書中變得 顯而易見，或者通過實施本發(fā)明實施例了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在所寫的說 明書、權(quán)利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。
【附圖說明】
[0041] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例中所 需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施 例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲 得其他的附圖。通過附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部 附圖中相同的附圖標(biāo)記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點 在于示出本發(fā)明的主旨。
[0042] 圖1示出了本發(fā)明實施例提供的一種成像裝置的實施例的結(jié)構(gòu)框圖；
[0043] 圖2示出了本發(fā)明實施例提供的一種超短脈沖序列生成方法的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0044] 下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完 整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0045] 用快速成像技術(shù)將事物發(fā)生發(fā)展的過程拍攝下來，然后進行細致分析，可以實現(xiàn) "將看不到的過程可視化"，從而加深對事物發(fā)生發(fā)展過程的認識。為了滿足科學(xué)研宄和工 業(yè)應(yīng)用需求，近幾十年來高速成像技術(shù)已經(jīng)獲得快速發(fā)展并已有商品化產(chǎn)品。總體說來，常 規(guī)的快速成像技術(shù)分為兩類：一類是連續(xù)模式相機（如高速錄像機），能連續(xù)拍攝大量照片 存進數(shù)字