CN112033538B - 一种基于光谱-时间映射的超快成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光谱‑时间映射的超快成像装置,包括将探测光生成***及光谱成像***进行光路连接构成。其中,探测光生成***由第一飞秒激光器、第一电动快门、第一凸透镜、钇铝石榴石晶体、第二凸透镜及脉冲展宽器、滤波片及第一平面镜依次光路连接构成;光谱成像***由样品、物镜、分束镜、第三凸透镜及高光谱相机依次光路连接构成。本发明可对超快动态场景的二维空间和时间三维信息进行直接观测,进而用于探测物理、化学、生物过程的时空演化,实现高质量观测纳秒、皮秒甚至飞秒量级的超快动态过程。本发明与STAMP装置相比,简单易搭建,无需复杂的脉冲整形***及空间分离***。
Description
技术领域
本发明涉及光学超快成像技术领域,尤其是一种基于光谱-时间映射的超快成像装置。
背景技术
光学成像是人类探索自然奥秘和实现科技发展的重要工具。同时获取超快动态场景的空间和时间信息至关重要,这有助于研究物理学、化学及生物学科中许多重要的基本机制。在传统光学成像中,成像速度主要取决于探测器CCD或CMOS的探测速度,通常在毫秒-微秒量级,无法捕获飞秒-纳秒尺度的瞬态演化事件。泵浦-探测方法虽然可以提供极高的帧率,但要求所测的动态场景是可重复的。因此对于许多不可重复或难以重复的超快事件,泵浦-探测方法不适用。
近年来,单次曝光的超快光学成像在成像速度(即时间分辨率)和成像帧数方面取得了飞速进展。2014年,日本东京大学的K. Nakagawa等人发展了顺序时间全光映射术(Sequentially Timed All-optical Mapping Photography,STAMP),他们将一束超短激光脉冲进行啁啾展宽后***为几束子脉冲,在拍摄完动态场景后又将它们在空间上分离并成像,该成像技术的时间分辨率最高可达200多飞秒,单帧像素数为450×450。由于其成像帧数取决于子脉冲的个数,因此只能拍摄6幅图像。随后该研究团队对STAMP实验***进行了改进,利用光学衍射元件代替时空分布***,于2017年成功将成像帧数提高至25幅。尽管如此,针对高质量观测皮秒甚至飞秒量级的激光加工中的超快动态演化过程以及一些无自发光的超快过程的单次拍照测量装置仍处在研发阶段。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于光谱-时间映射的超快成像装置,本发明由探测光生成***与光谱成像***光路连接构成,其中,探测光生成***由第一飞秒激光器、第一电动快门、第一凸透镜、钇铝石榴石晶体、第二凸透镜、脉冲展宽器、滤波片及第一平面镜依次光路连接构成;光谱成像***由样品、物镜、分束镜、第三凸透镜及高光谱相机依次光路连接构成;本发明可实现高质量观测纳秒、皮秒甚至飞秒量级的超快动态过程,可通过单次拍照对超快动态场景的二维空间和时间三维信息进行直接观测,进而用于探测物理、化学、生物过程的时空演化。本发明与STAMP装置相比,简单易搭建,无需复杂的脉冲整形***及空间分离***。
实现本发明目的的具体技术方案是:
一种基于光谱-时间映射的超快成像装置,其特点包括探测光生成***及光谱成像***;
所述探测光生成***由第一飞秒激光器、第一电动快门、第一凸透镜、钇铝石榴石晶体、第二凸透镜、脉冲展宽器、滤波片及第一平面镜依次光路连接构成;
所述光谱成像***由样品、物镜、分束镜、第三凸透镜及高光谱相机依次光路连接构成;
所述探测光生成***的第一平面镜与光谱成像***的分束镜光路连接。
所述探测光生成***的钇铝石榴石晶体设置在第一凸透镜的像方焦平面,钇铝石榴石晶体设置在第二凸透镜的物方焦平面。
所述光谱成像***的样品设置在物镜的工作距离处;所述光谱成像***的高光谱相机设置在第三凸透镜的像平面。
本发明本发明可实现高质量观测纳秒、皮秒甚至飞秒量级的超快动态过程,可通过单次拍照对超快动态场景的二维空间和时间三维信息进行直接观测,进而用于探测物理、化学、生物过程的时空演化。本发明与STAMP装置相比,简单易搭建,无需复杂的脉冲整形***及空间分离***。
本发明的优点是:
本发明可以实现对超快动态场景的时空三维信息(二维空间和一维时间)的直接观测。
本发明属于单次拍照测量装置,适用于不可重复和难以重复超快事件的测量。
本发明与STAMP装置相比,具有简单易搭建,无需复杂的脉冲整形***及空间分离***的优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为本发明结合泵浦光生成***测量飞秒激光烧蚀硅的结构示意图;
图3为探测光的波长-时间分布图;
图4为400nm飞秒激光作用下硅表面烧蚀的时空演化图。
具体实施方式
参阅图1,本发明包括探测光生成***100及光谱成像***200;
所述探测光生成***100由第一飞秒激光器1、第一电动快门2、第一凸透镜3、钇铝石榴石晶体4、第二凸透镜5、脉冲展宽器6、滤波片7及第一平面镜8依次光路连接构成;
所述光谱成像***200由样品9、物镜10、分束镜11、第三凸透镜12及高光谱相机13依次光路连接构成;
所述探测光生成***100的第一平面镜8与光谱成像***200的分束镜11光路连接。
参阅图1,所述探测光生成***100的钇铝石榴石晶体4设置在第一凸透镜3的像方焦平面,钇铝石榴石晶体4设置在第二凸透镜5的物方焦平面。
参阅图1,所述光谱成像***200的样品9设置在物镜10的工作距离处;所述光谱成像***200的高光谱相机13设置在第三凸透镜12的像平面。
以下结合附图和实施例进一步详细阐述本发明。
本发明各部件的用途:
参阅图1,本发明探测光生成***100将第一飞秒激光器1产生的飞秒激光脉冲生成为时频域色散脉冲。
参阅图1,本发明探测光生成***100中的第一飞秒激光器1产生中心波长800nm,重复频率100Hz,单脉冲能量2.5mJ的飞秒激光脉冲;第一电动快门2用于获得单个飞秒激光脉冲;第一凸透镜3的焦距为f=50mm,用于聚焦飞秒激光脉冲;由第一凸透镜3聚焦后的飞秒激光打在钇铝石榴石晶体4中产生波段覆盖400-850nm的超连续谱光源;所述第二凸透镜5的焦距为f=50mm,用于准直从钇铝石榴石晶体4出射的超连续谱光,使其变为超连续谱平行光;脉冲展宽器6用于将第二凸透镜5出射的超连续谱平行光进行时域脉冲展宽和时频域色散,生成时频域色散脉冲;通过滤波片7对时频域色散脉冲的波段进行选择;由第一平面镜8改变光路方向将探测光生成***100的时频域色散脉冲转射到光谱成像***200的分束镜11上。
参阅图1,本发明光谱成像***200将滤波后的时频域色散脉冲作为探测光辐照目标动态场景,得到目标动态场景在特定光频下的二维图像。
参阅图1,本发明光谱成像***200中的分束镜11用于改变光路方向并将来自样品9表面的反射光引入高光谱相机13中;物镜10将样品9中所发生的目标动态场景予以放大以便观测;第三凸透镜12置于分束镜11后用于成像;高光谱相机13置于第三凸透镜12后用于采集目标动态场景在特定光频下的二维图像。
本发明是这样工作的:
参阅图1,本发明由探测光生成***100中的第一飞秒激光器1产生的激光经过第一电动快门2后获得单个激光脉冲,再通过第一凸透镜3聚焦在钇铝石榴石晶体4中产生超连续谱光源;此超连续谱光源发出的光经过第二凸透镜5后变成超连续谱平行光进入脉冲展宽器6中,脉冲展宽器6将对入射的超连续谱平行光进行时域脉冲展宽和时频域色散,生成时频域色散脉冲;该时频域色散脉冲由滤波片7选出所需波段作为探测光,探测光再经第一平面镜8和分束镜11依次反射后通过物镜10辐照样品9;此时,将来自于样品9的反射光由物镜10及第三凸透镜12收集后传递至高光谱相机13的探测芯片上,最后由高光谱相机13采集到样品9中所发生的目标动态场景在不同探测光频下的二维图像。
使用本发明得到目标动态场景在不同探测光频下的二维图像后,通过测量探测光的光谱所对应的时间信息,执行光谱-时间映射步骤,将本发明采集到的与光频对应的二维图像转化为与时间对应的二维图像,获得动态过程的时空演化信息。
本发明所述的脉冲展宽器6可视不同需求选择,例如,若需要所述时频域色散脉冲的脉宽为皮秒量级,则可使用玻璃棒作为脉冲展宽器;若需要所述时频域色散脉冲的脉宽为纳秒量级,则可使用光纤作为脉冲展宽器。
实施例
本实施例对飞秒激光烧蚀硅的超快动态过程进行观测。由于飞秒激光与材料相互作用领域不管是从基础上还是应用上都引起科学家的广泛关注。超快激光可以改变材料的状态和性质,可用于几乎任何材料的高质量、高精度以及复杂三维结构的加工。飞秒激光与材料相互作用的过程,包括电子激发,电子-晶格热传导,材料喷发和去除,属于超快过程,时间从飞秒到纳秒。为了理解和控制这些超快动态过程,需要依赖超快观测技术。这里以本发明观测飞秒激光烧蚀硅的超快动态过程为例。
参阅图1、图2,本实施例由本发明结合泵浦光生成***300完成;所述泵浦光生成***300由第二飞秒激光器14、第二电动快门15、第四凸透镜16及第二平面镜17依次光路连接构成。
参阅图1、图2,本实施例选用的样品9为硅样品91;泵浦光生成***300用于在硅样品91上诱导烧蚀动态场景。
参阅图2,所述泵浦光生成***300中第二平面镜17与光谱成像***200中的硅样品91光路连接。其中:第二飞秒激光器14用于产生中心波长400nm、脉宽50fs及重复频率100hz的飞秒激光;第二电动快门15用于获得单个泵浦脉冲;第四凸透镜16焦距f=100mm,用于聚焦泵浦光;第二平面镜17用于改变泵浦光的方向。
参阅图1、图2,探测光生成***100的第一飞秒激光器1产生中心波长800nm,脉宽50fs,重复频率100hz,单脉冲能量 2.5mJ的飞秒激光;第一凸透镜3的焦距f=50mm,用于聚焦飞秒激光;钇铝石榴石晶体4,用于产生超连续谱光源,其波段覆盖400-850nm;第二凸透镜5的焦距f=50mm,用于将超连续谱光源的光准直为平行光,脉冲展宽器6由四根横截面直径φ=30mm,长度L=13.5cm的玻璃棒组成,用于对超连续谱平行光进行时域脉冲展宽和时频域色散,生成的时频域色散脉冲波段覆盖波段400-850nm,脉冲持续时间100ps,滤波片7为600nm长波通滤波片,选出600nm-850nm波段的时频域色散脉冲作为探测光,并由第一平面镜8改变光路方向。
参阅图1、图2,光谱成像***200由硅样品91、物镜10、分束镜11、第三凸透镜12、高光谱相机13构成。所述分束镜11其透射率与反射率之比为50%:50%,用于改变光路方向并且将来自硅样品91表面的反射光引入高光谱相机13中。所述物镜10放大倍数为20倍,将硅样品91中所发生的目标动态场景放大以便于观测。所述与第三凸透镜12焦距为100mm,置于分束镜11后用于成像。高光谱相机13型号为MQ022HG-IM-SM5X5-NIR,置于第三凸透镜11后用于采集目标动态场景在特定光频下的二维图像。
本实施例是这样工作的:
参阅图1、图2,第二飞秒激光器14产生400nm泵浦光,经第二电动快门15获得单个泵浦脉冲,再使用第四凸透镜16将泵浦脉冲聚焦在硅样品91表面诱导烧蚀动态过程。与此同时,第一飞秒激光器1输出中心波长 800nm的激光依次通过第一电动快门2、第一凸透镜3、钇铝石榴石晶体4、第二凸透镜5、脉冲展宽器6后产生波段覆盖400nm-850nm、持续时间100ps的时频域色散脉冲,再使用滤波片7选出此时频域色散脉冲的600nm-850nm成分作为探测光。将探测光经第一平面镜8和分束镜11反射后,过物镜10作用到硅样品91,从硅样品91表面反射的探测光再经物镜10、第三凸透镜12收集后进入高光谱相机13中;由于探测光携带样品表面的信息,因此高光谱相机13能够记录烧蚀过程中硅样品91形貌变化在不同光频下的二维图像;整个实验过程在空气环境进行且垂直入射。且保证泵浦光与探测光同时到达硅样品91表面,即所述第一飞秒激光器1与第二飞秒激光器14各自到硅样品91表面的光路通过各光学器件的总光程相等。
参阅图3,图3为本发明实施例中探测光的波长-时间分布图。
参阅图4,图4为本实施例中400nm飞秒激光作用下硅表面烧蚀的时空演化图。
总体而言,本发明提供了一种基于光谱-时间映射的超快成像装置,原理简单,光路易搭建,属于单次拍照测量装置,可以实现对超快动态场景的时空三维信息(二维空间和一维时间)的直接观测。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于光谱-时间映射的超快成像装置,其特征在于,它包括探测光生成***(100)及光谱成像***(200);
所述探测光生成***(100)由第一飞秒激光器(1)、第一电动快门(2)、第一凸透镜(3)、钇铝石榴石晶体(4)、第二凸透镜(5)、脉冲展宽器(6)、滤波片(7)及第一平面镜(8)依次光路连接构成;
所述光谱成像***(200)由样品(9)、物镜(10)、分束镜(11)、第三凸透镜(12)及高光谱相机(13)依次光路连接构成;
所述探测光生成***(100)的第一平面镜(8)与光谱成像***(200)的分束镜(11)光路连接;其中:
所述探测光生成***(100)的钇铝石榴石晶体(4)设置在第一凸透镜(3)的像方焦平面,钇铝石榴石晶体(4)设置在第二凸透镜(5)的物方焦平面;
所述光谱成像***(200)的样品(9)设置在物镜(10)的工作焦距处;所述光谱成像***(200)的高光谱相机(13)设置在第三凸透镜(12)的像平面;
所述的脉冲展宽器(6)视不同需求选择,若需要时频域色散脉冲的脉宽为皮秒量级,则使用玻璃棒作为脉冲展宽器;若需要时频域色散脉冲的脉宽为纳秒量级,则使用光纤作为脉冲展宽器。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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