一種超快連續(xù)成像裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種超快連續(xù)成像裝置及方法，屬于超快成像【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明的裝置包括，超快激光器、第一擴(kuò)束透鏡、第二擴(kuò)束透鏡、延時(shí)器、聚焦透鏡、觀察對象、離散透鏡、相機(jī)陣列。本發(fā)明的方法是利用超快激光器產(chǎn)生飛秒量級的超短脈沖，利用厚度不同的階梯型透鏡實(shí)現(xiàn)飛秒量級延時(shí)的脈沖序列，利用聚焦-離散的方法使不同子脈沖通過同一探測點(diǎn)，并保證成像光束水平射出；利用相機(jī)陣列對不同時(shí)刻進(jìn)行成像。本發(fā)明能突破時(shí)間分辨能力的瓶頸，使得時(shí)間分辨能力提高到飛秒量級；對于不具備重復(fù)實(shí)驗(yàn)條件的過程，實(shí)驗(yàn)單次即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)成像；不需要使用控制電路，降低了成本；結(jié)構(gòu)相對簡單，易于實(shí)現(xiàn)。
【專利說明】一種超快連續(xù)成像裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超快連續(xù)成像裝置及方法，屬于超快成像領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]在科學(xué)研究和技術(shù)研發(fā)的過程中，經(jīng)常需要對某些發(fā)生在極短時(shí)間內(nèi)的超快過程進(jìn)行研究，例如飛秒激光加工過程中產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)移，電子激發(fā)，等離子體演化等過程都發(fā)生在飛秒到皮秒量級，這些過程的持續(xù)時(shí)間非常短，但是在這個(gè)時(shí)間尺度內(nèi)發(fā)生的超快變化卻直接影響并決定了后續(xù)加工結(jié)果的質(zhì)量和精度，觀察該時(shí)間尺度內(nèi)的超快過程有利于揭示飛秒激光與物質(zhì)的相互作用機(jī)理，因而迫切需要一種具有超快時(shí)間分辨能力的連續(xù)成像裝置和方法。
[0003]傳統(tǒng)的高速連續(xù)成像設(shè)備由于采用的是機(jī)械設(shè)備，其時(shí)間分辨能力只能達(dá)到微秒的水平，并且操作過程比較復(fù)雜，目前正在逐漸被淘汰。基于超快電子快門的分幅成像裝置，其時(shí)間分辨能力取決于控制電路的響應(yīng)速度，可以達(dá)到納秒的分辨能力，但是難以再繼續(xù)提高。并且，由于超快電子控制系統(tǒng)的成本較高，因此這類分幅成像裝置的價(jià)格十分昂蟲貝。
[0004]傳統(tǒng)的飛秒量級的成像技術(shù)，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)拍攝。傳統(tǒng)的泵浦探測技術(shù)是一種具有飛秒量級時(shí)間分辨力的探測技術(shù)，在泵浦探測實(shí)驗(yàn)中，為了完整記錄探測對象的整個(gè)變化過程，一般通過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，每次選取一個(gè)不同的時(shí)刻進(jìn)行拍攝，最后按照時(shí)間順序?qū)⑸鲜龆啻沃貜?fù)實(shí)驗(yàn)中拍攝的一系列照片拼湊在一起來還原探測對象的動態(tài)連續(xù)變化過程。由于每次實(shí)驗(yàn)不可能做到完全重復(fù)，所以這種方法存在著誤差，而且對于不具備重復(fù)實(shí)驗(yàn)條件的過程，則無法進(jìn)行連續(xù)觀測。
[0005]因此，當(dāng)前迫切需要一種既能夠突破時(shí)間分辨能力瓶頸且又能實(shí)現(xiàn)連續(xù)成像的一種超快連續(xù)成像技術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有成像手段時(shí)間分辨率低，無法對間隔為飛秒到皮秒量級的過程進(jìn)行超快成像，難以滿足科研和生產(chǎn)需要的問題，而提出一種超快連續(xù)成像裝置及方法。
[0007]本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0008]一種超快連續(xù)成像裝置，包括，超快激光器、第一擴(kuò)束透鏡、第二擴(kuò)束透鏡、延時(shí)器、聚焦透鏡、觀察對象、離散透鏡、相機(jī)陣列。
[0009]其光路走向?yàn)?超快激光器產(chǎn)生超短脈沖光束；光束經(jīng)過第一擴(kuò)束透鏡和第二光束透鏡后，光斑放大并水平射出；光束覆蓋整個(gè)延時(shí)器，產(chǎn)生延時(shí)不同的子脈沖；子脈沖由聚焦透鏡聚焦后經(jīng)過觀察對象，通過離散透鏡后光束準(zhǔn)直，在相機(jī)陣列成像。
[0010]所述的延時(shí)器為空間階梯型延時(shí)器。
[0011]一種超快連續(xù)成像方法，實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0012]1)首先用超快激光器產(chǎn)生超短激光脈沖；使用焦距不同的透鏡對光束半徑進(jìn)行擴(kuò)大，使得光束可以完全覆蓋延時(shí)器；
[0013]2)激光垂直入射延時(shí)器表面。延時(shí)器將光束分成多個(gè)光束，并使每個(gè)光束產(chǎn)生不同的延時(shí)(延時(shí)為飛秒量級光束平行地從延時(shí)器輸出；
[0014]3)光束平行入射到聚焦透鏡，多個(gè)光束聚焦到探測對象處，多個(gè)光束通過探測對象的時(shí)間具有飛秒量級的延時(shí)。激光透過探測對象，由于其對激光吸收率的不同，激光攜帶探測對象的信息。透過探測對象不同后，利用離散透鏡使得多個(gè)光束分開并平行地輸出；
[0015]4)多個(gè)光束輸出到相機(jī)陣列處，不同光束采集到了不同時(shí)刻的圖像，探測到飛秒量級的連續(xù)的成像信息；
[0016]5)將觀察對象移開，采集背景光，與步驟4)的圖像對比，去除背景處理，即可得到最終圖像。
[0017]所述的聚焦透鏡將光束序列聚焦，離散透鏡將光束序列離散分開，從而便于后續(xù)的成像。
[0018]有益效果
[0019]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括:
[0020]1、能突破時(shí)間分辨能力的瓶頸，使得時(shí)間分辨能力提高到飛秒量級；
[0021]2、對于不具備重復(fù)實(shí)驗(yàn)條件的過程，實(shí)現(xiàn)單次實(shí)驗(yàn)連續(xù)成像；
[0022]3、不需要使用控制電路，降低了成本；
[0023]4、結(jié)構(gòu)相對簡單，易于實(shí)現(xiàn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明專利的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的延時(shí)器4的三維示意圖；
[0026]其中，1-超快激光器，2-第一擴(kuò)束透鏡，3-第二擴(kuò)束透鏡、4-延時(shí)器、5-聚焦透鏡、6-觀察對象、7-離散透鏡、8-相機(jī)陣列。

【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0028]實(shí)施例
[0029]如圖1所示，一種超快連續(xù)成像裝置，包括，超快激光器1、第一擴(kuò)束透鏡2、第二擴(kuò)束透鏡3、延時(shí)器4、聚焦透鏡5、觀察對象6、離散透鏡7、相機(jī)陣列8。
[0030]其光路走向?yàn)?超快激光器1產(chǎn)生超短脈沖光束；光束經(jīng)過第一擴(kuò)束透鏡2和第二光束透鏡3后，光斑放大并水平射出；光束覆蓋整個(gè)延時(shí)器4，產(chǎn)生延時(shí)不同的子脈沖；子脈沖由聚焦透鏡5聚焦后通過觀察對象6，利用離散透鏡7后光束準(zhǔn)直，在相機(jī)陣列8成像。
[0031]一種超快連續(xù)成像方法，實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0032]1)首先將超快激光器1產(chǎn)生超短激光脈沖，嚴(yán)格控制脈沖的能量，防止脈沖能量太大，對探測結(jié)果造成干擾；使用兩個(gè)焦距不同的透鏡，既第一擴(kuò)束透鏡2、第二擴(kuò)束透鏡3對光束半徑進(jìn)行擴(kuò)大，使得光束可以完全覆蓋延時(shí)器4 ；
[0033]2)激光垂直入射延時(shí)器4表面，延時(shí)器將光束分成多個(gè)光束，并使每個(gè)光束產(chǎn)生不同的延時(shí)(飛秒量級的延時(shí)光束平行地從延時(shí)器4輸出。
[0034]在實(shí)施例1中，如圖2所示，延時(shí)器由不同厚度的熔融石英構(gòu)成。將整個(gè)延時(shí)器的工作平面分成9份，厚度依照從左到右、從上到下的順序依次增加，因而，透過每份的時(shí)間延時(shí)也不同，這由石英玻璃的厚度差決定。例如，使用中心波長為80011111的飛秒激光脈沖，厚度差為(1時(shí)引起的時(shí)間延時(shí)為:
[0035]^.=.父
11,-? (2.
[0036]式中1！。、！^分別是真空、石英的折射率，0為真空中的光速。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可計(jì)算得到，80011111的激光在石英玻璃中的折射率113為1.4533。真空中折射率II。為1。據(jù)此計(jì)算得到當(dāng)厚度差為III時(shí)，延時(shí)為10.6X8。依次可知，該方法可以實(shí)現(xiàn)？8量級的延時(shí)。
[0037]3)多束延時(shí)不同的光束平行地入射到聚焦透鏡5后，被聚焦到探測對象6處。每一束激光在透過探測對象6處的等離子體區(qū)域時(shí)，由于等離子體對激光的吸收和反射，會使激光攜帶該區(qū)域電子密度分布的信息，由于每一束激光通過等離子體區(qū)域的時(shí)刻不同，因而這多個(gè)光束可以連續(xù)采集該區(qū)域多個(gè)不同瞬時(shí)的等離子體密度分布信息。透過探測對象6后，利用離散透鏡7使得多個(gè)光束分開并平行地輸出。
[0038]4)多個(gè)光束輸出到相機(jī)陣列8處，相機(jī)陣列8將多個(gè)子光束中攜帶的不同時(shí)刻的等離子體密度信息轉(zhuǎn)化成圖像陣列。
[0039]5)將觀察對象6移開，重復(fù)步驟1)到4)，采集得到背景圖像。對步驟4)的信號圖像進(jìn)行去除背景處理，即可得到探測對象6處的飛秒量級的連續(xù)的等離子體密度演化圖像信息。
[0040]上述裝置和方法的時(shí)間分辨力能達(dá)到飛秒量級，遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的連續(xù)成像設(shè)備。另外相對于傳統(tǒng)的飛秒量級的成像技術(shù)而言，它能實(shí)現(xiàn)單次實(shí)驗(yàn)便能生成多幅連續(xù)圖片，裝置簡單且方法可行。
【權(quán)利要求】
1.一種超快連續(xù)成像裝置，其特征在于:包括，超快激光器(I)、第一擴(kuò)束透鏡(2)、第二擴(kuò)束透鏡(3)、延時(shí)器(4)、聚焦透鏡(5)、觀察對象(6)、離散透鏡(7)、相機(jī)陣列(8)； 其光路走向?yàn)?超快激光器(I)產(chǎn)生超短脈沖光束；光束經(jīng)過第一擴(kuò)束透鏡(2)和第二光束透鏡(3)后，光斑放大并水平射出；光束覆蓋整個(gè)延時(shí)器(4)，產(chǎn)生延時(shí)不同的子脈沖；子脈沖由聚焦透鏡(5)聚焦后通過觀察對象(6)攜帶信息，通過離散透鏡(7)后光束準(zhǔn)直，在相機(jī)陣列⑶成像。
2.如權(quán)利要求1所述的一種超快連續(xù)成像裝置，其特征在于:所述延時(shí)器包括空間階梯型延時(shí)器。
3.一種超快連續(xù)成像方法，其特征在于，實(shí)現(xiàn)步驟如下: 1)首先用超快激光器產(chǎn)生超短激光脈沖；使用焦距不同的透鏡對光束半徑進(jìn)行擴(kuò)大，使得光束可以完全覆蓋延時(shí)器； 2)激光垂直入射延時(shí)器表面，延時(shí)器將光束分成多個(gè)光束，并使每個(gè)光束產(chǎn)生不同的延時(shí)，光束平行地從延時(shí)器輸出； 3)光束平行入射到聚焦透鏡，多個(gè)光束聚焦到探測對象處，多個(gè)光束通過探測對象的時(shí)間具有飛秒量級的延時(shí)，因而激光攜帶探測對象不同時(shí)刻的信息；透過探測對象后，利用離散透鏡使得多個(gè)光束分開并平行地輸出； 4)多個(gè)光束輸出到相機(jī)陣列處，不同光束采集到了不同時(shí)刻的圖像，探測到飛秒量級的連續(xù)的成像信息； 5)將觀察對象移開，采集背景光，與步驟4)的圖像對比，通過去除背景處理，即可得到最終圖像。
4.如權(quán)利要求3所述的一種超快連續(xù)成像方法，其特征在于:聚焦透鏡將光束序列聚焦，離散透鏡將光束序列離散分開，從而便于后續(xù)的成像。
【文檔編號】G03B29/00GK104317154SQ201410669382
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】姜瀾, 譚旭東, 胡潔, 曹強(qiáng), 余彥武, 王安東 申請人:北京理工大學(xué)