[发明专利]一种超快分幅成像装置

说明书

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：

啁啾脉冲光生成装置，用于生成啁啾脉冲光以入射待测样品；

分光器，用于将来自待测样品的啁啾脉冲光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啁啾脉冲光的不同波长成分进行分别成像。

其中，所述啁啾脉冲光生成装置包括：

超短脉冲激光器，用于产生的超短激光脉冲；

超短超连续光激光产生装置，用于利用非线性光学效应将所述超短激光脉冲转化为超短超连续光激光脉冲；以及

展宽器，用于将所述超短超连续光激光脉冲转化为啁啾脉冲光。

其中，所述超短超连续光激光产生装置沿光路依次包括：聚焦透镜、传输介质和准直透镜。

其中，所述展宽器采用群速度色散介质。

其中，所述展宽器采用棱镜对。

其中，所述展宽器采用光栅对。

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中心波长的光的所在角度；所述中心波长是啁啾脉冲光中携带着待测样品特定时刻信息的波长成分，不同的中心波长对应着待测样品的不同时刻。

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，拥有超短脉冲激光的实验室都可以应用本发明。

4、本发明原则上对超快摄像的画面帧数没有限制。

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示出了本发明一个优选实施例的超短超连续光激光产生装置的示意图；

图3示出了本发明一个优选实施例的展宽器的示意图；

图4示出了一个啁啾脉冲的不同波长成分的衍射角度与波长的关系的示例。

具体实施方式

本发明提出了一种基于啁啾脉冲的超快分幅成像装置。因此首先介绍一下啁啾脉冲。

物理学中通常用慢变振幅的方法描述激光脉冲的电场，

其中A(t)是随时间缓慢变化(与电场的周期振荡相比较)的振幅，ω是激光的角频率(以下简称频率)，为电场的相位。当一个脉冲没有啁啾时，其瞬时频率ω和相位是常数，A(t)为实数函数。而啁啾脉冲是指瞬时频率(或波长)随时间变化的脉冲，此时ω本身成为时间的函数。

当超短脉冲在具有群速色散(二阶色散)的介质中传播时，一方面其脉冲宽度(持续时间)被展宽，另一方面，展宽后的脉冲出现啁啾，即ω(t)是时间的函数。

假设一线性啁啾脉冲的强度恒定，脉冲宽度为4ps。在时间t＝0时刻的瞬时波长为650nm，在t＝4ps时刻的瞬时波长为450nm。那么这个脉冲的电场强度随时间的变化可表示为：