[发明专利]一种万亿幅频全光分幅三维全息成像装置及方法

说明书

本发明属于高速成像技术领域，尤其是一种万亿幅频全光分幅三维全息成像装置及方法。本发明针对现有技术存在的问题，提供一种不受电子学带宽限制，并能突破传统泵浦探测、基于扫描相机的单次超快成像、基于序列时间编码全光分幅成像等技术局限性，能够具备万亿幅频的全光分幅成像装置，又能够兼顾全息三维成像功能的超快成像装置。本发明包括用于对飞秒激光器输出的飞秒脉冲进行脉冲展宽和整形，形成n个不同波长成分的子脉冲的时域波长映射整形装置；用于n个子脉冲幅度或相位依次受到待测目标调制后，记录n个不同时刻图像信息的三维光谱成像装置以及用于将三维光谱成像装置n个图像信息进行图像重构，得到待测目标的n幅三维空间分辨成像图像的图像重构装置。

技术领域

本发明属于高速成像技术领域，尤其是一种万亿幅频全光分幅三维全息成像装置及方法。

背景技术

高速成像技术是研究高速运动过程的一种重要测试方法，针对不同时间变化过程的瞬态事件的测量，需要不同幅频和时间分辨力的成像技术。当前的主流高速成像技术可以分为三大类，一是基于机械分光的转镜高速相机技术，第二类是基于光电技术的高速成像技术，包括光电分幅相机、变像管分幅/扫描相机等，第三类是基于频闪光源的全光成像技术，包括泵浦—探测成像技术、序列时间编码全光分幅成像技术等。

机械转镜相机速度受转动机制限制，基于光电技术的高速成像技术受电子学系统带宽限制，对于皮秒至飞秒原子时间尺度的物理(激光等离子体尾场加速器、快点火脉冲、冲击波前沿、光速运动目标)、化学(电子与原子核相互作用、炸药反应动力学)、生物学、材料学(飞秒激光加工)等过程，无法满足皮秒时间分辨成像诊断要求。要达到飞秒、皮秒时间分辨的超高速成像，通常都是采用泵浦-探测的成像技术，其曝光时间由飞秒脉冲宽度决定，幅间隔由各光路延迟决定。其优点是时间分辨高，有效像素点多。但泵浦-探测技术最大局限性是所测对象必须是高度可重复的，一致的。对于难以重复的概率性或复杂性事件，诸如爆炸、激光聚变研究、量子力学过程、冲击波与生物细胞相互作用、酶反应和半导体热力学过程等事件，泵浦探测方法是无法实现。因此，发展能够实现瞬态超快过程单次诊断的高速分幅成像技术，对于推动上述基础科研的发展具有重要的科学意义。

目前能够实现瞬态超快过程单次诊断的高速分幅成像技术可以分为两类：一类是不需要特殊光源主动照明的超快成像技术，一类是需要飞秒脉冲、啁啾脉冲等主动照明的超高速成像技术。不需要特殊光源主动照明的超快成像技术包括基于扫描相机的单次超快成像技术和基于信息压缩理论的超快成像技术，其核心是将二维图像分解或者图像经过信息编码压缩后再利用变像管扫描相机记录随时间演化的二维图像，再从记录的二维图像重构出分幅图像。基于扫描相机的单次超快成像技术可实现2ps的曝光时间和幅间隔，但其有效像素数极低，严重限制了其应用范围。基于信息压缩理论的超快成像技术，其分幅成像受到压缩传感再重建的方法限制，时间分辨本领最高约为31ps，要做到ps量级目前还比较困难。受到信息压缩的限制，其空间分辨也很低，离实际应用还有一定距离。需要飞秒脉冲、啁啾脉冲等主动照明的超高速成像技术包括单次计算机层析摄影技术和序列时间编码全光分幅成像技术，单次计算机层析摄影技术能够实现皮秒时间分辨，但只能得到某一个截面随时间演化的过程，且光路结构的特殊性对诊断对象的视场有一定的要求。序列时间编码全光分幅相机号称世界最高速的照相机，其幅间隔达每秒4.4万亿帧，像素分辨率为450像素×450像素。该技术目前仅实现了6分幅成像，如果需要实现更多幅的分幅成像，成像光路则相对复杂且调整困难。同时这项技术要实现时域干涉模式，受限于超短脉冲的相干长度，要实现较密的初始干涉条纹，对光路的调整也提出了更高的要求。