[实用新型]一种万亿幅频全光分幅三维全息成像装置

说明书

技术领域

本实用新型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。

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。

如果在飞秒、皮秒时间分辨的基础上，能够实现半透明介质或者粒子场的三维空间分辨诊断，对于理解飞秒激光与物质相互作用、激光尾场加速、飞秒冲击波动力学等超快过程将更加具有现实意义。全息技术以光源的相干性为基础，通过各种手段使目标的空间信息以干涉的形式被记录，之后再采用配套的再现技术对目标的空间信息进行提取。再现过程不仅能够得到目标的空间强度信息，还能够得到目标的空间位相信息。正是因为位相信息可以被高质量的提取出来，才使得全息技术具有高空间分辨、三维分辨、位相分辨等特点。因此，全息技术在生物细胞位相信息提取、流场分布三维诊断等较慢的过程，以及发动机喷雾颗粒分析、脉冲等离子体密度分布以及强冲击波加载下微喷粒子颗粒度分布等快速过程都有着非常重要的应用。而瞬态多幅全息技术除可给出单幅所有信息外还可给出目标随时间的演化，给出位置、密度以及位相随时间的一阶导、二阶导等更加丰富的信息，大力推动高压物理和高能量密度物理科学的理论发展及模拟仿真。