[发明专利]一种基于飞秒单脉冲干涉的瞬时二维光声波测量方法

说明书

本发明属于光学测量领域，公开一种基于飞秒单脉冲干涉的瞬时二维光声波测量方法，1）构建超快成像系统，实现锁模飞秒激光器、声光脉冲选择器、泵浦脉冲、探测脉冲和相机帧速率的同步；其特征在于，2）飞秒脉冲降频后功率放大，高重复频率的锁模飞秒激光进行降频，降频后的飞秒脉冲进行功率放大；3）光声波诱导产生模块形成光声波并滤除光背景噪声；4）采用马赫曾德尔干涉法实现参考光和测量光干涉，参考光进行高频调制，提高干涉条纹信噪比；5）在单次相机曝光时间内采集单脉冲干涉图像，利用傅里叶变换相位重构算法完成瞬时二维光声波测量。利用相机曝光与超短脉冲的时间同步，实验获得了亚皮秒量级时间分辨率的超快成像。

技术领域

本发明属于光学测量领域，尤其涉及一种基于飞秒单脉冲干涉的瞬时二维光声波测量方法。

背景技术

超快激光诱导光声成像可以用于材料的非线性吸收和折射特性研究，生物物体的光谱成像和亚表面微电子损伤的无创检测，光声波通常在微小区域以声速快速传播，因此，高横向分辨率的大视场的光声波瞬时观测是一项极具挑战性的任务，迄今为止，由于缺乏高速二维传感器，光声波的表征一般是采用时空分辨率有限的一维压电或激光振动传感器。

基于脉冲光反射或透射光的高速相机成像可以用来观察快速的物理现象，超短脉冲激光器的最新应用使人们观测到皮秒级甚至更快的超快光学成像，特别是通过泵浦-探测实验可以实现光子-物质相互作用观测。然而，目前可用的高速二维相机还不足以进行皮秒级泵探头成像，因此往往使用一维光电探测器，最先进的光电探测器响应时间已达到几皮秒。要实现超高时间分辨率二维测量，可以通过在网格布局中部署多个光电探测器或在目标区域上按顺序扫描单个光电探测器来扩展一维探测到二维成像，但其可实现的视场不大，且成像横向分辨率较低。同时，由于相机曝光时间的光背景噪声，基于短脉冲泵浦-探测成像的对比度较低，限制了超快动力学的成像质量，无法实现定量分析。

发明内容

本发明的目的是为了解决这一问题，基于飞秒脉冲超快时域特性，提供一种基于飞秒单脉冲干涉的瞬时二维光声波测量方法，单脉冲干涉方案的时间分辨率可以达到250fs,相机每次曝光时间内只捕获一次单脉冲干涉条纹图像，同时利用二次谐波效应滤除光放大自发辐射背景噪声，电光相位调制提高条纹信噪比，利用傅里叶变换相位重构算法实现瞬时二维光声波的定量测量。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

一种基于飞秒单脉冲干涉的瞬时二维光声波测量方法，包括如下步骤，1)构建飞秒激光单脉冲干涉超快成像系统，实现锁模飞秒激光器、声光脉冲选择器、泵浦脉冲、探测脉冲和相机帧速率的同步；其特征在于，

2)飞秒脉冲降频后功率放大，高重复频率的锁模飞秒激光进行降频，并对降频后的飞秒脉冲进行功率放大；

3)光声波诱导产生模块形成光声波，利用非线性晶体滤除探测光光背景噪声；

4)采用马赫曾德尔干涉法实现参考光和测量光的干涉，利用电光调制器对参考光进行高频调制，提高干涉条纹信噪比；

5)瞬时二维光声波测量,在单次相机曝光时间内只捕获单脉冲干涉图像，利用傅里叶变换相位重构算法完成瞬时二维光声波测量。

优选地，5)相机采集到的单脉冲干涉图像包含光声波的相位信息。

优选地，所述飞秒单脉冲干涉瞬时二维光声波测量装置，包括锁模激光器降频放大模块1、光声波诱导产生模块26和单脉冲马赫曾德尔干涉模块27，从所述锁模激光器降频放大模块输出的飞秒脉冲经过降频放大后分为泵浦光和探测光，泵浦光入射光声波诱导产生模块光声波，利用非线性晶体的二次谐波效应，滤除探测光光背景噪声后通过光学延时，入射单脉冲马赫曾德尔干涉模块27。