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基于波长分光法的超快连续成像方法.pdf

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基于 波长 分光 连续 成像 方法
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摘要
申请专利号:

CN201910047774

申请日:

20190118

公开号:

CN109632729A

公开日:

20190416

当前法律状态:

公开

有效性:

审中

法?#19978;?#24773;: 公开
IPC分类号: G01N21/63;G01N21/84;G01N21/01 主分类号: G01N21/63;G01N21/84;G01N21/01
申请人: 北京理工大学
发明人: 姜澜;王国燕;王青松;胡洁
地址: 100081 北京市海淀区中关村南大街5号
优先权:
专利代理机构: 11639 代理人: 邬晓楠
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法律状态
申请(专利)号:

CN201910047774

授权公告号:

法律状态公告日:

20190416

法律状态类型:

公开

摘要

本发明涉及一种基于波长分光法的超快连续成像方法,属于超快成像领域。本发明将激光器发出的激光脉冲分成若干束子脉冲和一束泵浦光,调节子脉冲的波长以确保每束子脉冲的波长均不相同;每束子脉冲在时间上具有一定间隔,即每束子脉冲与泵浦光之间具有不同的时间延?#20445;?#27893;浦光激发待测物品,多束子脉冲形成的连续脉冲序列采集被激发样品的信息后根据波长被还原成若干束子脉冲,每束子脉冲分别被采集后成像,即能够实现对一次超快过程的超快连续成像。本发明只需要进行一次试验,利用一个脉冲分成一个泵浦脉冲和若干个具有不同时间延时的探测子脉冲,就能获取超快过程若干不同时刻的图像信息。

权利要求书

1.基于波长分光法的超快连续成像方法,其特征在于:将激光器发出的激光脉冲分成若干束子脉冲和一束泵浦光,调节子脉冲的波长以确保每束子脉冲的波长均不相同;每束子脉冲在时间上具有一定间隔,即每束子脉冲与泵浦光之间具有不同的时间延?#20445;?#27893;浦光激发待测物品,多束子脉冲形成的连续脉冲序列采集被激发样品的信息后根据波长被还原成若干束子脉冲,每束子脉冲分别被采集后成像,即能够实现对一次超快过程的超快连续成像。 2.如权利要求1所述基于波长分光法的超快连续成像方法,其特征在于:所述时间延?#24065;?#27425;递增,便于图片顺序的处理。 3.实现上述方法的装置,其特征在于:包括:普通分光镜组、激光器、波长调制器组、延迟线组、反射镜、二向色镜组和CCD成像系统组; 利用普通分光镜组将激光器发出的激光脉冲分成若干束子脉冲和一束泵浦光,子脉冲依次经过各自的波长调制器、延迟线和二向色镜后被处理成具有时间延迟的子脉冲,各子脉冲之间的时间延迟相互独立;泵浦光被反射镜反射到样品上;各子脉冲在最后一个二向色镜实现空间合束后,形成具有一定时间延时的脉冲序列,脉冲序列辐照样品被激发区域并携带样品信息后根据波长被二向色镜组还原成若干束子脉冲,每束子脉冲分别被CCD成像系统采集后成像,即实现了超快连续成像。

说明书


基于波长分光法的超快连续成像方法
技术领域


本发明涉及一种基于波长分光法的超快连续成像方法,属于超快成像领域。


背景技术


超快成像是研究超快过程的有效技术,?#28909;?#31561;离子体物理、超快化学、超快生物
?#21462;?#36825;些超快过程的观察对正确理解这些超快过程的?#23616;?#21313;分重要。超快激光具有持续时
间短、峰值功率高的特点,巨有很强的激发、调控及探测能力,因而在超快化学、超快生物以
及超快激光制造等领域都有重要应用。


传统的超快成像技术利用飞秒激光的超短脉冲可以实现高时间分辨的成像。但是
要完成对一次超快过程的完整观测需要多次重复这一过程并对过程中不同时刻进?#20449;?#25668;
然后拼凑出完整的过程信息。这种方法在原理上存在明显的缺陷。首先,该方法要求每次实
验条件的高度一致;其次,该方法对难以复制过程、偶?#36824;?#31243;具有局限性。而飞秒激光加工
中电子动态的超快演化过程对实验条件极其敏感,属于难重复过程,且需求高性噪比和高
时空分辨率。因此亟需提出一种可以对超快过程进行高时间分辨的超快连续成像办法。


传统的连续成像装置依赖机械设备,机械装置响应时间的局限性?#29616;?#21046;约了连续
成像装置的时间精度,其最高时间分辨率通常为微秒量级。另一种利用超快电子快门的成
像装置的时间分辨率可以提高到纳秒级别,主要取决于电路的响应速度,因此时间分辨率
难以进一步提升其价格昂贵。上述?#34903;?#26041;法均无法满足我们对超快过程检测的需求。


日本课题组提出的超快连续成像方法系统结构复杂,由于不同频率光谱之间的相
互干扰,导致其时间分辨率有限,最小的时间分辨率为100fs左右。并且拍摄帧数和每一帧
的曝光时间受制于脉冲延时的宽度,相互影响,将对超快现象的探测过程造成影响,无法在
拍摄较长时间内精确拍摄。国内课题组提出的方案无法实现对超快连续拍摄过程中的拍摄
帧数以及各帧之间的时间间隔的自由调节。因此,当前迫切需要提出一种既满足超高时空
分辨又能满足方便调节拍摄帧数及拍摄间隔要求的超快连续成像方法。


发明内容


本发明的目的是为?#31169;?#20915;现有超快成像技术无法实现一次性获取超快过程连续
信息,成像时空分辨?#23454;停?#38590;以满足科研需要的问题,提供一种基于波长分光法的超快连续
成像方法,该方法通过采用波长分光方法,可以在一次试验内实现对超快过程进行飞秒时
间间隔的连续成像,并且可以精确控制探测脉冲序列之间的延迟,从而为超快连续成像领
域的研?#21051;?#20379;手段和工具。


本发明的工作原理和技术方案如下:


基于波长分光法的超快连续成像方法,将激光器发出的激光脉冲分成若干束子脉
冲和一束泵浦光,调节子脉冲的波长以确保每束子脉冲的波长均不相同;每束子脉冲在时
间上具有一定间隔,即每束子脉冲与泵浦光之间具有不同的时间延?#20445;?#27893;浦光激发待测物
品,多束子脉冲形成的连续脉冲序列采集被激发样品的信息后根据波长被还原成若干束子
脉冲,每束子脉冲分别被采集后成像,即能够实现对一次超快过程的超快连续成像。


所述时间延?#24065;?#27425;递增,便于图片顺序的处理;


实现上述方法的装置,包括:普通分光镜组、激光器、波长调制器组、延迟线组、反
射镜、二向色镜组和CCD成像系统组。


利用普通分光镜组将激光器发出的激光脉冲分成若干束子脉冲和一束泵浦光,子
脉冲依次经过各自的波长调制器、延迟线和二向色镜后被处理成具有时间延迟的子脉冲,
各子脉冲之间的时间延迟相互独立;泵浦光被反射镜反射到样品上;各子脉冲在最后一个
二向色镜实现空间合束后,形成具有一定时间延时的脉冲序列,脉冲序列辐照样品被激发
区域并携带样品信息后根据波长被二向色镜组还原成若干束子脉冲,每束子脉冲分别被
CCD成像系统采集后成像,即实现了超快连续成像;


有益效果


本发明只需要进行一次试验,利用一个脉冲分成一个泵浦脉冲和若干个具有不同
时间延时的探测子脉冲,就能获取超快过程若干不同时刻的图像信息。本发明不但大大减
少了原本需要多次重复试验的工作量,显著提高科?#34892;?#29575;,而且能从原理上提高观测结果
的准确性(消除了传统方法中的重?#27425;?#24046;),扩大该方法的适用?#27573;?对不可重复及难重复
过程同样适用)。同?#20445;?#26412;发明可拓展性强,可以根据需要调节探测脉冲序列个数,并且各探
测脉冲之间延迟控制相互独立,方便调节。


附图说明


图1是本发明专利的一个三脉冲探测序列实施例的光学原理示意图。


其中,1—普通分光镜组,2—激光器,3—波长调制器组,4—延迟线组,5—反射镜,
6—二向色镜组,7—CCD成像系统组,8—样品。


具体实施方式


下面结合附?#21152;?#23454;施例对本发明作进一步说明。


实施例1


基于波长分光法的超快连续成像方法,将激光器发出的激光脉冲分成若干束子脉
冲和一束泵浦光,调节子脉冲的波长以确保每束子脉冲的波长均不相同;每束子脉冲在时
间上具有一定间隔,即每束子脉冲与泵浦光之间具有不同的时间延?#20445;?#27893;浦光激发待测物
品,多束子脉冲形成的连续脉冲序列采集被激发样品信息后根据波长被还原成若干束子脉
冲,每束子脉冲分别被采集后成像,即能够实现超快连续成像;


所述时间延?#24065;?#27425;递增,便于图片顺序的处理;


实现上述方法的装置,包括:普通分光镜组、激光器、波长调制器组、延迟线组、反
射镜、二向色镜组和CCD成像系统组。


普通分光镜组包含3个普通分光镜;波长调制器组包含3个波长调制器;延迟线组
包含3个延迟线;二向色镜组包含6个二向色镜组;CCD成像系统组包含3个CCD成像系统。


通过调节各子脉冲的光程,移动对应延迟线的位置,使三个子脉冲与泵浦光之间
分别间隔1纳秒,2纳秒和3纳秒。


基于波长分光法的超快连续成像实施?#34903;?#22914;下:


(1)根据传统泵浦探测方法搭建光路。泵浦光和探测光均由激光器2产生。


(2)以(1)为基础,在探测光光路上,用普通分光镜1将探测光分为两束。其中一束
由分光镜反射后利用波长调制器3改变其波长,并通过延迟线4调节其延迟,然后投射到二
向色镜6上,得一束探测脉冲。此处二向色镜的作用是过滤一定波长?#27573;?#22806;的探测光。另外
一束透过分光镜投射到后一个普通分光镜上,以便建立下一子探测光路。


(3)重复(2),建立三个子探测光路,获得三脉冲探测序列,各子脉冲波长互不相
同。


(4)最后一个子探测光路上被分光镜透射的光束作为泵浦光,经反射镜5反射到样
品8表面。


(5)所有探测脉冲通过其所在光路上的二向色镜最后合束到同一光路上,最终投
射到样品表面。


(6)所有探测脉冲透过样品后,按照各脉冲的建立顺序,依次在光路上放置各波长
脉冲所在光路对应的二向色镜,对脉冲序列进行波长解调,使得各探测脉冲按波长在空间
上被区分开。此处二向色镜的作用是筛选特定波长?#27573;?#30340;探测脉冲。


(7)当二向色镜将探测脉冲在空间上区分开之后,在每个子光路上放置一个CCD成
像系统7,分别对不同波长的子探测光进行成像。


(8)将所有CCD成像系统中的图像信息传送到计算机,由计算机处理后可以重建为
连续的动态图像。三张图像分别对应样品被激发后1纳秒,2纳秒和3纳秒时刻的动态。


这里虽然以三脉冲探测序列的探测装置为例进行介绍说明,但是本发明专利不限
于3脉冲序列,使用本发明的方法也可获得4脉冲,5脉冲,6脉冲等等探测序列。本发明在原
理上可以实现?#25105;?#25968;量的脉冲探测序列。以上所述的具体描述,对发明的目的、技术方案和
有益效果进行?#31169;?#19968;步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,
并不用于限定本发明的保护?#27573;В?#20961;在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替
换、改进等,均应包含在本发明的保护?#27573;?#20043;内。


以上所述的具体描述,对发明的目的、技术方案和有益效果进行?#31169;?#19968;步详细说
明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限定本发明的保护范
围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明
的保护?#27573;?#20043;内。


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