一种成像装置及超短脉冲序列生成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及快速成像装置领域，具体而言，涉及一种成像装置及超短脉冲序列生 成方法。
【背景技术】
[0002] 用快速成像技术将事物发生发展的过程拍摄下来，然后进行细致分析，可以实现 "将看不到的过程可视化"，从而加深对事物发生发展过程的认识。为了满足科学研宄和工 业应用需求，近几十年来高速成像技术已经获得快速发展并已有商品化产品。总体说来，常 规的快速成像技术分为两类：一类是连续模式相机（如高速录像机），能连续拍摄大量照片 存进数字存储器中；另一类是触发模式相机（如分幅相机，条纹相机等），能在触发后一短 段时间内记录一组相片，其拍摄速度比连续模式相机快得多。
[0003] 2014年9月，日本东京大学的K.Nakagawa教授等提出了一种简称为STAMP的序列 时延全光学超快成像技术。这种成像技术能实现与基于"pump-probe"方法相同的超快时 间分辨（已实现的最小帧频间隔为229fs)及相近的成像质量（约500X500像素）。这种 成像技术能对很难重复发生的超快单次事件进行实时动态成像。
[0004] 但是K.Nakagawa教授提出的STAMP技术可以在进一步改进的基础上把时间分辨 率继续提高，突破百飞秒极限。改进的地方有两点：一是超短脉冲光源的频谱宽度不够宽， 超短脉冲光源的频谱宽度为20nm左右，分成多个子脉冲后，各子脉冲的频谱宽度就更小 了，小带宽子脉冲再压缩后的脉冲宽度就会较宽，而且不同子脉冲在时间波形上会出现重 叠，这会导致所拍图像信息的重叠，从而限制了最终能实现的最小时间分辨能力；二是通过 空间整形方式来进行频谱整形的过程中，空间整形器件的透过率分布未能进行分布精细优 化，这也是导致子脉冲波形出现重叠的原因之一，也会最终限制最小时间分辨能力。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种成像装置及超短脉冲序列生成方法，以在有效增大超 短激光脉冲光源的频谱宽度基础上实现超短脉冲序列。
[0006] 第一方面，本发明实施例提供的一种成像装置，包括：激光器、超连续谱发生器、脉 冲压缩器、脉冲展宽器、脉冲整形器和成像单元，所述超连续谱发生器包括光子晶体光纤；
[0007] 所述激光器用于产生超短激光脉冲输入所述光子晶体光纤；
[0008] 所述光子晶体光纤用于将输入的超短激光脉冲的频谱展宽，输入所述脉冲压缩 器；
[0009] 所述脉冲压缩器用于将所述超连续谱发生器输出的经频谱展宽后的超短激光脉 冲脉宽压缩，输入所述脉冲展宽器；
[0010] 所述脉冲展宽器用于将所述脉冲压缩器输出的经脉宽压缩的超短激光脉冲进行 啁啾展宽，输入所述脉冲整形器；
[0011] 所述脉冲整形器，用于对所述脉冲展宽器输出的经啁啾展宽后的超短激光脉冲依 次进行空间色散和频谱整形，再将经频谱整形后的超短激光脉冲反演至时间啁啾脉冲，生 成啁啾超短脉冲序列，输入所述成像单元；
[0012] 所述成像单元，用于接收所述啁啾超短脉冲序列，将所述啁啾超短脉冲序列中不 同颜色的子脉冲在空间色散开，分别成像在所述成像单元内的感光器件的不同部分。
[0013] 结合第一方面，本发明实施例还提供了第一方面的第一种可能实施方式，其中，所 述脉冲压缩器包括一对平行放置的平面光栅，分别为第一平面光栅和第二平面光栅；
[0014] 所述第一平面光栅用于将所述超连续谱发生器输出的经频谱展宽后的以锐角射 入的超短激光脉冲进行第一次衍射后射入所述第二平面光栅；
[0015] 所述第二平面光栅用于对射入所述第二平面光栅的超短激光脉冲进行第二次衍 射，输入所述脉冲展宽器。
[0016] 结合第一方面，本发明实施例还提供了第一方面的第二种可能实施方式，其中，所 述脉冲展宽器包括色散介质、棱镜或光纤的任一种。
[0017] 结合第一方面，本发明实施例还提供了第一方面的第三种可能实施方式，其中，所 述脉冲整形器包括第一衍射光栅、空间光调制器和第二衍射光栅；
[0018] 所述第一衍射光栅用于对所述脉冲展宽器输出的经啁啾展宽后的超短激光脉冲 进行空间色散；
[0019] 所述空间光调制器用于将经第一衍射光栅透射后的经空间色散后的超短激光脉 冲进行频谱整形；
[0020] 所述第二衍射光栅用于将所述空间光调制器输出的经频谱整形的超短激光脉冲 反演至时间啁啾脉冲，生成啁啾超短脉冲序列。
[0021] 结合第一方面的第三种可能实施方式，本发明实施例还提供了第一方面的第四种 可能实施方式，其中，所述空间光调制器的透过率分布为按照预设规则设计的一维明暗条 纹，所述预设规则包括使透光明条纹和暗条纹的透过率均呈高斯或超高斯分布。
[0022] 结合第一方面或第一方面的第一种可能实施方式或第二种可能实施方式或第三 种可能实施方式或第四种可能实施方式，本发明实施例还提供了第一方面的第五种可能实 施方式，其中，所述激光器为钛宝石体式超短激光器。
[0023] 第二方面，本发明实施例提供了一种超短脉冲序列生成方法，应用于成像装置，所 述成像装置包括：激光器、超连续谱发生器、脉冲压缩器、脉冲展宽器和脉冲整形器，所述超 连续谱发生器包括光子晶体光纤，所述方法包括：
[0024] 所述光子晶体光纤接收所述激光器发出的超短激光脉冲，将输入的超短激光脉冲 的频谱展宽；
[0025] 所述脉冲压缩器将所述超连续谱发生器输出的经频谱展宽后的超短激光脉冲脉 宽压缩；
[0026] 所述脉冲展宽器将所述脉冲压缩器输出的经脉宽压缩的超短激光脉冲进行啁啾 展宽；
[0027] 所述脉冲整形器对所述脉冲展宽器输出的经啁啾展宽后的超短激光脉冲依次进 行空间色散和频谱整形，再将经频谱整形后的超短激光脉冲反演至时间啁啾脉冲，生成啁 啾超短脉冲序列。
[0028] 结合第二方面，本发明实施例还提供了第二方面的第一种可能实施方式，其中，所 述脉冲压缩器包括一对平行放置的平面光栅，分别为第一平面光栅和第二平面光栅；
[0029] 所述脉冲压缩器用于将所述超连续谱发生器输出的经频谱展宽后的超短激光脉 冲脉宽压缩，输入所述脉冲展宽器，包括：
[0030] 所述超连续谱发生器输出的经频谱展宽后的超短激光脉冲以锐角射入所述第一 平面光栅，所述第一平面光栅对输入所述第一平面光栅的超短激光脉冲进行第一次衍射后 射入所述第二平面光栅；
[0031] 所述第二平面光栅对射入所述第二平面光栅的超短激光脉冲进行第二次衍射，输 入所述脉冲展宽器。
[0032] 结合第二方面的第一种可能实施方式，本发明实施例还提供了第二方面的第二种 可能实施方式，其中，所述脉冲整形器包括第一衍射光栅、空间光调制器和第二衍射光栅；
[0033] 所述脉冲整形器，用于对所述脉冲展宽器输出的经啁啾展宽后的超短激光脉冲依 次进行空间色散和频谱整形，再将经频谱整形后的超短激光脉冲反演至时间啁啾脉冲，生 成啁啾超短脉冲序列，输入所述成像单元，包括：
[0034] 所述第一衍射光栅对所述脉冲展宽器输出的经啁啾展宽后的超短激光脉冲进行 空间色散；
[0035] 所述空间光调制器将经第一衍射光栅透射后的经空间色散后的超短激光脉冲进 行频谱整形；
[0036] 所述第二衍射光栅将所述空间光调制器输出的经频谱整形的超短激光脉冲反演 至时间啁啾脉冲，生成啁啾超短脉冲序列。
[0037] 结合第二方面的第二种可能实施方式，本发明实施例还提供了第二方面的第三种 可能实施方式，其中，所述空间光调制器的透过率分布为按照预设规则设计的一维明暗条 纹，所述预设规则包括使透光明条纹和暗条纹的透过率均呈高斯或超高斯分布。
[0038] 本发明实施例中，使用光子晶体光纤将输入的超短激光脉冲的频谱展宽，光 子晶体光纤具有很强的非线性效应，当超短脉冲在PCF中传输时，光纤色散主要影响 脉冲的时域波形，对频谱没有影响；非线性效应方面，介质的折射率与入射光的光强有 关，空间表现为自聚焦效应（Self-focusing,SF)，时间表现为自相位调制（Self-phase Modulation,SPM)，它将导致脉冲的频谱展宽。
[0039] 超短脉冲激光在光子晶体光纤中传输时，在正常色散区，控制条件抑制其它高阶 非线性效应，仅有自相位调制和群速度色散效应作用时，超短脉冲可产生相位稳定的宽频 谱展宽，可再压缩至极窄脉宽。
[0040] 本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得 显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说 明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【附图说明】
[0041] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施 例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获 得其他的附图。通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部 附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点 在于示出本发明的主旨。
[0042] 图1示出了本发明实施例提供的一种成像装置的实施例的结构框图；
[0043] 图2示出了本发明实施例提供的一种超短脉冲序列生成方法的方法流程图。
【具体实施方式】
[0044] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045] 用快速成像技术将事物发生发展的过程拍摄下来，然后进行细致分析，可以实现 "将看不到的过程可视化"，从而加深对事物发生发展过程的认识。为了满足科学研宄和工 业应用需求，近几十年来高速成像技术已经获得快速发展并已有商品化产品。总体说来，常 规的快速成像技术分为两类：一类是连续模式相机（如高速录像机），能连续拍摄大量照片 存进数字