专利摘要

本发明涉及一种基于频域时空变换的超快激光连续成像装置及方法，属于超快成像领域。该装置包括用于超短脉冲激光器、色散延时器、时域频率整形器、第一宽波带反射镜、第二宽波带反射镜、空域频率整形器、二维CCD光谱仪。本发明的方法是利用超短脉冲激光器产生宽频谱范围的激光，利用色散延时器改变延时间隔，利用时域频率整形器、空域频率整形器对激光的频率分量进行整形，通过样本以后使用二维CCD光谱仪进行探测，从而获得样本的电子动态。本发明可使时间分辨能力提高到飞秒量级；实现连续的拍摄，对不具备重复实验条件的过程进行完整拍摄；拍摄周期以及拍摄数量可控调节；使用光谱仪代替成像系统，易于实现。

权利要求

1.基于频域时空变换的超快激光连续成像装置，其特征在于：包括超快脉冲激光器(1)、色散延时器(2)、时域频率整形器(3)、第一宽波带反射镜(4)、第二宽波带反射镜(5)、空间频率整形器(6)、观测对象(7)、二维光谱分析仪(8)；

其光路走向为：超快脉冲激光器(1)产生宽频谱宽度的超快激光脉冲；光束通过色散延时器(2)后其脉冲宽度变宽且不同频率的成分产生不同延时；光束通过时域频率整形器(3)，将光束分为时间间隔可控的多个子脉冲，单个子脉冲包含不同的频率成分；其后，通过第一宽波带反射镜(4)、第二宽波带反射镜(5)后，改变光路方向；其后，通过空域频率整形器(6)，将不同频率的光谱在空间中均匀排列；其后，通过观测对象(7)；最后，光束被二维CCD光谱分析仪(8)收集，经计算机处理后得到成像。

2.根据权利要求1所述的超快连续成像装置，其特征在于，所述时域频率整形器包括：光栅展开对、透镜对以及液晶相位延时器。

3.根据权利要求1所述的超快连续成像装置，其特征在于，所述二维CCD光谱仪，用于对不同频率的光谱进行探测。

4.一种基于频域时空变换的超快激光连续成像方法，其特征在于，实现步骤如下：

1)超快脉冲激光器产生宽频谱宽度的超短激光脉冲；

2)色散延时器改变超快激光的脉冲持续时间以及不同频率的激光的延时间隔；

3)时域频率整形器将原激光脉冲的频谱在频域上分成若干波段，每个波段形成一个子脉冲，不同子脉冲之间具有可控的时间间隔；

4)空域频率整形器用于将子脉冲不同频率的光谱在空间中均匀排列；

5)整形后的光束通过被测物体，多个子脉冲依次通过，由于子脉冲之间具有一定的时间间隔，从而采集不同时刻的信息；而不同空间位置的信息由不同频率的光携带，将不同频率的一维成像组合即可对二维成像，为下一步的二维成像提供条件；

6)使用二维CCD光谱仪，测量不同频率的光谱信息；采集完成以后，按照之前的频率分段，将属于同一子脉冲的频率谱线组合在一起，形成一个图像；不同子脉冲则成多个图像；

7)对图像进行去除背景的处理，需要采集背景光；对步骤6)的图像进行去除背景处理，得到最终图像。

说明书

技术领域

本发明涉及超快过程的超高时间分辨能力的探测，属于超快成像领域。 

背景技术

在科学研究和技术研发的过程中，经常需要对某一过程进行时间间隔非常短的连续拍照。例如，激光制造过程中的材料对光子能量转移、电子激发等过程直接影响和决定了后续制造结果的质量和精度，对该过程的观察至关重要。然而，该过程持续时间短，变化快，约为飞秒量级(10^-15s)。该时间尺度的二维成像观测对科学、生产具有重要意义。 

传统的连续成像设备，无法实现飞秒量级的成像。依靠传统的机械方法或者电子设备，已经无法满足该过程的需求。电子相机的时间分辨能力取决于控制电路的响应速度，目前处于纳秒(10^-9s)的水平，而且很难再继续提高。使用分幅相机的方法成像，可以进一步提高时间分辨率，但是时间分辨力仍然有限，仍未突破皮秒(10^-12s)的水平，而且成像帧数有限。 

传统的飞秒量级的成像技术，无法实现连续拍摄。泵浦探测技术是一种具有飞秒量级时间分辨力的探测技术，在泵浦探测实验中，为了完整记录探测对象的整个变化过程，一般通过多次重复实验，每次选取一个不同的时刻进行拍摄，最后按照时间顺序将这多次重复实验中拍摄的一系列照片拼凑在一起来还原探测对象的动态连续变化过程。由于每次实验不可能做到完全重复，所以这种方法存在着误差，而且对于不具备重复实验条件的过程，则无法进行连续观测。 

因此，当且迫切需要一种能够达到飞秒量级时间分辨率且可以多帧数连续拍摄的观测手段。 

发明内容

本发明的目的是为了解决现有成像手段时间分辨率低、无法对间隔为飞秒到皮秒量级的过程进行连续成像、难以满足科研和生产需要的问题，提出一种基于频域时空变换的超快激光连续成像装置及方法 

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。 

基于频域时空变换的超快激光连续成像装置，包括：超快激光器、色散延时器、时域频率整形器、第一宽波带反射镜、第二宽波带反射镜、空域频率整形器、观测对象、二维光谱分析仪。 

其光路走向为：首先，超快激光器产生宽频谱宽度的超快激光脉冲；其后，光束通过色散延时器后其脉冲宽度变宽且不同频率的成分产生不同延时；其后，光束通过时域频率整形器，将光束分为时间间隔可控的多个子脉冲，单个子脉冲包含不同的频率成分；其后，通过第一宽波带反射镜、第二宽波带反射镜后，改变光路方向；其后，通过空域频率整形器，将不同频率的光谱在空间中均匀排列；其后，通过观测对象；最后，光束被二维光谱分析仪收集，经计算机处理后得到成像。 

基于频域时空变换的超快激光连续成像方法，实现步骤如下： 

1)超快脉冲激光器产生宽频谱宽度的超短激光脉冲； 

2)色散延时器改变超快激光的脉冲持续时间以及不同频率的激光的延时间隔。 

3)时域频率整形器将原激光脉冲的频谱在频域上分成若干波段，每个波段形成一个子脉冲，不同子脉冲之间具有可控的时间间隔。 

4)空域频率整形器用于将子脉冲不同频率的光谱在空间中均匀排列。 

5)整形后的光束通过被测物体，多个子脉冲依次通过，由于子脉冲之间具有一定的时间间隔，从而采集不同时刻的信息；而不同空间位置的信息由不同频率的光携带，将不同频率的一维成像组合即可对二维成像，为下一步的二维成像提供条件。 

6)使用二维CCD光谱仪，测量不同频率的光谱信息。采集完成以后，按照之前的频率分段，将属于同一子脉冲的频率谱线组合在一起，形成一个图像。不同子脉冲则成多个图像。 

7)对图像进行去除背景的处理，需要采集背景光。对步骤6)的图像进行去除背景处理，得到最终图像。 

有益效果 

本发明的优点包括： 

1.能突破时间分辨能力的瓶颈，使得时间分辨能力提高到飞秒量级； 

2.能够实现连续的拍摄，可以对不具备重复实验条件的过程进行完整拍摄； 

3.拍摄周期以及拍摄数量可控调节； 

4.使用光谱仪代替成像系统，易于实现。 

附图说明

图1是本发明专利的一个实施例的结构示意图； 

图2是本发明一个实施例的延时器的示意图； 

图3是时域整形装置的示意图； 

图中，1-超快激光器、2-色散延时器、3-时域频率整形器、4-第一宽波带反射镜、5-第二宽波带反射镜、6-空域频率整形器、7-观测对象、8-二维光谱分析仪、9-宽波带反射镜、10-光栅、11-透镜、12-空间光调制器、13-透镜、14-光栅、15-宽波带反射镜、16-散射光栅、17-准直光栅。 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。 

基于频域时空变换的超快激光连续成像装置，包括超快激光器1、色散延时器2、时域频率整形器3、第一宽波带反射镜4、第二宽波带反射镜5、空域频率整形器6、观测对象7、二维光谱分析仪8。 

其连接关系为：首先，超快激光器1产生宽频谱宽度的超快激光脉冲；其后，光束通过色散延时器2后其脉冲宽度变宽且不同频率的成分产生不同延时；其后，光束通过时域频率整形器3，将光束分为时间间隔可控的多个子脉冲，单个子脉冲包含不同的频率成分；其后，通过第一宽波带反 射镜4、第二宽波带反射镜5后，改变光路方向；其后，通过空域频率整形器6，将不同频率的光谱在空间中均匀排列；其后，通过观测对象7；最后，光束被二维光谱分析仪8收集，经计算机处理后得到成像。 

基于频域时空变换的超快激光连续成像方法，步骤如下： 

1)首先将超快脉冲激光器1产生超短激光脉冲，严格控制脉冲的能量，防止脉冲能量太大，对探测结果造成干扰；脉冲带宽一般大于50纳米。本实施例中，超快脉冲激光器产生的脉冲的带宽为775nm-825nm。 

2)色散延时器的作用是改变超快激光的脉冲持续时间以及不同频率的激光的延时间隔。根据需要可以选择不同种类的延时器件，例如，利用石英薄片可以实现飞秒量级的延时；利用光栅对可以实现皮秒量级的延时；利用大长度的光纤可以实现纳秒量级的延时。 

3)时域频率整形器的作用是将原激光脉冲的频谱在频域上分成若干波段，每个波段形成一个子脉冲，不同子脉冲之间具有可控的时间间隔。 

图2展示了一种基于空间光整形器的时域频率整形器。反射镜9将光束发射至光栅10，光栅10将光束依频率展开，透镜11将光束准直后通过液晶相位延时器12，液晶相位延时器12对光束进行频域傅里叶变换从而进行时域整形。整形光经过透镜13和光栅14进行聚焦以及合束，从而产生具有特定延时的多个子脉冲，且每个子脉冲包含的频率不同。在本实施例中，以5个子脉冲为例，不同子脉冲的波段依次为：775-785nm，785-795nm，795-805nm，805-815nm，815-825nm。 

实施例中产生5个子脉冲，从而可以对不同时刻的5个图像，但是不限于5幅图像。可以将波段划分为更小的区域，从而获得更多的成像帧数。 

4)空域频率整形器用于将子脉冲不同频率的光谱在空间中均匀排列。通过控制光栅之间的距离，控制光斑的大小，使得其尽量接近被测物体的尺寸，从而充分利用光束，达到最佳成像效果。 

图3展示了一种空域频率整形器。光束经过光栅16、17展开，不同频率的光分布在空间不同位置。在本实施例中，不同波长的成分在空间中展开，例如，对于775-785nm的子脉冲，由于展开作用，可以使得775nm的 波长成分与776nm的成分相隔1微米，从而不同的步长成分可以实现不同位置的成像。 

5)上述整形后通过被测物体。被测物体具有变化的电子动态，不同的电子密度对光的吸收程度不同。多个子脉冲依次通过，由于子脉冲之间具有一定的时间间隔，从而采集不同时刻的信息；而不同空间位置的信息由不同频率的光携带，将不同频率的一维成像组合即可对二维成像，为下一步的二维成像提供条件。 

6)使用二维CCD光谱仪，测量不同频率的光谱信息。采集完成一周，按照之前的频率分段，将属于同一子脉冲的频率谱线组合在一起，形成一个图像。不同子脉冲则成多个图像。 

在本实施例中，不同子脉冲的时间不同，例如，775-785nm的子脉冲与785-795nm的子脉冲的时间有一定延时；故而可以实现不同时刻的成像；对于同一子脉冲，例如775-785nm的子脉冲，其中不同波长成分之间的成像位置不同，例如775nm的波长成分与776nm的成分相隔1微米，因而可以实现不同位置的成像。通过将不同成分组合起来，可以实现二维成像。 

7)对图像进行去除背景的处理，需要采集背景光，步骤是将观察对象移开，其余光路与图1相同。使用相同的步骤采集得到背景图像。对步骤6)的图像进行去除背景处理，即可得到最终图像。 

综上，该方法一种能够达到飞秒量级时间分辨率且可以多帧数连续拍摄的观测手段。与已有的方法相比，该方法能突破时间分辨能力的瓶颈，使得时间分辨能力提高到飞秒量级；且能够实现连续的拍摄，可以对不具备重复实验条件的过程进行完整拍摄；拍摄周期以及拍摄数量可控调节；该方法使用光谱仪代替成像系统，易于实现。 

基于频域时空变换的超快激光连续成像装置及方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。