一种新型全光超快成像系统的研究与实现

摘要

目前，应用最广泛的超快诊断手段分别是条纹相机、分幅相机和泵浦-探测成像技术。但这些超快诊断手段都存在着自己的不足：例如条纹相机只能提供一维空间加时间分辨；分幅相机时间分辨相对较低；泵浦-探测成像技术可探测飞秒量级的超快过程，并且可以获取多维图像，但它需要被探测事件结构相对简单且具有高度可重复性等特性，这就导致泵浦-探测成像技术一般无法对不可重复或很难重复的超快事件进行诊断，例如爆炸、布朗运动以及化学反应等过程。
　　本文研究并设计了一种基于全光学手段的新型超快成像系统——全光飞秒超快时序成像系统，并对其进行了实验验证。该系统无须对上述超快事件进行重复测量即可直接成像观测以往无法直接成像观测的微观超快现象。可作为研究光化学、自旋电子学及等离子体物理等超快动力学的有力工具。
　　本文对全光飞秒超快时序成像系统的脉冲展宽单元、脉冲整形单元、光谱映射单元、成像光路以及延时光路等从理论上进行了分析计算，搭建了相应的实验平台对其进行了实验验证，并利用搭建的整套光学系统对超快事件进行了采集记录。
　　主要工作内容如下：
　　（1）搭建了飞秒激光脉冲展宽实验平台，对不同激光脉冲展宽器进行了比较分析，以具有750mm通光长度的高色散玻璃作为脉冲展宽介质，通过实验将入射脉宽为25fs的激光脉冲展宽至26ps。
　　（2）在对超短激光脉冲整形方法进行分析的基础上，利用纯相位型液晶空间光调制器作为掩模板，搭建了激光脉冲整形光学4f系统，对入射的脉宽为26ps的超短激光脉冲进行了整形，从实验上获得了在时域上等间隔且脉冲宽度相等的等强度子脉冲序列。
　　（3）利用Solidworks和ZEMAX软件分别设计了光束提升阵列和凹柱面反射镜。并在此基础上进一步搭建了光谱映射光学4f实验平台，利用该平台完成了对入射子脉冲序列的空间分离。
　　（4）搭建了延时光路和成像光路，利用该延时、成像光路对所选取的观测样本进行了详细的实验研究。由此获得了脉宽为25fs的超短激光脉冲电离空气的超快过程动态图像。其单幅图像曝光时间为912fs，帧间隔为6.39ps，单幅图像像素分辨率为200×200像素。

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第一章 绪论

1.1 超快诊断技术的基本概念

1.2 超快诊断技术的研究背景

1.3 超快诊断技术的发展动态与发展趋势

1.4 全光飞秒超快时序成像系统

1.5 本论文的主要内容与章节安排

第二章 全光飞秒超快时序成像系统的脉冲展宽单元

2.1 超短激光脉冲展宽技术概述

2.2 超短激光脉冲展宽理论简介

2.3 三种常见的脉冲展宽器

2.4 脉冲展宽器的选择与计算

2.5 本章小结

第三章 全光飞秒超快时序成像系统的脉冲整形单元

3.1 脉冲整形技术概述

3.2 阿贝成像理论简介

3.3 用于激光脉冲整形的光学4f系统

3.4 基于LC-SLM的激光脉冲整形技术

3.5 曝光时间与帧间隔的控制

3.6 超快过程采集

3.7 本章小结

第四章 全光飞秒超快时序成像系统的光谱映射单元

4.1 常用的光谱映射技术

4.2 光谱映射光路设计

4.3 本章小结

第五章 全光飞秒超快时序成像系统的实验拍摄结果

5.1 观测样本选取

5.2 拍摄过程与实验结果记录

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

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