基于脉冲数字全息术的实时探测系统研究

摘要

脉冲数字全息术是一种超短激光脉冲与数字全息术结合的新型探测手段，在三维形貌测量、超分辨、超快过程探测等领域具有广泛的应用前景，利用该技术可实现THz电场的三维时空分布、飞秒激光诱导的超快过程演变等的研究。本文针对现有研究中存在的探测角度不固定、仅能实现3帧实时探测、探测时间分辨率不可调、探测空间分辨率低、探测装置复杂程度高等问题，开展了可调节脉冲间隔的超短激光脉冲分束、仪器化的多帧脉冲数字全息实时探测系统设计、提高空间分辨率的数值重构方法、基于空间角分复用系统的超快过程探测的研究工作，具体内容有:
　　1:脉冲数字全息术实时探测系统的研究。分析了脉冲数字全息复用系统的复用能力。研究设计基于单个CCD记录的8帧脉冲CCD测试系统和基于多个CCD记录的16帧脉冲数字全息系统。研究如何调节系统的探测时间分辨率以及如何提高空间分辨率的数值重构方法。研究如何实现探测帧数分档可调的功能以及设计仪器化的脉冲数字全息实时探测系统。
　　2:研究产生共线传输的物光予脉冲串。研究利用级联的双折射晶体产生共线传输的物光子脉冲串。研究设计双楔形双折射晶体产生脉冲间隔连续可调的物光子脉冲串。并设计了多种机械调节结构，各个机械调节方案均能实现晶体有效厚度的连续调节。通过干涉实验和自相关仪测试了所设计结构的脉冲间隔可调节能力。设计了三楔形的双折射晶体结构产生子脉冲间无横向错位且脉冲间隔连续可调的分束方案。设计了基于薄膜分束镜和组合延迟线的脉冲间隔在大范围内连续可调的联动分束方案。
　　3:研究产生多种空间角度传输的参考光子脉冲串。在8帧和16帧脉冲数字全息系统采用不同的设计方案。8帧脉冲数字全息系统中参考光子脉冲串通过薄膜分束镜、光束延迟拔高器及反射镜组合产生。提出两种可用于16帧脉冲数字全息系统的参考光分束方案。首先是基于沃拉斯顿棱镜的时空分布可调的参考光分束方案，其次是基于沃拉斯顿棱镜的空间角度可调节的参考光子脉冲产生方法。
　　4:基于脉冲数字全息术的数值重构方法的研究。利用立体角分复用技术拓展超短脉冲数字全息术的探测面积，在不降低探测时间分辨率的前提下有效的拓展了全息记录的面积。为提高图像再现质量提出的空域迭代方法和非线性滤波方法消除数字全息零级像，这两种方法均只需要单幅全息图采集，数据处理时间快，在超快过程探测方面提供了一种更有效的手段，并从理论推导，数值模拟，实验结果三个方面验证了所提方法的有效性。
　　5:搭建了8帧角分复用脉冲数字全息系统，探测了飞秒激光诱导的空气等离子体超快瞬态过程。数值再现了超快等离子体的振幅和相位演变。结果表明利用角分复用脉冲数字全息可以实现飞秒级的超快瞬态过程采样。分析了CCD位数对复用数量的影响。
　　本研究取得的创新性工作为:
　　1:设计了一种基于双楔形双折射晶体的飞秒脉冲分束方法。并获得专利授权“一种脉冲间隔和数量可调节的超短激光脉冲分束方法及其装置”，授权号:201110397464.7。同时，为补偿脉冲间的横向错位，还提出一种基于三楔形晶体结构的脉冲间隔连续可调的分束方法和装置，并申请专利“一种连续调节脉冲间隔的方法和装置”，申请号:201410167969.8。
　　2:为突破双折射晶体仅能产生小于数ps的分束脉冲间隔的限制，还设计了一种脉冲间隔同步可调且脉冲间隔可在大范围内调节的联动脉冲分束方法。该部分工作正在申请专利“脉冲间隔同步可调的大延迟脉冲间隔飞秒激光多脉冲分束方法”。
　　3:为便捷的利用商用自相关仪测试分束参数，提出了一种获得飞秒激光双脉冲间隔、脉冲宽度和强度比的方法。该部分工作专利申请“一种飞秒激光多脉冲脉冲间隔、宽度和能量的测量方法”，申请号:201410167747.6
　　4:设计了一种基于沃拉斯顿棱镜的时空分布可调的参考光分束方法。该工作申请了中国专利“一种时空分布可调的超短激光脉冲分束方法及装置”，申请号:201410089655.0。此外，还设计了基于沃拉斯顿棱镜的空间多角度参考光束产生方法，该工作正在申请专利“空间多角度传输光束的产生方法”。
　　5:为了在保证探测分辨率不降低的情况下，拓展可记录的物光波前区域。提出采用立体角分复用技术拓展超短脉冲离轴数字全息术中的物光可探测面积的方法。利用立体角分复用技术，通过多个参考光波与同一物光波不同区域的同时干涉，实现探测面积的拓展。该部分工作发表在Optics Letters和光学学报杂志上。
　　6:提出空间域的数值迭代方法和非线性滤波方法来消除数字全息的零级像。空间域的数值迭代避免了正反傅里叶变换，极大的减少了计算的工作量。且避免了滤波窗口选择的主观性。提出的非线性滤波方法具有对物光和参考光的强度比的依赖性小，对全息图的频谱分布无要求，包含的对数处理过程能抑制全息图的亮度范围、提高全息图的灰度级等优点。两种方法都仅需要单幅全息图采集，为快速的全息记录和再现奠定了基础。该部分工作分别发表在OpticsExpress和Optics Communications杂志上。
　　7:搭建了8帧脉冲数字全息实时探测系统。实验通过立体角分复用技术记录了无物体时的复合全息图，静态分辨率板的复合全息图，飞秒激光诱导的空气等离子体的复合全息图。并且数字再现了静态分辨率板和超快等离子体的飞秒级时间间隔的图像序列。实验结果表明，双折射晶体辅助的脉冲数字全息系统能够实现以飞秒级脉冲间隔记录超快过程。该研究成果已被国际会议“ICO”录用并取得科技成果鉴定证书“基于立体角分复用技术的脉冲数字全息实时记录系统”，鉴定结果达到国际领先水平。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

第一节 脉冲数字全息简介

1．1．1 全息术发展

1．1．2 用于超快瞬态过程探测的脉冲数字全息术

第二节 复用脉冲数字全息超快探测的研究进展

第三节 本论文研究的目的和内容

1．3．1 主要研究目的

1．3．2 主要研究内容

第二章 基于空间角分复用技术的脉冲数字全息术的研究

第一节 角分复用脉冲数字全息的基本原理

2．1．1 平面角分复用技术和立体角分复用技术区别

2．1．2 角分复用脉冲数字全息基本原理

第二节 超快探测模拟及复用能力研究

第三章 基于脉冲数字全息术的飞秒级超快现象实时探测仪

第一节 物光子脉冲串产生

3．1．1 固定脉冲间隔的飞秒激光脉冲分束方法

3．1．2 晶体材料选择

3．1．3 可调脉冲间隔的双楔形晶体分束

3．1．4 三楔形双折射晶体补偿子脉冲间横向位移

3．1．5 脉冲间隔同步可调的分束光路设计

第二节 参考光子脉冲串产生

3．2．1 角分复用系统中参考光角度选择

3．2．2 晶体光轴倾斜产生横向位移量分布

3．2．3 沃拉斯顿棱镜分束方案

第三节 16帧脉冲数字全息记录系统

3．3．1 基于普通参考光分束的16帧角分复用系统

3．3．2 基于沃拉斯顿棱镜参考光分束的角分复用系统

第四章 基于脉冲数字全息术的数值重构方法的研究

第一节 脉冲数字全息术的数值重构过程

第二节 利用角分复用技术拓展低相干数字全息探测面积

4．2．1 立体角分复用技术拓展短相干光源离轴数字全息探测面积原理

4．2．2 应用立体角分复用技术的短相干光源离轴数字全息实验与讨论

第三节 数值迭代方法消除离轴数字全息中的零级像

4．3．1 空域迭代消零级理论分析

4．3．2 空域迭代消零级数值模拟

4．3．3 空域迭代消零级实验结果和分析

第四节 非线性滤波的方法消除数字全息中的零级项

4．4．1 非线性滤波消零级理论分析

4．4．2 非线性滤波消零级实验结果和参数优化

第五章 基于脉冲数字角分复用系统的超快过程探测

第一节 8帧脉冲数字全息记录系统设计

第二节 8帧脉冲数字全息记录系统测试

第六章 总结和展望

第一节 总结

6．1．1 完成的主要工作

6．1．2 主要创新点

第二节 展望

参考文献

致谢

个人简历

在学期间发表的学术论文和研究成果