[发明专利]光学分幅相机及单脉冲内激光光斑变化情况的测量方法

说明书

本发明属于非线性光学领域，公开了一种光学分幅相机及单脉冲内激光光斑变化情况的测量方法。采用两束激光，一束激光作为泵浦光，另外一束激光作为探测光，探测光束经过一个会聚阶梯反射镜阵列后，在材料位置重叠到材料上，泵浦光被成像系统会聚至材料上。会聚阶梯反射镜阵列为多个反射面组成，且每个反射面均为平面镜，每个反射面的反射角度不同，但最终每束反射光在同一某个位置会重合，且每个反射面阶梯间存在一定高度差。通过会聚阶梯反射镜阵列，将一束探测光分成多个存在时间延迟差的探测光脉冲序列，就可以获得泵浦光斑在一个脉冲内的空间分布变化的规律，从而实现超快成像，成像速度可达fs级。

技术领域

本发明涉及一种研究材料的非线性光学物理机制以及单脉冲超快成像装置，属于非线性光学领域。

背景技术

瞬态光学成像技术的诞生可以追溯到19世纪70年代，由美国摄影家E.Muybridge通过捕捉运动中的马匹而开创先河。在一个多世纪以后的今天，科学家们已经可以在单次曝光下实现飞秒激光诱导晶格振动波成像。这让单次曝光的超快成像技术在面对光学巨波、化学反应中的不可逆结构动力学，以及惯性约束核聚变中的冲击波产生等不可重复测量有着不可替代的优势。

在对一些不可逆动力学现象进行超快成像时，传统泵浦探测技术显然已不能满足测量要求，因其需要通过移动平台来实现两束脉冲光的时间延迟，且需要多个脉冲重复作用后才能获得不同时间延迟下的泵浦光的光斑图像，然而这并不是真正测量一个脉冲内随时间变化的图像。另外传统超快电子成像技术中也存在需多次测量和时间抖动的问题。因此需要单次脉冲成像技术才能解决上述问题。

发明内容

本发明解决测量一发激光单脉冲超快时间分辨和空间分辨成像的问题，提出一种光学分幅相机，包括：入射探测激光束、分束镜、会聚阶梯反射镜阵列、入射泵浦激光束、样品架、成像系统、补偿阶梯反射镜阵列、CCD；所述入射探测激光束发出的探测光透过所述分束镜后，经会聚阶梯反射镜阵列反射至分束镜，然后探测光被分束镜的后表面反射至样品架处的待测样品；同时入射泵浦激光束发出的泵浦光也入射至待测样品，经过待测样品后的探测光经成像系统会聚，再经由补偿阶梯反射镜阵列反射后成像于CCD中；所述会聚阶梯反射镜阵列以及补偿阶梯反射镜阵列均由多个反射面组成，且每个反射面均为平面镜，每个反射面的反射角度不同，但最终每束反射光在同一个位置重合，且每个反射面阶梯间存在一定高度差。

上述技术方案的工作原理为：入射探测激光束发出的光透过分束镜后，由会聚阶梯反射镜阵列反射后，将一束探测光分成多个存在时间延迟差的探测光脉冲序列，探测光和泵浦光在待测样品位置重叠，同时泵浦光作用到探测光范围内的任意位置，泵浦光作用与待测样品后，泵浦光在一个脉冲内不同时刻对待测样品的作用不同，从而使泵浦光在不同时刻的光斑分布情况被探测光所记录，探测光序列经过待测样品后，再经过成像系统和补偿阶梯反射镜阵列后最终成像于CCD中。

由于会聚阶梯反射镜阵列是呈阶梯状的分布，探测光透射过每个阶梯后，透射后的光束之间会产生不同的光程差，从而每个光束之间就会产生时间延迟。每个反射镜面的反射光束按照一定角度直接平行反射到待测样品位置，所有反射镜单元的反射光束在待测样品位置重叠。泵浦光作用到待测样品后，由于待测样品不同位置的粒子布居数与激发光强相关且随着时间不断变化的，如果泵浦光光束中不同位置的光强分布有差别，则对应的探测光斑中会产生于泵浦光对应的光斑图像。同时由于每个反射镜单元之间存在阶梯，不同时刻的反射探测光产生的影响是不同的，从待测样品探测光束中泵浦光区域的强度的变化就可以得知不同时刻泵浦光光强分布情况，通过分析不同时刻的泵浦光的光强分布情况就能够获得单次泵浦光脉冲内泵浦光光斑变化的情况。就可以获得泵浦光斑在一个脉冲内的空间分布变化的规律，从而实现超快成像，成像速度可达fs级。

较好的一个方案：在待测样品处泵浦光与探测光的光束重合，且在待测样品处泵浦光的光斑尺寸小于探测光的光斑尺寸。