基于并行相干快门的飞秒全光分幅成像技术

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超快过程研究，包括材料微介观动态响应、光与物质相互作用、原子分子动力学等，需要极高时间分辨能力和空间分辨能力。传统高速摄影技术受限于机械快门速度、光电子系统带宽限制，难以实现皮秒级和更快时间分辨的超高速成像，即使是变像管扫描相机目前最快只能在一维空间上实现亚皮秒时间分辨。泵浦探测技术虽然可以实现极高时空分辨能力，但是不具备单发时间分辨能力，即时间基准不同，只能用于重复性过程的诊断。全光分幅成像技术近年来得到了较大的发展，包括多角度背光照相、波长时间映射分幅成像、角度复用全息成像技术等，但是这些技术都是以牺牲某些关键性能，如相同的空间基准、相同的光谱基准、空间频谱范围等为代价换取了超快的时间分辨能力。我们提出并探索了一种在原理上完全不同于传统高速摄影技术的基于并行相干快门的全光分幅成像方法，可以突破传统高速摄影技术和其他全光分幅成像技术在时空分辨能力和图像获取能力上的限制。该方法的内涵包括原创的并行相干快门(或称为“光信息快门”)概念，以及由此发展的全光分幅相干成像技术。

1  提出并验证了并行相干快门概念

并行相干快门跳出了传统分幅成像方法的限制，不是控制光能量的传播，而是通过控制光信息的传播，使得不同时刻的光场信息沿着不同的路径并行传播，利用“光-光”相干作用实现不同时刻图像信息的分离，从而可以在极短时间内获取大量的光场信息(见图1)。利用并行相干快门可以实现：(1) 超高的时间分辨能力，幅频接近十万亿幅/秒，曝光时间几十飞秒；(2) 在具备超高时间分辨的同时每幅图像都具有接近衍射极限的空间分辨；(3) 保持多幅图像具有同一时间基准，同一空间基准，同一光谱基准；(4）非复用记录方式，保证每一幅图像完全独立，从根本上避免了不同图像之间的串扰问题；(5) 同时获得待测目标的振幅和相位信息；(6) 图像具有一定程度的相干增益，从而可以采用较弱的探测光。

2  建立了基于并行相干快门的全光分幅成像原理系统

全光分幅成像系统由序列脉冲发生光路、并行相干快门光路、傅里叶传像系统等组成(见图2)。通过解决光学元件色散效应引起的最小幅间隔变大问题，以及大相对孔径分幅成像和消除平板像差等，获得了超高速多幅成像的最高时空分辨能力，技术指标为：拍摄幅数：8；幅频：最高8 THz；单幅曝光时间：<60 fs(探测光脉冲半高宽)；空间分辨：<3 mm。

3  发展了激光脉冲飞秒级高精度同步控制技术

为了实现光信息的相干选通，相干快门光路里的探测光脉冲与参考光脉冲的光程差需控制在飞秒激光脉冲的半高宽以内，采用常规方法难以精确测量和控制这么小的光程差。发展了一种基于宽光谱频域干涉的激光脉冲飞秒级高精度同步控制技术，实现复杂光路条件下飞秒激光序列探测脉冲和参考脉冲的精确同步，达到多路光信息相干选通的目的。

4  开展了超快物理过程诊断实验

在超短脉冲激光击穿空气和激光加载铝箔等超快物理过程诊断实验中获得了迄今为止最高时空分辨的单发多幅超快实验图像，验证了该技术在超快过程研究中的作用，为该技术的进一步应用奠定了基础(见图3和图4)。