采用脉冲数字全息术对飞秒级超快瞬态过程进行实时探测和多维表征的研究

采用脉冲数字全息术可实时记录飞秒级超快瞬态过程，并对其振幅和相位进行高时空和光谱分辨的重构和表征，这是其他记录方式所不能胜任的。本项目研制用于飞秒全息的空间角分复用衍射微光学元件，并用以实现具有飞秒时间分辨率的角分和波分复用全息实时记录和数字再现；研究再现三维图像的纵向分辨率与飞秒激光脉冲参数的关系，横向分辨率与物体频带宽度及记录系统参数间的关系，反射和透射显微数字全息的空间分辨率理论极限与实现超分辨成像的有效方法，多光谱成像的像散及其补偿，以及对探测结果在时域、空域和频域实现高分辨率及多维表征的方法。该研究成果可直接应用到实时探测诸如原子内壳层的电子运动、飞秒半导体物理、液体中超快过程、化学分子团簇学、化学反应动力学、飞秒激光烧蚀、飞秒激光表面微纳米加工、飞秒激光脉冲激发等离子体、飞秒激光推进和飞秒激光拉丝等研究以及其他与微观或介观世界中的飞秒级超快瞬态过程有关的基础和应用基础研究中。

采用脉冲数字全息术可实时记录飞秒级超快瞬态过程，并对其振幅和相位进行高时空分辨重构和表征，这是其他记录方式所不能胜任的。本项目研制了用于对飞秒级超快瞬态过程进行实时全息的空间角分复记录的实验系统，对超快瞬态变化的相位信息和振幅信息的实时测量，仅需单次泵浦，实现对飞秒级的超快瞬态过程的多次全息记录以及数字化的多维表征，对研究飞秒级超快瞬态过程具有不可替代的重要贡献。开展的具体研究内容包括：.1.根据超快过程的动态特性及脉冲数字全息术对记录条件的要求，分别计算用于角度复用、空间复用全息记录的子脉冲串的角度分离和时间延迟参数，并研究其不同的实现手段；设计和加工用于全息记录的分割物光及参考光的相干子脉冲串的光学系统；.2.建立超短脉冲数字全息纪录光路中的显微光学系统，建立相应的空间复用、角度复用和波长复用的超短脉冲数字全息记录系统；.3.研究与对记录的多幅超短脉冲数字全息图进行空间分频的方法相关的衍射效应、由空间频率的匹配等因素造成的频率展宽和调制效应及其补偿方法；.4.利用本课题所研制的实验系统，对多种飞秒激光激发的飞秒级超快瞬态过程中的相关物理进行了测量并对其参数的超快变化规律进行了表征。.取得的研究成果有：.1.研究了用于多路具有飞秒级时间间隔的全息子脉冲串的技术；提出了基于双折射晶体的物光分束和基于薄膜分束镜的低色散的参考光分束技术。该两项研究成果共获得2项发明专利的授权；.2.采用超短脉冲数字显微全息术搭建了8路空间角分复用的实验装置。该成果已经通过了由天津市科委主持的技术鉴定，鉴定结论为具有国际领先的技术水平；.3.利用研制的基于空间角分复用技术的脉冲数字显微全息实时记录系统首次对激光烧蚀金属铝、硅晶体、透明介质等飞秒级超快瞬态过程中的物理过程进行了探测和理论分析，并首次提出了对太赫兹波的三维分布进行实时探测的方法。共发表了24 篇论文，并合作主编及合作撰写国际专著各1部；.4.开展了将上述实验装置仪器化和实用化的研究。本项目主持人得到了国家自然科学基金仪器专项的后续资助。.本课题的成果可直接应用到实时探测诸如飞秒半导体物理、液体中超快过程、化学分子团簇学、化学反应动力学、飞秒激光烧蚀、飞秒激光表面微纳米加工、飞秒激光脉冲激发等离子体、太赫兹探测技术等研究以及其他与微观或介观世界中的飞秒级超快瞬态过程有关的基础和应用基础研究中。