基于飞秒脉冲空时色散和光谱滤波实现的超快全息成像研究

Ultrafast optical imaging plays an important role in the observation of the dynamic of the transient phenomenon. Recording the process of the transient phenomenon in nature not only brings us visual impact but also helps us cognize the instant. Cameras with high frame rate are necessary to capture the rapidly changing events, which spread over our daily life, biomedical science, microfluidics, material analysis and so on. Due to the limitation of the download velocity of the charge carriers, the imaging speed of the conventional electrical sensor array is finite, which is not capable of acquiring the dynamic process with the temporal resolution of nanosecond to femtosecond. In this project, the applicant investigates an ultrafast holographic imaging technique that has the temporal resolution of between picosecond and femtosecond. One femtosecond pulse is used to explore the dispersion performance in time domain, which means the different wavelengths have different time delay. The chirped pulse as a light source is used for imaging. The imaging pulse passes through a spectral filter and several narrow-spectrum sub-pulses are achieved. The time interval between two adjacent sub-pulses are picosecond to femtosecond. The narrow-spectrum sub-pulses are dispersed in space domain using the diffractive elements, and each sub-pulse as one frame is projected onto the different regions of the CCD camera. Based on the interference theory using a reference beam, an ultrafast holographic imaging will be realized. The main parts of the project includes: the study of the time-frequency characteristic of the ultrashort pulse and the sub-pulses, the investigation of the two-dimensional ultrafast imaging and the research of the ultrafast holographic imaging.

超快光学成像对研究超快现象的动态过程起着不可或缺的作用，通过对自然界中的诸多瞬变现象的快速拍摄记录，不仅可以带给人们视觉上的冲击，也有助于理解和认识这些变换过程。在日常生活、生物医学、微流控和材料分析等方面，由于被观察现象的变化速度较快，需要较高帧率的相机完成。然而传统的电子成像传感器受到电载流子下载速度的限制，成像速度有限，尤其在纳秒、皮秒及更高的时间分辨率下无法快速成像。本项目拟研究一种时间分辨率可达皮秒及以上的快速全息成像。基本原理则是一个一定谱宽的超短飞秒脉冲，通过时域色散展宽，其不同波长产生时延，再对物体成像。成像光脉冲通过滤波输出多个窄光谱子脉冲，再通过空间色散，使得每个子脉冲的成像信息记录在CCD/CMOS的不同区域。通过引入参考光束，实现超快全息成像。项目的主要内容包括：脉冲及子脉冲的时频特性分析研究、二维成像系统的研究和超快全息成像系统的研究。

随着人类需求的不断增长，光学显微成像技术在工业、医疗和科研领域有着广泛的应用。为了探索微观世界，并获得高时间、高空间分辨率图像，同时获得二维和三维图像，各种光学成像原理和技术被相继提出和研发出来。本项目围绕宽谱脉冲光源，基于空-频-时映射原理和傅里叶域调制技术，开展了对新型多光谱调控的二维成像和三维成像的研究，并对快速成像进行了模拟论证，其次，将干涉成像技术应用于生物医学领域，对离体和在体生物进行了成像检测和分析。主要研究了高能量超短脉冲在时域展宽中的介质色散和非线性效应作用的问题，探讨了先通过光谱滤波的方法来降低脉冲能量，从而在玻璃介质中实现了以色散为主导的演化过程，大大降低了非线性效应。该过程的分析和研究为频-时映射原理实现的超快成像技术铺平了道路。通过实验，实现了简易的多光谱并行二维成像技术，并对工业样品和生物样品进行了成像应用，该技术不同于现有的多帧成像技术，所有图像可实现一次曝光采集，并无需后端的算法解析，为超快成像和光谱检测领域提供了新的研究思路和技术方案。结合干涉原理，在实验中完成了多光谱的全息成像应用，对钙钛矿材料的结晶体进行了成像分析，并对生物组织样品等进行了应用研究，该原理方案将为超快全息领域提供新的研究思路，尤其是对直接的三维瞬态过程的测量分析提供可行性。