本發(fā)明屬于超快成像，具體涉及一種超短激光脈沖多維時(shí)空整形裝置、結(jié)構(gòu)光超快成像裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、在激光技術(shù)領(lǐng)域，超短脈沖激光器因其極短的脈沖寬度和高峰值功率，被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)，尤其是在超快光學(xué)、超快成像、材料加工和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，超短脈沖激光器顯示出巨大的應(yīng)用潛力。傳統(tǒng)的超短脈沖激光技術(shù)主要集中于生成單個(gè)超短激光脈沖。然而，在許多應(yīng)用場(chǎng)景中，單個(gè)脈沖的能量和信息承載能力有限，難以滿(mǎn)足復(fù)雜系統(tǒng)的需求。因此，如何對(duì)單一的超短激光脈沖進(jìn)行靈活的時(shí)空整形成為研究的熱點(diǎn)。

2、結(jié)構(gòu)光超短激光脈沖序列是一種特殊的光束形態(tài)，通過(guò)時(shí)間和空間上的調(diào)控，使得光束在傳輸和相互作用過(guò)程中具有獨(dú)特時(shí)間和空間分布。結(jié)構(gòu)光超短激光脈沖序列相比于單一結(jié)構(gòu)光，具有更高的傳輸效率和更強(qiáng)的信息處理能力。在這一背景下，研究人員提出了多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)超短激光脈沖的時(shí)空整形，以生成結(jié)構(gòu)光超短激光脈沖序列?，F(xiàn)有的整形方法往往聚焦于只在時(shí)間上的整形，或只在空間上的整形，且大多依賴(lài)于復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)和精密的調(diào)控設(shè)備，存在系統(tǒng)復(fù)雜、調(diào)控精度不高、成本高昂等問(wèn)題。

3、此外，傳統(tǒng)的高速攝影技術(shù)往往受限于幀速率和光源的限制，無(wú)法達(dá)到足夠的時(shí)間分辨率來(lái)捕捉超快速過(guò)程。近年來(lái)，盡管采用了基于非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)的時(shí)間放大技術(shù)和超連續(xù)譜生成技術(shù)來(lái)提升成像速度，但這些方法往往需要依賴(lài)高成本的設(shè)備和復(fù)雜的光學(xué)配置。這些技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨操作復(fù)雜和靈活性不足的問(wèn)題，特別是在需要對(duì)不同時(shí)間尺度進(jìn)行定制和靈活調(diào)節(jié)的幀間隔時(shí)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種超短激光脈沖多維時(shí)空整形裝置、結(jié)構(gòu)光超快成像裝置及方法，能夠?qū)崿F(xiàn)超短激光脈沖多維時(shí)空整形以及高效靈活地對(duì)超快現(xiàn)象進(jìn)行拍攝，且其幀數(shù)量、幀間隔可以被靈活設(shè)定，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈活度高。

2、本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案：

3、第一方面，提供一種超短激光脈沖多維時(shí)空整形裝置，包括沿光路依次設(shè)置的超短脈沖激光器、時(shí)域整形系統(tǒng)和空域整形系統(tǒng)；

4、所述超短脈沖激光器用于產(chǎn)生超短激光脈沖；

5、所述時(shí)域整形系統(tǒng)用于調(diào)整超短激光脈沖的子脈沖數(shù)量、時(shí)間間隔和脈沖寬度，包括沿光路依次設(shè)置的第一光柵、第一凸透鏡、相位調(diào)制器件、第一凸透鏡陣列和第二光柵；

6、所述空域整形系統(tǒng)用于調(diào)整子脈沖的空間光場(chǎng)分布，包括沿光路依次設(shè)置的第二凸透鏡、第二凸透鏡陣列、振幅調(diào)制器件、第三凸透鏡陣列和第三凸透鏡。

7、進(jìn)一步的，所述第一凸透鏡與所述第一光柵之間的距離與所述第一凸透鏡的焦距相同；

8、和/或，所述相位調(diào)制器件與所述第一凸透鏡之間的距離與所述第一凸透鏡的焦距相同，所述相位調(diào)制器件包括具有可編程功能的相位型液晶空間光調(diào)制器，利用其可編程的功能提升對(duì)超短激光脈沖時(shí)域調(diào)制的靈活性。

9、進(jìn)一步的，所述第一凸透鏡陣列包括1*n排列的多個(gè)第一子透鏡，所述第一子透鏡的焦距與所述第一凸透鏡的焦距相同，所述第一凸透鏡陣列與所述相位調(diào)制器件之間的距離與所述第一凸透鏡的焦距相同；

10、和/或，所述第二光柵與所述第一凸透鏡陣列之間的距離與所述第一凸透鏡的焦距相同，所述第二光柵與所述第一光柵的刻線(xiàn)密度相同。

11、進(jìn)一步的，所述第二凸透鏡的焦距大于所述第一凸透鏡的焦距，所述第二凸透鏡與所述第二光柵之間的距離為第二凸透鏡焦距與第一凸透鏡焦距之差；

12、和/或，所述第二凸透鏡陣列包括1*n排列的多個(gè)第二子透鏡，所述第二子透鏡的數(shù)量與所述第一凸透鏡陣列中第一子透鏡的數(shù)量相同，所述第二子透鏡的焦距與所述第二凸透鏡的焦距相同，所述第二凸透鏡陣列與所述第二凸透鏡之間的距離為第二凸透鏡焦距的2倍。

13、進(jìn)一步的，所述振幅調(diào)制器件包括具有可編程功能的數(shù)字微鏡器件，利用其可編程的功能提升對(duì)超短激光脈沖空域調(diào)制的靈活性；

14、和/或，所述第三凸透鏡陣列包括1*n排列的多個(gè)第三子透鏡，所述第三子透鏡的數(shù)量與所述第一凸透鏡陣列中第一子透鏡的數(shù)量相同，所述第三子透鏡的焦距與所述第三凸透鏡的焦距相同，所述第三凸透鏡陣列與所述振幅調(diào)制器件之間的距離與所述第三凸透鏡的焦距相同；

15、和/或，所述第三凸透鏡與所述第三凸透鏡陣列之間的距離為所述第三凸透鏡焦距的2倍。

16、進(jìn)一步的，還包括沿光路方向設(shè)于所述空域整形系統(tǒng)后方的檢測(cè)系統(tǒng)；所述檢測(cè)系統(tǒng)包括用于檢測(cè)時(shí)域整形結(jié)果的自相關(guān)儀和用于檢測(cè)空域整形結(jié)構(gòu)的超快相機(jī)。

17、第二方面，提供一種超短激光脈沖多維時(shí)空整形方法，采用第一方面所述超短激光脈沖多維時(shí)空整形裝置實(shí)現(xiàn)，所述方法包括以下步驟：

18、超短脈沖激光器產(chǎn)生超短激光脈沖；

19、所述超短激光脈沖入射至?xí)r域整形系統(tǒng)，依次經(jīng)過(guò)第一光柵、第一凸透鏡、相位調(diào)制器件、第一凸透鏡陣列和第二光柵，以調(diào)整超短激光脈沖的子脈沖數(shù)量、時(shí)間間隔和脈沖寬度，得到按照衍射角傳播的多束互相不平行的平行光；

20、所述按照衍射角傳播的多束互相不平行的平行光繼續(xù)入射至空域整形系統(tǒng)，依次經(jīng)過(guò)第二凸透鏡、第二凸透鏡陣列、振幅調(diào)制器件、第三凸透鏡陣列和第三凸透鏡，以調(diào)整子脈沖的空間光場(chǎng)分布，得到多個(gè)結(jié)構(gòu)光脈沖，完成多維時(shí)空整形。

21、進(jìn)一步的，所述超短激光脈沖入射至?xí)r域整形系統(tǒng)時(shí)，首先入射至第一光柵，被空間色散為多個(gè)不同波長(zhǎng)的光，再經(jīng)過(guò)第一凸透鏡，使不同波長(zhǎng)的光按照相互平行的趨勢(shì)傳播；根據(jù)需要輸出脈沖序列的數(shù)量，將相位調(diào)制器件按照不同波長(zhǎng)范圍分為n個(gè)區(qū)域，按照每個(gè)區(qū)域設(shè)定的子脈沖數(shù)量、時(shí)間間隔、脈沖寬度、峰值功率等時(shí)域性質(zhì)設(shè)置不同的相位調(diào)制模式，不同波長(zhǎng)的光經(jīng)過(guò)相位調(diào)制器件后調(diào)整至所需時(shí)域性質(zhì)的n個(gè)區(qū)域的光；隨后，所述n個(gè)區(qū)域的光經(jīng)過(guò)第一凸透鏡陣列分別匯聚至第二光柵，第二光柵將n束匯聚的光轉(zhuǎn)化為n束互相不平行的平行光，按照衍射角繼續(xù)向后傳播。

22、進(jìn)一步的，所述按照衍射角傳播的多束互相不平行的平行光繼續(xù)入射至空域整形系統(tǒng)時(shí)，先經(jīng)過(guò)第二凸透鏡，將n束互相不平行的平行光按照互相平行的趨勢(shì)傳播，經(jīng)過(guò)第二凸透鏡陣列，將n束光匯聚，并以互相平行的趨勢(shì)繼續(xù)傳播；然后，匯聚的n束平行光入射至振幅調(diào)制器件，將所述振幅調(diào)制器件相對(duì)應(yīng)地分為n個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域根據(jù)所需加載結(jié)構(gòu)光的條紋周期、條紋方向等參數(shù)設(shè)置振幅調(diào)制模式，出射的n個(gè)脈沖共同組成結(jié)構(gòu)光脈沖序列；隨后，經(jīng)過(guò)第三凸透鏡陣列，對(duì)n個(gè)結(jié)構(gòu)光脈沖分別成像，經(jīng)過(guò)第三凸透鏡，將n個(gè)結(jié)構(gòu)光脈沖分別以不同角度照射出去。

23、第三方面，提供一種結(jié)構(gòu)光超快成像裝置，包括第一方面所述的超短激光脈沖多維時(shí)空整形裝置，還包括沿光路方向設(shè)于所述超短激光脈沖多維時(shí)空整形裝置后方的樣品拍攝臺(tái)、成像系統(tǒng)和高速相機(jī)；

24、所述樣品拍攝臺(tái)用于放置樣品；

25、所述成像系統(tǒng)用于對(duì)樣品的超快過(guò)程進(jìn)行成像，并將圖像聚焦于高速相機(jī)，包括沿光路依次設(shè)置的物鏡和第四凸透鏡；

26、所述高速相機(jī)用于拍攝疊加在一起的多幀帶結(jié)構(gòu)光信息的超快圖像。

27、進(jìn)一步的，所述樣品拍攝臺(tái)與所述第三凸透鏡之間的距離與所述第三凸透鏡的焦距相同；

28、和/或，所述物鏡與所述樣品拍攝臺(tái)之間的距離為物鏡的工作距離；

29、和/或，所述第四凸透鏡的焦距=物鏡的焦距*物鏡的放大倍數(shù)，所述第四凸透鏡與所述物鏡之間的距離為所述物鏡的焦距與所述第四凸透鏡的焦距之和；

30、和/或，所述高速相機(jī)與所述第四凸透鏡之間的距離與所述第四凸透鏡的焦距相同。

31、第四方面，提供一種結(jié)構(gòu)光超快成像方法，采用第三方面所述的結(jié)構(gòu)光超快成像裝置實(shí)現(xiàn)，所述方法包括以下步驟：

32、超短脈沖激光器產(chǎn)生超短激光脈沖；

33、所述超短激光脈沖入射至?xí)r域整形系統(tǒng)，依次經(jīng)過(guò)第一光柵、第一凸透鏡、相位調(diào)制器件、第一凸透鏡陣列和第二光柵，以調(diào)整超短激光脈沖的子脈沖數(shù)量、時(shí)間間隔和脈沖寬度，得到按照衍射角傳播的多束互相不平行的平行光；

34、所述按照衍射角傳播的多束互相不平行的平行光繼續(xù)入射至空域整形系統(tǒng)，依次經(jīng)過(guò)第二凸透鏡、第二凸透鏡陣列、振幅調(diào)制器件、第三凸透鏡陣列和第三凸透鏡，以調(diào)整子脈沖的空間光場(chǎng)分布，得到多個(gè)結(jié)構(gòu)光脈沖，并以不同角度照射至樣品拍攝臺(tái)的樣品處；

35、成像系統(tǒng)中的物鏡對(duì)樣品的超快過(guò)程進(jìn)行成像，然后通過(guò)第四凸透鏡將圖像聚焦于高速相機(jī)，通過(guò)高速相機(jī)拍攝疊加在一起的多幀帶結(jié)構(gòu)光信息的超快圖像；

36、根據(jù)每一幀結(jié)構(gòu)光的性質(zhì)，使用頻譜濾波算法，將疊加圖像還原成拍攝到的多幀圖像。

37、進(jìn)一步的，所述頻譜濾波算法包括：對(duì)拍攝到的疊加圖像進(jìn)行二維傅里葉變換；由于拍攝每一幀樣品的結(jié)構(gòu)光具有不同的條紋方向和條紋密度，反映在頻譜中表現(xiàn)為不同的頻率位置；設(shè)定特殊的頻譜濾波器，抓取特定的頻率組分，即為所拍攝的每一幀圖片。

38、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

39、（1）本發(fā)明提供的超短激光脈沖多維時(shí)空整形裝置和方法，對(duì)超短脈沖激光器產(chǎn)生的單一超短激光脈沖進(jìn)行多維度整形，具體包括：在時(shí)間域上，通過(guò)相位調(diào)制器件聯(lián)合第一光柵、第一凸透鏡、第一凸透鏡陣列和第二光柵，調(diào)整了子脈沖數(shù)量、時(shí)間間隔、脈沖寬度和峰值功率等時(shí)域性質(zhì)；在空間域上，通過(guò)引入振幅調(diào)制器件，聯(lián)合第二凸透鏡、第二凸透鏡陣列、第三凸透鏡陣列和第三凸透鏡，靈活改變每個(gè)子脈沖結(jié)構(gòu)光條紋的周期、方向等性質(zhì)，以調(diào)整子脈沖的空間光場(chǎng)分布，從而實(shí)現(xiàn)超短激光脈沖多維時(shí)空整形；裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，靈活度極高，可以直接適用于超快結(jié)構(gòu)光成像、超短脈沖結(jié)構(gòu)光加工、超快光學(xué)檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域；

40、（2）本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)光超快成像裝置和方法，以前述超短激光脈沖多維時(shí)空整形裝置和方法為基礎(chǔ)，結(jié)合成像系統(tǒng)和頻譜濾波算法，能夠還原得到每一幀超快圖像；裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，超快成像幀數(shù)量、幀間隔可控，操作簡(jiǎn)便，靈活度極高。