基于脈沖數(shù)字全息術(shù)的實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)研究.pdf

1、脈沖數(shù)字全息術(shù)是一種超短激光脈沖與數(shù)字全息術(shù)結(jié)合的新型探測(cè)手段，在三維形貌測(cè)量、超分辨、超快過程探測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，利用該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)THz電場(chǎng)的三維時(shí)空分布、飛秒激光誘導(dǎo)的超快過程演變等的研究。本文針對(duì)現(xiàn)有研究中存在的探測(cè)角度不固定、僅能實(shí)現(xiàn)3幀實(shí)時(shí)探測(cè)、探測(cè)時(shí)間分辨率不可調(diào)、探測(cè)空間分辨率低、探測(cè)裝置復(fù)雜程度高等問題，開展了可調(diào)節(jié)脈沖間隔的超短激光脈沖分束、儀器化的多幀脈沖數(shù)字全息實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、提高空間分辨率的數(shù)值重構(gòu)方

2、法、基于空間角分復(fù)用系統(tǒng)的超快過程探測(cè)的研究工作，具體內(nèi)容有:
　　1:脈沖數(shù)字全息術(shù)實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)的研究。分析了脈沖數(shù)字全息復(fù)用系統(tǒng)的復(fù)用能力。研究設(shè)計(jì)基于單個(gè)CCD記錄的8幀脈沖CCD測(cè)試系統(tǒng)和基于多個(gè)CCD記錄的16幀脈沖數(shù)字全息系統(tǒng)。研究如何調(diào)節(jié)系統(tǒng)的探測(cè)時(shí)間分辨率以及如何提高空間分辨率的數(shù)值重構(gòu)方法。研究如何實(shí)現(xiàn)探測(cè)幀數(shù)分檔可調(diào)的功能以及設(shè)計(jì)儀器化的脈沖數(shù)字全息實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)。
　　2:研究產(chǎn)生共線傳輸?shù)奈锕庥杳}沖串。

3、研究利用級(jí)聯(lián)的雙折射晶體產(chǎn)生共線傳輸?shù)奈锕庾用}沖串。研究設(shè)計(jì)雙楔形雙折射晶體產(chǎn)生脈沖間隔連續(xù)可調(diào)的物光子脈沖串。并設(shè)計(jì)了多種機(jī)械調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，各個(gè)機(jī)械調(diào)節(jié)方案均能實(shí)現(xiàn)晶體有效厚度的連續(xù)調(diào)節(jié)。通過干涉實(shí)驗(yàn)和自相關(guān)儀測(cè)試了所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的脈沖間隔可調(diào)節(jié)能力。設(shè)計(jì)了三楔形的雙折射晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生子脈沖間無橫向錯(cuò)位且脈沖間隔連續(xù)可調(diào)的分束方案。設(shè)計(jì)了基于薄膜分束鏡和組合延遲線的脈沖間隔在大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的聯(lián)動(dòng)分束方案。
　　3:研究產(chǎn)生多種空間角度傳

4、輸?shù)膮⒖脊庾用}沖串。在8幀和16幀脈沖數(shù)字全息系統(tǒng)采用不同的設(shè)計(jì)方案。8幀脈沖數(shù)字全息系統(tǒng)中參考光子脈沖串通過薄膜分束鏡、光束延遲拔高器及反射鏡組合產(chǎn)生。提出兩種可用于16幀脈沖數(shù)字全息系統(tǒng)的參考光分束方案。首先是基于沃拉斯頓棱鏡的時(shí)空分布可調(diào)的參考光分束方案，其次是基于沃拉斯頓棱鏡的空間角度可調(diào)節(jié)的參考光子脈沖產(chǎn)生方法。
　　4:基于脈沖數(shù)字全息術(shù)的數(shù)值重構(gòu)方法的研究。利用立體角分復(fù)用技術(shù)拓展超短脈沖數(shù)字全息術(shù)的探測(cè)面積，在不降

5、低探測(cè)時(shí)間分辨率的前提下有效的拓展了全息記錄的面積。為提高圖像再現(xiàn)質(zhì)量提出的空域迭代方法和非線性濾波方法消除數(shù)字全息零級(jí)像，這兩種方法均只需要單幅全息圖采集，數(shù)據(jù)處理時(shí)間快，在超快過程探測(cè)方面提供了一種更有效的手段，并從理論推導(dǎo)，數(shù)值模擬，實(shí)驗(yàn)結(jié)果三個(gè)方面驗(yàn)證了所提方法的有效性。
　　5:搭建了8幀角分復(fù)用脈沖數(shù)字全息系統(tǒng)，探測(cè)了飛秒激光誘導(dǎo)的空氣等離子體超快瞬態(tài)過程。數(shù)值再現(xiàn)了超快等離子體的振幅和相位演變。結(jié)果表明利用角分復(fù)用脈

6、沖數(shù)字全息可以實(shí)現(xiàn)飛秒級(jí)的超快瞬態(tài)過程采樣。分析了CCD位數(shù)對(duì)復(fù)用數(shù)量的影響。
　　本研究取得的創(chuàng)新性工作為:
　　1:設(shè)計(jì)了一種基于雙楔形雙折射晶體的飛秒脈沖分束方法。并獲得專利授權(quán)“一種脈沖間隔和數(shù)量可調(diào)節(jié)的超短激光脈沖分束方法及其裝置”，授權(quán)號(hào):201110397464.7。同時(shí)，為補(bǔ)償脈沖間的橫向錯(cuò)位，還提出一種基于三楔形晶體結(jié)構(gòu)的脈沖間隔連續(xù)可調(diào)的分束方法和裝置，并申請(qǐng)專利“一種連續(xù)調(diào)節(jié)脈沖間隔的方法和裝置”，申請(qǐng)

7、號(hào):201410167969.8。
　　2:為突破雙折射晶體僅能產(chǎn)生小于數(shù)ps的分束脈沖間隔的限制，還設(shè)計(jì)了一種脈沖間隔同步可調(diào)且脈沖間隔可在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)的聯(lián)動(dòng)脈沖分束方法。該部分工作正在申請(qǐng)專利“脈沖間隔同步可調(diào)的大延遲脈沖間隔飛秒激光多脈沖分束方法”。
　　3:為便捷的利用商用自相關(guān)儀測(cè)試分束參數(shù)，提出了一種獲得飛秒激光雙脈沖間隔、脈沖寬度和強(qiáng)度比的方法。該部分工作專利申請(qǐng)“一種飛秒激光多脈沖脈沖間隔、寬度和能量的測(cè)量方

8、法”，申請(qǐng)?zhí)?201410167747.6
　　4:設(shè)計(jì)了一種基于沃拉斯頓棱鏡的時(shí)空分布可調(diào)的參考光分束方法。該工作申請(qǐng)了中國(guó)專利“一種時(shí)空分布可調(diào)的超短激光脈沖分束方法及裝置”，申請(qǐng)?zhí)?201410089655.0。此外，還設(shè)計(jì)了基于沃拉斯頓棱鏡的空間多角度參考光束產(chǎn)生方法，該工作正在申請(qǐng)專利“空間多角度傳輸光束的產(chǎn)生方法”。
　　5:為了在保證探測(cè)分辨率不降低的情況下，拓展可記錄的物光波前區(qū)域。提出采用立體角分復(fù)用技術(shù)拓

9、展超短脈沖離軸數(shù)字全息術(shù)中的物光可探測(cè)面積的方法。利用立體角分復(fù)用技術(shù)，通過多個(gè)參考光波與同一物光波不同區(qū)域的同時(shí)干涉，實(shí)現(xiàn)探測(cè)面積的拓展。該部分工作發(fā)表在Optics Letters和光學(xué)學(xué)報(bào)雜志上。
　　6:提出空間域的數(shù)值迭代方法和非線性濾波方法來消除數(shù)字全息的零級(jí)像?？臻g域的數(shù)值迭代避免了正反傅里葉變換，極大的減少了計(jì)算的工作量。且避免了濾波窗口選擇的主觀性。提出的非線性濾波方法具有對(duì)物光和參考光的強(qiáng)度比的依賴性小，對(duì)全息

10、圖的頻譜分布無要求，包含的對(duì)數(shù)處理過程能抑制全息圖的亮度范圍、提高全息圖的灰度級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。兩種方法都僅需要單幅全息圖采集，為快速的全息記錄和再現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。該部分工作分別發(fā)表在OpticsExpress和Optics Communications雜志上。
　　7:搭建了8幀脈沖數(shù)字全息實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)通過立體角分復(fù)用技術(shù)記錄了無物體時(shí)的復(fù)合全息圖，靜態(tài)分辨率板的復(fù)合全息圖，飛秒激光誘導(dǎo)的空氣等離子體的復(fù)合全息圖。并且數(shù)字再現(xiàn)了靜態(tài)