本实用新型涉及光学成像领域，尤其涉及具有皮秒甚至飞秒的时间分辨率的一种超高速光参量放大光学成像系统。
背景技术：
高速光学成像技术在许多领域都有重要应用，例如极速飞片技术、z-pinch炸磁箍缩和可变比冲磁等离子体火箭等极端条件下的科学研究，而在强场物理、激光快速点火、激光等离子体以及飞秒化学领域，超快过程往往处于皮秒甚至飞秒的时间尺度，记录这些瞬态光学过程需要几十皮秒量级的时间跨度，飞秒级时间分辨以及太赫兹量级的帧频；在现有的技术中，转镜高速成像技术主要的摄影频率在106fps～107fps(幅/秒)范围，结合光学加速、网络摄影等技术也只能达到109fps(幅/秒)量级；变像管技术具有波长转换、弱光成像的优势，但其成像的空间带宽积和画幅数量受到电子光学成像系统和电子偏转系统本身的限制，辅之以像分解技术可将摄影频率提高到109fps；随着超短脉冲激光技术的迅速发展，飞秒时间分辨的超快全息成像技术得到飞速发展，振幅分光方位角编码的超短脉冲全息技术已经实现分幅时间达0.3皮秒的超高速成像，利用波前分光方位角编码的超快全息技术也成功得到了4幅皮秒量级分幅间隔的水和cs2非线性变化过程的图像；另外，还出现了波长编码以及偏振编码等技术，但这些技术难以获得十幅以上高时间分辨的光学图像，因此，对于皮秒级极高速光学成像，高时间分辨、高空间带宽积、高分幅频率以及高数量图像拍摄幅数都是至关重要的技术参数；虽然超快光学技术可以获得高时间分辨的光学图像，但如果还要同时满足高空间带宽积、高分幅频率和超过十幅的多幅成像还是面临巨大的技术挑战。
技术实现要素：
本实用新型的主要目的在于提供一种超高速光参量放大光学成像系统，旨在解决现有技术中成像的空间带宽积和画幅数量受到电子光学成像系统本身的限制的技术问题。
为实现上述目的，本实用新型第一方面提供一种超高速光参量放大光学成像系统，包括光源系统、分光延时系统、光参量放大系统及图像记录系统；
所述光源系统包括超短脉冲激光器，及连续或长脉冲激光器，所述超短脉冲激光器用于输出超短脉冲激光并入射至所述光参量放大系统，所述连续或长脉冲激光器用于输出连续或长脉冲激光并入射至所述分光延时系统；
所述分光延时系统，用于对入射的所述连续或长脉冲激光进行分束及延迟处理，得到携带有特定时间延迟的物体信息的多条子光束，所述子光束入射至所述光参量放大系统；
所述光参量放大系统，用于以入射的所述超短脉冲激光为泵浦，对所述子光束进行非共线光参量放大，得到携带有特定时间延迟的物体信息的闲频光列阵，所述闲频光列阵入射至所述图像记录系统；
所述图像记录系统，用于对入射的所述闲频光列阵携带的具有特定时间延迟的物体信息的像进行成像。
进一步的，所述超短激光脉冲入射至一谐波转换器部分转换为高次谐波脉冲，所述高次谐波脉冲用于后续光参量放大器的泵浦光，经所述谐波转换器另一部分未被转换的超短激光脉冲用于产生超快事件，所述输出连续或长脉冲激光照射在放置于成像系统物平面的超快事件携带上物体信息，并入射至所述分光延时系统。
进一步的，所述分光延时系统包括：成像透镜、二元光学元件分束器、准直透镜、光束延迟阵列及缩孔光学系统；
所述成像透镜用于将所述连续或长脉冲激光成像到所述二次光学元件分束器的表面；
所述二次光学元件分束器用于将成像的所述连续或长脉冲激光分束成多个子光束，多个所述子光束入射至所述准直透镜；
所述准直透镜用于使得多个所述子光束的传输方向互相平行，并入射至所述光束延迟阵列；
所述光束延迟阵列用于对入射的多个所述子光束进行延迟，得到携带有特定时间延迟的物体信息的多个子光束，多个所述子光束入射至所述缩孔光学系统；
所述缩孔光学系统用于对多个所述子光束进行缩孔，并入射至所述光参量放大系统。
进一步的，所述光束延迟阵列包括两块阶梯镜，两块所述阶梯镜在阶梯方向互相垂直。
进一步的，所述参量放大系统包括光学延迟器、扩束光学系统、及光参量放大晶体；
所述光学延迟器用于对入射的多个所述子光束进行延迟，并入射至所述扩束光学系统；
所述扩束光学系统用于对入射的所述多个子光束进行扩孔，并入射至所述光参量放大晶体；
所述光参量放大晶体用于以所述超短脉冲激光为泵浦，对入射的多个所述子光束进行非共线光参量放大，得到携带有特定时间延迟的物体信息的闲频光列阵。
进一步的，所述参量放大系统还包括位于所述扩束光学系统及所述光参量放大晶体之间的反射镜及合束器；
所述反射镜用于将所述扩束光学系统扩孔后的多个所述子光束进行反射，并反射至所述合束器；
所述合束器用于将所述入射的多个子光束及超短脉冲激光进行合束，并入射至所述光参量放大晶体。
进一步的，所述图像记录系统包含耦合光学系统及二维ccd阵列系统；
所述耦合光学系统用于所述闲频光列阵携带的物体信息的像成像至所述二维ccd阵列系统的阵列记录面。
本实用新型的有益效果：通过使用分光延时系统对入射的连续或长脉冲激光进行分束及延迟处理，得到携带有特定时间延迟的物体信息的多条子光束，且进一步使用光参量放大系统以入射的超短脉冲激光为泵浦，对上述多条子光束进行非共线光参量放大，得到携带有特定时间延迟的物体信息的闲频光列阵，这些闲频光列阵被图像记录系统接收，即可实现对物体的不同时刻进行成像，还可以实现高空间带宽积、高分幅频率和超过十幅的分幅成像，实现具有皮秒甚至飞秒时间分辨率的超高速光学成像。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例中超高速光参量放大光学成像系统的结构示意图；
图2为本实用新型实施例中超高速光参量放大光学成像系统的另一结构示意图；
图3为本实用新型实施例中超高速光参量放大光学成像系统另一结构示意图；
图4为本实用新型实施例中超高速光参量放大光学成像系统另一结构示意图。
具体实施方式
为使得本实用新型的实用新型目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1至图4，为本实用新型实施例中的超高速光参量放大光学成像系统的结构示意图，该超高速光参量放大光学成像系统包括光源系统101、分光延时系统201、光参量放大系统301及图像记录系统401。
其中，光源系统101包超短脉冲激光器1011及连续或长脉冲激光器1012，超短脉冲激光器1011用于输出超短脉冲激光，连续或长脉冲激光器用于输出连续或长脉冲激光，超短脉冲激光作为泵浦光入射至光参量放大系统301，连续或长脉冲激光照射在放置于成像系统物平面的超快事件携带上物体信息，并入射至分光延时系统201，该超短脉冲激光器1011可以是输出1khz、35fs、3.5w、800nm的ti:s再生放大飞秒激光器，连续激光器则是输出为10w、1064nm、单纵模、单横模、线偏振的连续激光器。
在本实用新型实施例中，超短脉冲激光器1011作为光参量放大系统301的泵浦光及激发超快时间的泵浦光，超高速光参量放大光学系统还包括：高次谐波脉冲501该高次谐波脉冲501用于对超短脉冲激光器输出的初始超短脉冲激光进行部分转换为高次谐波脉冲处理，且约30％转变为400nm的光束，该光束用于后续光参量放大器的泵浦光，另部分未被转换的超短激光脉冲用于产生超快事件，同时，输出连续或长脉冲激光照射在放置于成像系统物平面的超快事件携带上物体信息，并入射至分光延时系统201。其中，该超快事件的寿命约为皮秒级，所以49幅分幅成像要求每幅曝光时间在100飞秒以下，记录时间间隔100飞秒左右。
分光延时系统201，用于对入射的连续或长脉冲激光进行分束及延迟处理，得到携带有特定时间延迟的物体信息的多条子光束，子光束入射至光参量放大系统301，其中，分光延时系统201包括：成像透镜2011、二元光学元件分束器2012、准直透镜2013、光束延迟阵列2014及缩孔光学系统2015，由上述共同组成的4f共焦成像系统，其中，成像透镜2011用于将连续或长脉冲激光成像到二次光学元件分束器2012的表面，二次光学元件分束器2012用于将成像的连续或长脉冲激光分束成多个子光束，该多个子光束入射至准直透镜2013，准直透镜2013用于使得多个子光束的传输方向互相平行，并入射至光束延迟阵列2014，光束延迟阵列2014用于对入射的多个子光束进行延迟，得到携带有特定时间延迟的物体信息的多个子光束，多个子光束入射至缩孔光学系统2015，缩孔光学系统2015则对多个子光束进行缩孔，并入射至光参量放大系统301。其中，光束延迟阵列2015包括两块阶梯镜，两块阶梯镜在阶梯方向互相垂直，通过改变光束延迟阵列材料和调节阶梯镜间的距离大小来决定各子光束间的光学延迟时间的长短。其中，入射至分光延时系统201的连续或长脉冲激光携带有超快事件的物体信息，该超快事件通过二元光学元件分束器2012可以实现取样，分束成7*7束相同的子光束，这些子光束经过一个由49个单元组成的光学延迟阵列2014，且在缩孔后进入光参量放大系统301，同时抵达光参量放大系统的各个子光束携带不同时刻的物体信息，对应的分幅时间间隔由光参量放大系统301中的光学延迟器3011决定。
在本实用新型实施例中，通过分光延时系统201内部各个部件的作用，最终使光束得到延迟，多个子光束入射到光参量放大系统301。
光参量放大系统301用于以入射的超短脉冲激光为泵浦，对子光束进行非共线光参量放大，得到携带有特定时间延迟的物体信息的闲频光列阵，闲频光列阵入射至图像记录系统401，该图像记录系统401用于对入射的闲频光列阵携带的具有特定时间延迟的物体信息的像进行成像。其中，参量放大系统包括光学延迟器3011、扩束光学系统3012、反射镜3013、合束器3014及光参量放大晶体3015，当超短脉冲激光入射到参量放大系统301时，即超短脉冲激光入射到光学延迟器3011，该光学延迟器3011对入射的多个子光束进行延迟，并入射至扩束光学系统，扩束光学系统3012则对入射的多个子光束进行扩孔，并入射至反射镜3013，反射镜3013将扩束光学系统3012扩孔后的多个子光束进行反射，并反射至合束器3014，合束器3014则用于将入射的多个子光束及超短脉冲激光进行合束，并入射至光参量放大晶体3015，光参量放大晶体则用于以超短脉冲激光为泵浦光，对入射的多个子光束进行非共线光参量放大，得到携带有特定时间延迟的物体信息的闲频光列阵，该闲频光列阵入射至扩束光学系统3012并对入射的多个子光束进行扩孔，最终入射至图像记录系统。相应的，各闲频光携带有源自各信号光携带的物体信息。
在本实用新型实施例中，通过调节反射镜3013及合束器3014可以实现对超短脉冲激光与多个子光束之间的非共线角的大小的调整，用于实现带宽、增益最优的光参量放大作用，调节光学延迟器3011则可以控制泵浦光与子光束之间的时间延迟。
在本实用新型实施例中，图像记录系统401包含耦合光学系统4011及二维ccd阵列系统4012，而耦合光学系统4011用于将入射的闲频光列阵携带的物体信息的像成像至二维ccd阵列系统4012的阵列记录面，即可实现通过光学成像耦合系统4011后这些光束被ccd相机组合列阵接收，获得具有特定延迟的多幅时序图像，例如得到49幅分幅时序图像。
通过光源系统的光分别入射于分光延时系统和光参量放大系统，而最终通过利用光束延时阵列使得这些子光束携带具有一定的时间延迟的物体信息同时抵达同一地点，然后利用超短脉冲激光进行泵浦取样，即可实现对物体的不同时刻进行成像，可以实现高空间带宽积、高分幅频率和超过十幅的多幅成像，实现具有皮秒甚至飞秒时间分辨率的超高速光学成像，同时极大地提升了成像的工作效率。
以上仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
1.一种超高速光参量放大光学成像系统，其特征在于：包括光源系统、分光延时系统、光参量放大系统及图像记录系统；
所述光源系统包括超短脉冲激光器及连续或长脉冲激光器，所述超短脉冲激光器用于输出超短脉冲激光并入射至所述光参量放大系统，所述连续或长脉冲激光器用于输出连续或长脉冲激光并入射至所述分光延时系统；
所述分光延时系统，用于对入射的所述连续或长脉冲激光进行分束及延迟处理，得到携带有特定时间延迟的物体信息的多条子光束，所述子光束入射至所述光参量放大系统；
所述光参量放大系统，用于以入射的所述超短脉冲激光为泵浦，对所述子光束进行非共线光参量放大，得到携带有特定时间延迟的物体信息的闲频光列阵，所述闲频光列阵入射至所述图像记录系统；
所述图像记录系统，用于对入射的所述闲频光列阵携带的具有特定时间延迟的物体信息的像进行成像。
2.根据权利要求1所述的超高速光参量放大光学成像系统，其特征在于，所述超短脉冲激光入射至一谐波转换器部分转换为高次谐波脉冲，所述高次谐波脉冲用于后续光参量放大器的泵浦光，经所述谐波转换器另一部分未被转换的超短激光脉冲用于产生超快事件，所述输出连续或长脉冲激光照射在放置于成像系统物平面的超快事件携带上物体信息，并入射至所述分光延时系统。
3.根据权利要求1所述的超高速光参量放大光学成像系统，其特征在于，所述分光延时系统包括：成像透镜、二次光学元件分束器、准直透镜、光束延迟阵列及缩孔光学系统；
所述成像透镜用于将所述连续或长脉冲激光成像到所述二次光学元件分束器的表面；
所述二次光学元件分束器用于将成像的所述连续或长脉冲激光分束成多个子光束，多个所述子光束入射至所述准直透镜；
所述准直透镜用于使得多个所述子光束的传输方向互相平行，并入射至所述光束延迟阵列；
所述光束延迟阵列用于对入射的多个所述子光束进行延迟，得到携带有特定时间延迟的物体信息的多个子光束，多个所述子光束入射至所述缩孔光学系统；
所述缩孔光学系统用于对多个所述子光束进行缩孔，并入射至所述光参量放大系统。
4.根据权利要求3所述的超高速光参量放大光学成像系统，其特征在于，所述光束延迟阵列包括两块阶梯镜，两块所述阶梯镜的阶梯方向互相垂直。
5.根据权利要求2所述的超高速光参量放大光学成像系统，其特征在于，所述参量放大系统包括光学延迟器、扩束光学系统及光参量放大晶体；
所述光学延迟器用于对入射的所述的高次谐波脉冲进行延迟，并入射至所述扩束光学系统；
所述扩束光学系统用于对入射的高次谐波脉冲进行扩孔，并入射至所述光参量放大晶体；
所述光参量放大晶体用于以所述超短脉冲激光为泵浦，对入射的多个所述子光束进行非共线光参量放大，得到携带有特定时间延迟的物体信息的闲频光列阵。
6.根据权利要求5所述的超高速光参量放大光学成像系统，其特征在于，所述参量放大系统还包括位于所述扩束光学系统及所述光参量放大晶体之间的反射镜及合束器；
所述反射镜用于将所述扩束光学系统扩孔后的多个所述子光束进行反射，并反射至所述合束器；
所述合束器用于将所述入射的多个子光束及所述的高次谐波脉冲进行合束，并入射至所述光参量放大晶体。
7.根据权利要求1所述的超高速光参量放大光学成像系统，其特征在于，所述图像记录系统包含耦合光学系统及二维ccd阵列系统；
所述耦合光学系统用于将所述闲频光列阵携带的物体信息的像成像至所述二维ccd阵列系统的阵列记录面。
技术总结