记录飞秒级超快动态过程的脉冲数字全息技术

采用脉冲数字全息技术实现对飞秒级超快动态过程的数字显微全息记录.其中，全息记录系统将单脉冲分割成具有飞秒至皮秒量级时间延迟的角度相同的物光子脉冲序列和具有同样时间延迟的角度不同的参考光子脉冲序列，并以空间角分复用的方式在普通CCD的一帧图像上记录下包含多张子全息图的复合全息图，然后通过数字傅里叶变换和数字滤波的方法，分别再现出每张子全息图所记录的图像.通过对飞秒激光激发空气电离过程的全息记录，获得了具有飞秒时间分辨的等离子体形成和传播过程的动态图像. 关键词： 超短脉冲激光 飞秒全息 脉冲数字全息 空间角分复用     

反射型体全息光栅对超短脉冲激光光束衍射的性质

在光栅记录介质色散效应的影响下,拓展Kogelnik的耦合波理论研究了反射型体全息光栅对偏振方向垂直和平行于入射面的超短脉冲激光光束衍射的性质。结果表明对于记录在LiNbO3光折变晶体中的体全息光栅,在色散效应、光栅参量和入射条件的共同影响下,光栅对偏振方向垂直于入射面的超短脉冲激光光束衍射的光谱带宽大于对偏振方向平行于入射面的超短脉冲激光光束衍射的光谱带宽,在不考虑光栅介质色散效应的影响时,它们都变大。进一步给出了衍射光的光谱带宽及光栅的衍射效率随入射脉冲的光谱带宽与光栅的光谱带宽比值的变化情况。     

时域超短脉冲光栅记录和读取的研究

为实现超短脉冲信号的重现或整形,从理论上推导了时域超短脉冲光栅的记录和读取,并结合高斯型脉冲分布,讨论了信号脉冲、参考脉冲和读出脉冲宽度不同时的衍射结果,提出了利用超短脉冲全息实现超短脉冲信号的重现或整形等功能的方法.结果发现,长信号脉冲和短参考脉冲干涉记录全息后,如果用足够短的脉冲读取,衍射完全再现了原输入信号脉冲.但是在读出脉冲带宽接近于信号带宽时,衍射波频谱宽度有一定程度减小.     

超短脉冲激光选通电子学全息成象系统研究

本文介绍了最早到达光概念,分析了超短脉冲激光电子学全息实现选通最早到达光成象的原理.用超短脉冲激光拍摄全息图,相当于用多色光记录全息图,当用单色光再现这种全息图时,会给再现象造成一个模糊量.在一般全息理论中,只讨论了采用单色光记录全息图,复色光再现所造成的模糊量.因此,本文中讨论的是一个与此相反的问题,即用多色光记录全息图,单色光再现的情况,并且着重讨论了超短脉冲激光记录全息图的情况.最后得出结论,在用超短脉冲激光拍摄全息图时,最好采用象面全息术.     

超短脉冲激光选通电子学全息成象系统研究

本文介绍了最早到达光概念，分析了超短脉冲激光电子学全息实现选通最早到达光成象的原理．用超短脉冲激光拍摄全息图，相当于用多色光记录全息图，当用单色光再现这种全息图时，会给再现象造成一个模糊量．在一般全息理论中，只讨论了采用单色光记录全息图，复色光再现所造成的模糊量．因此，本文中讨论的是一个与此相反的问题，即用多色光记录全息图，单色光再现的情况，并且着重讨论了超短脉冲激光记录全息图的情况．最后得出结论，在用超短脉冲激光拍摄全息图时，最好采用象面全息术．     

超宽光谱掺钛蓝宝石飞秒激光器时域频域特性的实验研究

系统地研究了超宽光谱（Δλ>100nm）情况下,掺钛蓝宝石飞秒激光振荡器时域和频域特性,观测到腔内光谱从40nm带宽的sech²型演化至180nm带宽的多峰结构,以 及脉冲在时域相应的成型过程.实验表明随着光谱的加宽,脉冲的变窄主要体现在其中部,而脉冲底部并未变窄,其包含的能量反而相对增加. 关键词： 掺钛蓝宝石激光器 飞秒脉冲 超宽光谱 时频特性     

应用波分复用技术实现飞秒级超快动态过程的脉冲数字显微全息记录

采用波分复用方法实现飞秒级超快动态过程的脉冲数字显微全息记录和再现。在全息记录过程中,利用BBO倍频晶体对入射激光进行倍频,将基波和谐波分光,并经时间延迟后进入迈克耳孙干涉仪,从而可应用波分复用技术,先后在CCD的一帧图像上记录两张具有不同空间频率的子全息图。采用这种方法,实现了对单脉冲飞秒激光激发空气电离的超快动态过程的全息记录,并通过数字傅里叶变换和数字滤波的方法,分别再现出每张子全息图记录的波前,从而获得了具有飞秒时间分辨的空气等离子体形成和传播过程的动态振幅和相位图像,其单次曝光时间为50 fs,曝光时间间隔为400 fs,相应的曝光频率约为2.5×1012f/s。     

不同入射脉冲强度线性啁啾对BaF2晶体交叉偏振波输出特性影响的数值模拟研究

在超短飞秒激光技术中,基于Ba F2晶体三阶非线性效应的交叉偏振波技术是目前最重要的提高脉冲时域对比度的手段之一.针对不同入射脉冲强度下入射脉冲的线性啁啾对Ba F2晶体交叉偏振波的输出特性,包括转换效率、光谱加宽和时域压缩的影响进行了详细的数值模拟和讨论.特别地,详细对比研究了非饱和及强入射脉冲情况下线性啁啾对交叉偏振波输出脉冲光谱加宽的影响.结果表明,在强入射脉冲情况下,交叉偏振波的光谱加宽量从非饱和情况下相对于零点线性啁啾时的对称结构,变得不再具有对称性,并对产生非对称性的原因进行了详细的物理解释.     

超短脉冲激光光束在一维反射型体全息光栅中的衍射

基于Kogelnik的耦合波理论,研究了在色散效应的影响下,超短脉冲激光光束在反射型体全息光栅中衍射的性质.研究给出了衍射光及透射光在频谱域及时间域的振幅及强度分布、光栅的光谱宽度及衍射效率随光栅参量及入射条件的变化.数值研究的结果表明,在光栅记录介质色散效应的影响下,衍射光束的光谱宽度减小,脉冲展宽,衍射效率降低.通过适当的选取光栅参量及入射条件,可以控制衍射和透射光束的频谱和时间强度分布,得到满意的衍射和透射光束的带宽和波形,从而可以将其应用于脉冲整形等技术中.     

不同入射脉冲强度线性啁啾对BaF2晶体交叉偏振波输出特性影响的数值模拟研究

在超短飞秒激光技术中, 基于BaF₂晶体三阶非线性效应的交叉偏振波技术是目前最重要的提高脉冲时域对比度的手段之一. 针对不同入射脉冲强度下入射脉冲的线性啁啾对BaF₂晶体交叉偏振波的输出特性, 包括转换效率、光谱加宽和时域压缩的影响进行了详细的数值模拟和讨论.特别地, 详细对比研究了非饱和及强入射脉冲情况下线性啁啾对交叉偏振波输出脉冲光谱加宽的影响. 结果表明, 在强入射脉冲情况下, 交叉偏振波的光谱加宽量从非饱和情况下相对于零点线性啁啾时的对称结构, 变得不再具有对称性, 并对产生非对称性的原因进行了详细的物理解释.     

All optical parallel-to-serial conversion by modified spectral holography structure

In this paper, a modified spectral holography structure is demonstrated. Combining the direct space-to-time pulse shaping theory with the modified structure, we can convert a spatial domain x–y image into a y–t image, where one spatial dimension is now transformed into the time domain. Thus we realize the space-to-time or parallel-to-serial conversion. As an example, we generate the temporal equivalent of letter “A”, where each pixel of the image is now represented by a short optical pulse. As a possible application of our scheme, we demonstrate the generation of trains of a femtosecond pulse sequence by our structure. The results of the paper can be applied in ultrashort pulse shaping, ultrafast communication and other relevant areas.     

Cross-talk prevention in optical dynamic measurement

In interferometry-based optical dynamic measurement, single high-speed camera or photodetector is normally adopted to avoid critical alignment and synchronization problems. Due to the rapid development of high-speed cameras and photodetectors, the signal obtained is sufficient to encode different dynamic informations. However, cross-talk problem always exists. In order to avoid the influence of cross-talk, well-designed carriers must be adopted in either spatial or temporal domain. In this paper, we will present two applications on cross-talk prevention in optical dynamic measurement. The first one is a camera-based dual-wavelength image-plane digital holography. In this application, the direction of two spatial carriers is designed to encode information of two wavelengths at different areas of the spectrum. Two phase maps can be retrieved from one hologram. The second application is a spatially encoded multi-beam laser Doppler vibrometry using a single detector. It encodes vibration information of 20 points on separated frequency ranges. Three methods that can bypass the cross-talk are discussed. The experiment verifies it is possible to do a precise vibration measurement on a 4×5 matrix simultaneously using a single photodetector.     

Two-Dimensional Optical Data Transmission with Space-Time Conversion Combined with Code Division Multiple Access

A new scheme for two-dimensional parallel data transmission with a femtosecond laser pulse through a single-mode fiber, which is based upon one-dimensional space-time conversion technique in conjunction with code division multiple access (CDMA), is implemented and numerically demonstrated. Since many one-dimensional spatial data, which are encoded with their own M-sequence code, must be embedded in a single pulse, the bit-error rate performance degrades compared with conventional CDMA driven by many unsynchronized pulses. Still, two-dimensional digital images in a 16 bits × 16 bits plane (256-bits parallel data) are successfully transmitted by a single femtosecond laser pulse at an equivalent transmission rate of 1.6 Tbit/s and recovered by spectral holography.     

基于空间光调制器的非相干数字全息单次曝光研究

菲涅耳非相干相关全息术(Fresnel incoherent correlation holography,FINCH)利用在空间光调制器(spatial light modulator,SLM)上加载双透镜模式对同一物点光分束自相干,并通过改变加载的相位因子得到不同的相移全息图.本系统利用SLM可分区编码调制特性,将FINCH成像中SLM上分三次加载的0°,120°,240°相位双透镜掩模各提取1/3组成一幅复合相移模式加载,并研究了三种相位分布方式对FINCH成像质量的影响.结果表明:三个相位在SLM上分布间隔越大,再现像越清晰.在此基础上,提出了一种新的掩模加载方式,在SLM加载透镜阵列,每一个相位因子对应一个双透镜,具有一个光轴.实验表明,通过这种加载方式,通过SLM后形成的三个相移图能够一次在电荷耦合器上记录,并且三个相移图不重叠,然后通过MATLAB编程计算将不同相移角度的全息图分别提取出来,通过三步相移计算合成一幅包含有物光波的复值全息图,最后通过数值再现算法重建待测样品.此系统可用于对光源相干性较低的实时成像系统,也为微小形变测量、动态物体的观测提供了新方法,为非相干数字全息术的发展提供了新思路.     

光学扫描全息术研究进展

光学成像技术极大地拓展了人类的视觉极限,提高了人们观察和理解现实世界的能力。越多地获得目标的光学信息,对其的认识越充分。数字全息术是一种可以将样本的三维信息以二维全息图的形式编码记录下来的一种成像技术。通过获得由携带物体信息的物光波和参考光波叠加产生的干涉图案,可以以数字化的方式实现多种重建模态,例如图像恢复、相位成像和切片成像等。光学扫描全息术是一种独特的数字全息成像技术,通过主动式二维化扫描对三维物体进行成像,其完整的波前信息可以被单像素探测器记录,并基于光外差检测进行信号解调,从而恢复出复数全息图。对光学扫描全息术的最新进展进行介绍。首先,基于双光瞳成像系统,通过特殊的硬件和算法设计,提高光学成像系统的性能,如提高空间分辨率、缩短扫描时间。其次,基于计算成像原理,通过改进和优化全息像重建算法,实现高质量的图像恢复,主要涉及切片成像和三维成像等重建模态。第三,介绍光学扫描全息术的其他研究方向,并讨论该领域未来可能的发展方向。     

基于瞬态光栅频率分辨光学开关法测量飞秒脉冲的研究

超宽光谱的飞秒脉冲测量一直是超快激光领域的重要研究方向之一.常规的飞秒脉冲自相关方法是通过测量自相关倍频信号来获得,而倍频信号具有波长选择性,不同中心波长的飞秒脉冲测量需要更换不同的倍频晶体,十分不方便.因此,提出了一种改进型的瞬态光栅频率分辨光学开关(TG-FROG)方法用于测量飞秒脉冲.该方法结合四波混频和频率分辨光学开关方法,其基本过程是将待测脉冲分为三束,其中两束脉冲经过精密的延时控制并聚焦在光学介质上达到时空重合,利用三阶非线性效应产生稳定的瞬态光栅作为开关光;另一束脉冲作为探测光与产生的瞬态光栅进行相互作用产生一个信号光,使用光谱仪对该信号光的光谱与延迟时间进行测量,并通过反演迭代算法处理而获取待测飞秒脉冲的光谱与电场信息.该方法只需要待测光的功率密度达到三阶非线性效应就可以实现测量,因此可以应用于任意中心波长的飞秒脉冲测量.利用该方法对中心波长分别为800 nm, 400 nm的飞秒脉冲,以及超连续亚10 fs的周期量级超宽光谱飞秒脉冲进行了测量,并与常规的干涉自相关仪器测量结果进行了比较,所得测量结果基本一致.实验结果表明,建立的基于TG-FROG方法对不同中心波长,不同脉冲宽度的飞秒脉冲测量是十分有效的.     

超短脉冲激光电子学全息选通透过散射介质成象系统的噪音分析

本文详细分析了超短脉冲激光电子学全息选通透过散射介质成象系统的噪音因素，其噪音来源主要有电子学全息图的记录过程、再现过程以及ＣＣＤ自身的噪音、系统光学元件产生的噪音等等，提出了相应的噪音处理措施．     

Plasma-induced spatiotemporal modulation of propagating femtosecond pulses

The dynamics of the femtosecond pulse propagation in a plasma channel is investigated by the pumpprobe longitudinal diffractometry and second harmonic generation frequency-resolved optical gating (SHGFROG) technique. The spatial characteristics, corresponding to the electronic density and the size of the channel, can be observed by the recorded ring pattern, and the spectral and temporal characteristics are recorded by the SHG-FROG traces. The spatiotemporal characteristics will help us to better understand the dynamics of the plasma induced by the femtosecond pulse and the femtosecond pulse propagating in the plasma channel.     

菲涅耳非相干数字全息大视场研究

菲涅尔非相干相关全息术(Fresnel incoherent correlation holography, FINCH)通过空间光调制器(spatial light modulator, SLM)将来自物点的光波分解为曲率半径不同的两束自相干光,干涉条纹由CCD记录.由于受限于SLM与CCD的像素数目及像素尺寸, FINCH技术与光学全息术相比记录视场要小得多.本文通过对FINCH系统的记录过程进行理论分析,给出了SLM所能记录的视场角,说明通过调控加载在SLM上的双透镜光轴中心,能够扩大SLM的有效直径从而将SLM的有效记录范围增大2.77倍,有效扩大了系统的记录视场.搭建了非相干光反射式数字全息记录系统并对理论分析进行了实验验证,结果表明:在SLM上依次加载不同光轴中心位置的双透镜掩模进行FINCH记录及再现,将得到的各子图像拼接融合可以得到高分辨率大视场图像,为菲涅尔非相干全息术在高分辨大视场显微成像的进一步应用提供了有力支撑.     

光学扫描全息术的推广

给出了光学扫描全息术的基本原理。记录时用实时 FZP与物体强度透射率发生卷积从而产生扫描全息图 ;再现时用与记录时相对应的 FZP与全息图信号发生卷积即可再现出物体的信息。推广了光学扫描全息术 ,提出只要某一实时的光场强度分布函数具有如下性质 :(l)该函数中含有 x,y,z参量且相对于 z参量具有圆对称性 ;(2 )对于某一确定的 z参量 ,该函数的自相关是δ函数 ,就可以把该光场作为光学扫描全息术中的照明光场对物体进行扫描记录以得到扫描全息图。