基于飞秒门控啁啾超连续谱的物体形貌测量研究

光学三维表面形貌测量技术具有非接触、精度高、速度快，易于在计算机控制下实现自动化测量等优点，在现代科学研究和工业生产中起着非常重要的作用。基于飞秒门控啁啾超连续谱的物体形貌测量是一种利用光克尔门调控飞秒激光产生的啁啾超连续谱进行物体形貌测量的技术。该技术的最大特点是兼具高时间分辨率与纵向空间分辨率，特别适合于快速运动物体的瞬态三维形貌测量以及散射介质中运动物体的瞬态成像。本项目拟利用飞秒激光在介质中的成丝效应产生稳定均匀的啁啾超连续谱源，对其传输过程的啁啾结构变化与调控进行理论与实验研究，建立适于形貌测量的飞秒激光成丝及啁啾超连续谱传输的理论体系；研究在超快响应材料中的光克尔效应，通过有效抑制自衍射效应获得超快光克尔门；设计并制作采用自适应光学器件的新型长程送光系统，调控啁啾超连续谱光束的空间分布；研制基于飞秒门控啁啾超连续谱的物体瞬态形貌测量系统。

物体三维形貌测量在工业、生物、医学等领域具有重要的应用价值。光学式的物体三维形貌测量技术具有非接触、非破坏、超高速等优点，是目前主流的技术手段。基于飞秒光克尔门的物体三维形貌测量方法，特别是基于飞秒光克尔门控超连续谱的物体三维形貌测量方法，兼具高时间与纵向空间分辨率，特别适合于快速运动物体的瞬态三维形貌测量。本项目研究了基于飞秒激光和铋酸盐玻璃（BI玻璃）的超快光克尔门及其时间分辨特性；利用这种超快光克尔门，研究了光克尔门控超连续谱及其在物体三维形貌瞬态测量技术中的应用；提出并研究了基于单色飞秒脉冲和飞秒光克尔门的物体三维形貌测量新方法。. 项目取得了如下创新性成果：. 1）使用飞秒激光和具有响应时间快、非线性系数大、损伤阈值高等特点的BI玻璃，实现了开关时间最快可达85飞秒（半高全宽）的光克尔门。它的开关时间比常用基于皮秒量级响应的CS2光克尔门快200倍左右，是目前已报道的最快光克尔门开关时间之一。. 2）开展了飞秒光克尔门控超连续谱的研究。该方法可以用于物体三维形貌瞬态测量，以及表征光克尔门在超快荧光时间分辨、全光开光等领域应用的性能优劣。研究表明，由于BI玻璃光克尔门控超连续谱具有良好的门光谱特性，因此可为基于光克尔门控超连续谱的物体三维形貌瞬态测量技术提供高的时间和纵向空间分辨率。. 3）研究了飞秒光克尔门控超连续谱的物体三维形貌瞬态测量技术，这种方法利用飞秒激光在介质内的成丝效应产生啁啾超连续谱，然后将其照射待测物体，由光克尔门瞬态选通的受物体形貌调制的部分光谱成分，直接在CCD上得到与物体形貌相应的彩色光谱图像，完成对物体三维形貌的测量。提出了使用光谱仪与彩色CCD联合检测光克尔门谱中的物体三维形貌信息。. 4）提出了基于飞秒光克尔门和单色飞秒脉冲的物体三维形貌测量新方法，这种方法利用物体表面不同高度处反射或透射光束间的光程差，使用光克尔门获取被测物体的表面形貌信息。研究了该技术在透射和反射两类目标物体的三维形貌测量中的应用，实现了优于20微米的纵向空间分辨率。该方法避免了传统飞行时间法需要逐点扫描和高频调制信号光束的限制。