具有飞秒级时间分辨率的脉冲数字全息实时探测仪的研制

Bsed on the prophase results developed for the technique of photonic crystl fibre fs laser and for the spatial angular multiplexing in pulsed digital holography, obtained in our two key projets supported by the National Foundation of Nature Science, design and develop a new sample of single pumped and real-time recording instrument of a modulized construction. With the characteristics of high efficiency, less energy consume, convenient for combination, controle and maintaining, the instrument can be employed as a movable facility in different laboratories, to continuously recorde in real-time a series of amplitudes and the phases of the optical field during any ultrafast process of the femtosecond order induced by a single pump. The time resolution obtained can be so far not reached by any other scientific instruments and techniques. The key techniques to develop the instrument include the capture and the modulation of a single pulse output from a photonic crystl fibre fs laser, the match of the pumping and the recording, the multiple recordings without astigmation and dispersion, with spatial angular multiplexing, high spatial resolution of the reconstructed images, and the modulization of the instrument construction. The aim of this research is to develop special nstrument with our independent intellectual property right, movable for real-time detecting the ultrafast processes of the femtosecond order in the field of fundamental or application researches related to physics, chemistry, medicine, and others, in the different laboratory circumstances and conditions.

以我们两个国家自然科学基金重点项目的前期成果为基础，设计和研制以光子晶体光纤飞秒激光为触发源和采用脉冲数字全息立体角分复用记录技术的模块化组装的飞秒单脉冲触发数字全息实时探测仪的原理性试验样机。该仪器具有高效、节能、便于组装、调控及保养的特点，可作为实验室的可移动设备，对各种不同的 飞秒级超快瞬态过程中的光场振幅和相位进行单次触发过程中的多次连续实时记录及多维数字表证。其时间分辨率是目前已知的其他任何科学仪器和技术手段尚不能达到的。研制该仪器的核心技术包括：光子晶体光纤飞秒激光单脉冲的获取和整形技术；触发与记录的匹配技术；消象散及色散的立体角分复用记录技术；再现图像的高空间分辨率技术；及仪器的模块化等。本项目的研究目标是：为实时探测在不同领域内的涉及物理、化学，医学及其它与飞秒级超快瞬态过程有关的基础和应用研究，提供一种可用于不同实验室环境和条件下的，具有自主知识产权的可移动的专用仪器。

本项目研究设计和研制以光子晶体光纤飞秒激光器为单脉冲源和采用脉冲数字全息立体角分复用记录技术的可实时探测飞秒级超快瞬态过程的原理性实验样机。该样机由光子晶体光纤飞秒激光输出单元，激光放大器及单脉冲输出单元，立体角分复用实时记录单元，和数据采集与处理单元共四部分模块组成。经过四年的研究工作，项目已顺利完成并达到预定目标，具体完成情况及取得成果包括：（1）研制了高能量、低重复频率光子晶体光纤飞秒激光放大系统，利用脉冲预整形装置精确控制种子光脉冲的啁啾、能量和中心波长，进而优化放大过程，实现高能量、窄脉冲宽度的近变换极限脉冲输出。利用多芯光子晶体光纤为功率放大级的增益光纤，大大增加了模场面积降低了非线性，同时通过对耦合的泵浦的优化，获得同相位超模的输出，获得几十微焦耳的飞秒脉冲输出。.（2）开展了采用脉冲数字全息立体角分复用记录技术实时探测系统的研制，设计并搭建可长脉冲间隔同步可调脉冲间隔物光子脉冲产生及物光分束系统；设计并搭建了基于双沃拉斯顿棱镜的参考光分束系统；设计并搭建了自相关和互相关法检测飞秒多激光脉冲间隔、脉冲宽度和强度比的方法和实验装置，并提出了一种拓展离轴数字全息术的物光可探测面积的方法；搭建了脉冲数字全息实时记录系统数据采集系统，提出一种复用全息图零级项消除的方法。（3）在国内外重要刊物上发表SCI/EI收录的论文19篇，会议收录的论文2篇，申请专利13项，已授权1项。（4）培养9名研究生，包括博士生4名，硕士生5名。本项目的研究成果为各种实时探测与物理学、化学、医学及其它与微观或介观世界中光场的超快 瞬态变化有关的基础或应用基础研究提供一种专用型的原理性试验样机。