对涡旋超快过程的实时分幅成像技术的研究

Ultrafast vortex rotating beam and vortex rotating plasma are of great value and significance in the field of generation of intense terahertz vortex wave, fabrication of nano photonic crystals, quasi particle resonance excitation and coherent enhancement. However, there is still a lack of technical means to accurately obtain the time and space information of the ultrafast transient process. The purpose of this project is to develop a picosecond-femtosecond real-time frame imaging technology with high spatial resolution and high temporal information, which will provide a powerful research tool to reveal the inherent law of development. By using multiple non-collinear optical parametric amplifiers, we can get four images in different moments of the ultrafast vortex beams or plasma with time scales of 1ps~200fs. It is expected that, for the first time, the sequential 4 images of the ultrafast vortex beams or plasma are obtained by a real-time frame imaging system with a imaging frequency of higher than 10^13fps, the corresponding time of less than 100fs, and the spatial resolution of more than more than 20lp/mm.

超快的涡旋旋转光束及涡旋旋转等离子在强场太赫兹涡旋的产生、纳米光子制造、准粒子共振激发与相干增强等诸多领域具有重要的研究价值与意义。但目前仍然缺乏准确获取这一超快瞬变过程时间/空间信息的技术手段。本项目旨在发展一种高空间分辨、高时间信息量的皮秒-飞秒级实时多幅成像技术，为揭示发生在该时间尺度超快过程的内在发展规律等科学问题提供强有力的研究工具。研究将以时间演变过程发生在1ps~200fs的超快涡旋光束及其聚焦激发的等离子体作为成像目标物体，利用多级非共线光参量放大闲频光成像技术实现单次测量获取4幅不同时刻的目标物体时序图像。预期将首次获得摄影频率高于10^13fps，对应的分幅时间小于100fs，空间分辨率大于20lp/mm的涡旋旋转光场/等离子体超快演变过程的时序4幅图像。

准确的获取涡旋光束在超快领域的空间分布、聚焦和携带角动量以及其超快演变特性，可以将超快涡旋光束更加多样化地应用到各个领域的研究，具有非常重要的科学应用价值。然而，超快涡旋旋转光场这一物理过程是一个高速演变的超快过程，需要借助于高速成像技术准确地获取其时间/空间信息，揭示其动态规律，进而加以控制或者利用。本项目旨在产生时间尺度约为1ps~200fs涡旋旋转等离子体并发展一种高时空分辨的实时分幅成像技术对其进行观测。实际研究过程中，我们通过一对具有不同时间延迟、不同拓扑荷数的涡旋啁啾脉冲对产生了时间尺度在200fs~1.6ps可调的超快涡旋旋转光场并利用多级非共线光参量放大成像技术对其进行了单次多幅成像，准确地获取了超快旋转光场的时间/空间信息。我们首次获得了旋转速率达到太赫兹量级的旋转光场，并首次将单次多幅成像的摄影频率推进到15万亿幅/秒，对应的分幅时间为66.7fs，曝光时间为50fs，时间信息因子＞1，空间分辨率达到30lp/mm，成像面积为6.8×6.8mm^2，各项参数指标均达到预期效果，如期完成项目。所产生的超快旋转光场在激光等离子体加速器、太赫兹强辐射和实验室天体现象的模拟等研究领域具有巨大的潜在应用价值，而单次多幅成像技术对于揭示诸如激光等离子体的形成和演化、激光尾波场加速相对论性电子束、超快化学/医学分子动力学过程等不可重复过程的机理有重要的意义。