超短脉冲激光烧蚀物体的超快连续三维成像系统及方法
阅读说明：本技术 超短脉冲激光烧蚀物体的超快连续三维成像系统及方法 (Ultrafast continuous three-dimensional imaging system and method for ablating object by ultrashort pulse laser ) 是由 姜澜 郭宝山 张天勇 于 2021-01-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种超短脉冲激光烧蚀物体的超快连续三维成像系统及方法,属于超快成像领域。本发明可以实现超高时间分辨率的物体表面三维轮廓信息的获取与复原。系统具体包括超短脉冲激光光源、超连续谱发生器、脉冲分离延时器、多频脉冲干涉条纹发生器、起偏器、时间延迟平台、样品、图像获取装置、计算机、分束-合束镜、反射镜及图像三维轮廓提取方法。本发明可实现超短脉冲激光烧蚀物体材料过程中的超快连续三维观测,时间分辨率达飞秒-皮秒量级,可呈现物体被加工过程中表面三维形貌,增强实验过程中的连续可观性,为超短脉冲激光烧蚀加工物体的机理研究提供重要辅助作用。(The invention relates to an ultrafast continuous three-dimensional imaging system and method for ablating an object by ultrashort pulse laser, and belongs to the field of ultrafast imaging. The method can realize the acquisition and restoration of the three-dimensional contour information of the object surface with ultrahigh time resolution. The system specifically comprises an ultrashort pulse laser source, a supercontinuum generator, a pulse separation delayer, a multi-frequency pulse interference fringe generator, a polarizer, a time delay platform, a sample, an image acquisition device, a computer, a beam splitting-combining mirror, a reflector and an image three-dimensional contour extraction method. The invention can realize the ultrafast continuous three-dimensional observation in the process of ablating object materials by the ultrashort pulse laser, the time resolution reaches the femtosecond-picosecond magnitude, the surface three-dimensional appearance of the object in the process of being processed can be presented, the continuous observability in the experimental process is enhanced, and the invention provides an important auxiliary function for the mechanism research of ablating the object by the ultrashort pulse laser.)
技术领域
本发明涉及一种超短脉冲激光烧蚀物体的超快连续三维成像系统及方法，属于超快成像领域。
背景技术
超短脉冲激光具有非常短的时间尺度(ns-ps-fs)和超高的能量密度(>1014W/cm2)，可以被用来在材料表面或内部加工一些精细复杂的微纳结构。然而超短脉冲激光与材料的相互作用是一个瞬态过程，机理现象非常不容易观测。包括皮秒时间尺度内的激光冲击波前沿传播，材料分子弛豫振动等；飞秒时间尺度内的分子结构运动，半导体载流子运动、等离子体形成等等，虽然人们通过加工后的材料的面或内部形貌对其加工机理进行解释，但所述中间反应过程的机理非常复杂，往往不容易解释清楚。
目前较为成熟的超快观测手段为泵浦探测技术，最快可以实现飞秒量级的延时摄影，但它只能实现单次单幅成像，对于那些难以复制或非重复过程，并不适用，也不能对超快激光与材料持续的反应过程进行更为细致的观测，鉴于上述缺陷，在成像手段上不仅需要具有超短的时间间隔，即成像时间分辨率；而且还需要能够对持续反应过程进行观测，即成像深度。
另外，上述的成像手段仅为二维成像，包括其他的超快成像观测技术，但为了更直观的展现出材料在经超短脉冲激光烧蚀后的形貌变化，三维成像技术必不可少，虽然领域内存在较为完善的三维成像技术，但大多在宏观可视领域，在超快成像和微纳成像方面，尤其是在如何观测超短脉冲激光烧蚀物体时的超高时间分辨率的连续三维成像方面，所做研究寥寥无几。所以迫切需要一种既可实现超快多帧连续成像，又能展现材料三维形貌变化的技术来进一步解释超短脉冲激光与材料的作用机理。
发明内容
本发明的目的是解决超短脉冲激光在烧蚀物体的持续作用过程中，难以获取物体的表面形貌特征，不能对物体材料与激光相互作用机理现象进行超快连续有效观测的技术难题，提出了一种超短脉冲激光烧蚀物体的超快连续三维成像系统及方法，可以实现超高时间分辨率的物体表面三维轮廓信息的获取与复原。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
超短脉冲激光烧蚀物体的超快连续三维成像方法，将超连续谱中不同波段的频谱进行时间分离，产生脉冲序列，然后等分，使同一波段范围的光谱在时间轴上一一对应产生干涉条纹，继而具有超短时间间隔的若干干涉条纹图案照射样品，最后分别由不同CCD捕获，经计算机处理后获得样品的三维形貌，实现超快连续的三维观测。
超短脉冲激光烧蚀物体的超快连续三维成像方法，超短脉冲激光光源发出超短脉冲激光光束后，经分束-合束镜分为泵浦光束和探测光束，其中泵浦光束经透镜聚焦于样品表面，对其进行烧蚀，探测光束照射样品表面后反射到图像获取装置，用来成像；所述泵浦光束经起偏器调整为与探测光束不同的偏振态，后经时间延迟平台到达样品，进行烧蚀加工。所述探测光束经超连续谱发生器后产生具有若干倍频层，频谱极宽的超连续光谱，后经所述脉冲分离延时器后生成时间上具有特定间隔的不同波长的连续子脉冲串，并进一步被分束-合束镜等分为两束脉冲串，其中一束经不同截止波段的二项色镜划分为不同波长范围的脉冲，与未被划分的脉冲串在波段上产生一一对应的重叠，即时间上对应，产生不同波长的干涉条纹；如此，具有时间间隔的多个不同波长脉冲干涉条纹图案先后照射样品，以携带物体表面轮廓信息的干涉条纹图案经分束-合束镜反射后再以相同截止频率的二项色镜反射后到达对应CCD，并被捕获，后在计算机上经图像三维轮廓提取方法提取并恢复物体表面的三维轮廓，绘成三维图。
实现上述方法的装置，包括超短脉冲激光光源、超连续谱发生器、脉冲分离延时器、多频脉冲干涉条纹发生器、起偏器、时间延迟平台、样品、图像获取装置、计算机、分束-合束镜和反射镜。
所述超短脉冲激光光源为纳秒、皮秒或飞秒激光器发出的具有单一波长的脉冲激光，脉冲持续时间分别为纳秒、皮秒或飞秒。
所述超连续谱发生器为聚焦物镜、光子晶体光纤、聚焦物镜的组合。
所述脉冲分离延时器为色散玻璃或光纤。
所述多频脉冲干涉条纹发生器由分束-合束镜、二项色镜、反射镜组成，其多脉冲干涉条纹发生的过程为具有时间分离的多频脉冲序列的参考光经分束-合束镜等分为两束能量相同的脉冲序列，其中一束经多个截止频率不同的二项色镜反射、透射后产生具有空间相互分离、不同波长范围的子脉冲，所述子脉冲与另一束脉冲序列在时间和波段上产生一一对应关系，生成不同波长范围的干涉条纹，由于上述多频脉冲原本在时间上具有间隔，因此干涉条纹也具有相同的时间间隔。
所述起偏器的作用是调整泵浦光的偏振态，避免与探测光形成干扰，影响成像，产生不必要的干涉条纹图案。
所述样品为超短脉冲激光可加工的任一物体材料。
所述图像获取装置为放置在不同位置，分别接收图像信号的CCD相机，接收的信息为经样品反射回的带有样品轮廓信息的干涉条纹图案。
所述图像三维轮廓提取方法为基于计算机编程语言的数字图像三维轮廓提取技术。
有益效果
本发明的一种超短脉冲激光烧蚀物体的超快连续三维成像系统及方法，相较于其他超快连续成像技术，本发明可实现超短脉冲激光烧蚀物体材料过程中的超快连续三维观测，时间分辨率达飞秒-皮秒量级，可呈现物体被加工过程中表面三维形貌，增强实验过程中的连续可观性，为超短脉冲激光烧蚀加工物体的机理研究提供重要辅助作用。
附图说明
图1为超短脉冲激光烧蚀物体的超快连续三维成像系统示意图；
图2为超快连续三维成像光路示意图；
图3为超短脉冲激光烧蚀物体的超快连续三维成像方法流程图。
图中所示：1为超短脉冲激光光源；2为第Ⅰ分束-合束镜；3为超连续谱发生器；4为脉冲分离延时器；5为多频脉冲干涉条纹发生器；6为第Ⅰ反射镜；7为起偏器；8为时间延迟平台；9为样品；10为图像获取装置；11为计算机；12为第Ⅱ分束-合束镜；13第Ⅰ二项色镜；14为第Ⅱ二项色镜；15第Ⅱ反射镜；16为第Ⅲ反射镜；17为第Ⅲ分束-合束镜；18为第Ⅳ分束-合束镜；19为第Ⅴ分束-合束镜；20为第Ⅳ反射镜；21为第Ⅴ反射镜；22为第Ⅵ分束-合束镜；23为第Ⅲ二项色镜；24为第Ⅳ二项色镜；25为第Ⅵ反射镜；26为第一CCD；27为第二CCD；28为第三CCD。
具体实施方式
下面结合附图和具体工作方式对本发明作进一步解释和说明，方便技术人员理解。
本发明公开了一种超短脉冲激光烧蚀物体的超快连续三维成像系统及方法，包括超短脉冲激光光源1、超连续谱发生器3、脉冲分离延时器4、多频脉冲干涉条纹发生器5、起偏器7、时间延迟平台8、样品9、图像获取装置10、计算机11、分束-合束镜、反射镜及图像三维轮廓提取方法。
所述超短脉冲激光光源1为纳秒、皮秒或飞秒激光器发出的具有纳秒、皮秒或飞秒脉冲持续时间的具有单一波长的超短脉冲激光，具有超强能量和超短时间尺度特点，可以对任意一种材料进行烧蚀加工；所述超连续谱发生器3由一对聚焦物镜和光子晶体光纤组成，可产生具有若干倍频层，频谱极宽的超连续光谱；所述脉冲分离延时器4为色散玻璃或光纤，可根据不同厚度控制多脉冲的延迟时间；所述多频脉冲干涉条纹发生器5由第Ⅱ分束-合束镜12、第Ⅲ分束-合束镜17、第Ⅳ分束-合束镜18、第Ⅴ分束-合束镜19，第Ⅰ二项色镜13、第Ⅱ二项色镜14和第Ⅱ反射镜15、第Ⅲ16组成，可产生具有特定时间间隔的不同波长的干涉条纹图案；所述起偏器7为改变泵浦光的偏振状态，避免与成像的探测光产生干涉；所述时间延迟平台8的作用是调整泵浦光与探测光之间的时间延迟，更准确地说是调整泵浦光与所述多频脉冲干涉条纹发生器5产生的干涉条纹到达样品的时间间隔；所述图像获取装置10为3个同等规格参数的CCD相机，用来获取经样品反射回的干涉条纹图案；所述图像三维轮廓提取方法为基于计算机语言的图像三维轮廓提取方法，可对CCD获取的图形中的三维轮廓进行提取与还原。
一种超短脉冲激光烧蚀物体的超快连续三维成像系统及方法，所述方法具体流程为超短脉冲激光光源1发出超短脉冲激光光束后，经第Ⅰ分束-合束镜2分为泵浦光束和探测光束。所述泵浦光束经第Ⅰ反射镜6改变方向后，经起偏器7调整为与探测光束不同的偏振态，然后经时间延迟平台8后，再经过第Ⅴ反射镜20和第Ⅵ反射镜21，由透镜聚焦于样品9表面，对其进行烧蚀；所述探测光束经超连续谱发生器3后产生具有若干倍频层，频谱极宽的超连续光谱λn，后经所述脉冲分离延时器4后生成时间上具有特定间隔的不同波长的连续子脉冲串，并进一步被第Ⅱ分束--合束镜12等分为两束脉冲串Ⅰ和Ⅱ，其中脉冲串Ⅰ经第Ⅰ二项色镜13、第Ⅱ二项色镜14和第Ⅱ反射镜15后分别生成三个波长范围不同的子脉冲λ1、λ2、λ3，与被第Ⅲ反射镜16反射后的脉冲串Ⅱ在第Ⅲ分束-合束镜17、第Ⅳ分束-合束镜18以及第Ⅴ分束-合束镜19处汇合，在时间和波段上形成一一对应重合关系，如此，不同波段范围的频谱形成时间上相互分离的干涉条纹，然后透过第Ⅵ分束-合束镜22照射样品9表面，经样品9反射、第Ⅵ分束-合束镜22再反射后，再通过第Ⅲ二项色镜23、第Ⅳ二项色镜24和第Ⅵ反射镜25后分别进入第一CCD26、第二CCD27和第三CCD28，最后利用在计算机上经图像三维轮廓提取方法提取并恢复物体表面的三维轮廓，绘成三维图。
实施例1：
超短脉冲激光光源1发出脉宽为50fs、水平偏振的脉冲激光，经第Ⅰ分束-合束镜2反射为泵浦光束，透射为探测光束。其中泵浦光束经第Ⅰ反射镜6调整方向后，经过起偏器7转为垂直偏振光，然后再经过时间延迟平台8、第Ⅴ反射镜20和第Ⅵ反射镜21，由透镜聚焦于样品9表面，进行烧蚀；在泵浦光束传播的过程中，探测光束首先进入由物镜、光子晶体光纤、物镜组成的超连续谱发生器3，产生频谱为350nm-1100nm的超连续光谱，然后经由脉冲分离器4对频谱在时间上进行分离，各频谱之间可实现数飞秒量级的时间间隔；具有多频谱的脉冲序列λn(350nm-1100nm)进入多脉冲干涉条纹发生器5，首先被第Ⅱ分束-合束镜12等分为λn1和λn2，其中一束λn1经由第Ⅰ二项色镜13(截止波长640nm)、第Ⅱ二项色镜14(截止波长875nm)和第Ⅱ反射镜15后分别生成三个波长范围不同的子脉冲λ1(350nm-640nm)、λ2(640nm-875nm)、λ3(875nm-1100nm)，其中λ1在第Ⅲ分束-合束镜17处与λn2合束，在λn2对应的波段范围内形成干涉，λ2和λ3亦如此。最后，λ1、λ2、λ3与λn2在时间和波段上形成一一对应重合关系，不同波段范围的频谱形成时间上相互分离的干涉条纹，然后透过第Ⅵ分束-合束镜22照射样品9表面，携带样品9表面不同时刻样貌的干涉条纹反射回第Ⅵ分束-合束镜22，继而再反射后，通过第Ⅲ二项色镜23、第Ⅳ二项色镜24和第Ⅵ反射镜25后分别进入第一CCD26、第二CCD27和第三CCD28，最后在计算机上经图像三维轮廓提取方法提取并恢复物体表面的三维轮廓，绘成连续三维图。这样，具有超高时间分辨率的物体表面三维轮廓信息完成，其各图像之间的时间分辨率为数飞秒，最大空间分辨率为1.22um。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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