单次多幅超快光学成像及其飞秒激光烧蚀探测应用

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作者：

姚佳丽

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摘要：

单次多幅超快光学成像(Single-shot Ultrafast Optical Imaging,SUOI)可以在光学光谱范围内以大于108帧/秒(fps)的成像速度实时捕捉瞬态场景,这对于记录不可逆和难以复现的瞬态事件,以及理解物理,化学和生物领域的基本机制是必不可少的.根据获取图像方式的不同,单次多幅超快光学成像技术可以分为两类,一类是直接成像技术,另一类是计算成像技术.直接成像类技术是将瞬态场景不同时刻的信息在空间上完全分离到图像传感器的不同区域,并在一次曝光中捕获它们.该类技术通常具有出色的空间分辨能力,但序列深度,即一次曝光所得的帧数较低,导致难以获取瞬态场景完整的时间演化信息.计算成像类技术主要通过光学编码和计算解码实现对瞬态场景的单次多幅记录.其中,基于压缩感知(Compressive Sensing,CS)的计算成像技术近年来备受关注,这些技术具有超高的序列深度,但由于数据压缩比过高导致空间分辨率较差,不利于对瞬态场景的空间细节进行分析.本论文的工作主要是围绕SUOI在空间分辨率与序列深度这两个关键技术指标上的提升开展的.首先,以基于CS的压缩超快成像技术(Compressed Ultrafast Photography,CUP)为研究对象,分别从硬件系统和软件算法两个方向进行改进.在硬件上提出多通道耦合成像方案提升采样率,在软件上基于广义交替投影框架开发新型图像重建算法,以此联合提升CUP的图像重建质量,并将这些改进应用于飞秒激光诱导冲击波动力学的高保真重建.其次,开发了具有高时空分辨率以及较高序列深度的单次多幅式啁啾光谱映射超快成像技术,并将其应用于飞秒激光烧蚀动力学的实时探测.主要研究成果如下:1.设计开发了多通道耦合压缩超快成像技术(Multichannel-coupled Compressed Ultrafast Photography,MC-CUP).MC-CUP利用透镜阵列将待测瞬态场景复制为多个相同的子场景,并对子场景进行独立的空间编码.随后将各自独立编码的子场景同时传送至条纹相机进行数据采集.MC-CUP在提高采样率的同时保留了CUP的单次多幅成像优势.通过使用MC-CUP测量一个空间调制皮秒激光脉冲的时空演化以及一个三维阶梯结构背向散射光子的超快过程,证实了MC-CUP可以同时显著提高重建图像的空间和时间分辨率.2.针对CUP开发了全变分(Total Variation,TV)联合三维块匹配滤波(Blockmatching and 3D Filtering,BM3D)图像重建算法,简称TV-BM3D算法.TVBM3D算法通过在广义交替投影的迭代框架中融入TV去噪算法和BM3D去噪算法,间接地将梯度域稀疏性和非局部相似性的多重先验用于图像重建.数值模拟和实验结果均表明,TV-BM3D算法不仅可以提高重建图像的质量,而且增强了CUP的抗噪声能力.此外,将TV-BM3D算法与多通道耦合成像方案相结合,进一步实现了飞秒激光在硅靶上诱导冲击波动力学的高保真重建.3.设计开发了具有高时空分辨率以及较高序列深度的啁啾光谱映射超快成像技术(Chirped Spectral Mapping Ultrafast Photography,CSMUP).CSMUP使用一束频率啁啾的宽带激光脉冲对目标场景进行主动照明,并结合快照式高光谱相机捕捉光谱图像.根据啁啾探测脉冲的光谱-时间映射关系,进而从采集的光谱数据中反演出瞬态场景的时空信息.经验证,CSMUP具有2.5?1011帧/秒(fps)的成像速度,优于1200线对/毫米(lp/mm)的空间分辨率,以及25帧的序列深度,且成功对飞秒激光烧蚀硅的动力学过程进行了超快实时探测.4.使用CSMUP观测飞秒激光烧蚀金的超快动力学过程,并采用基于双温模型的分子动力学方法模拟了金的结构相变和物质喷发过程.实验观测结果与模拟结果的对照分析表明在低能流密度激光辐照下,金的烧蚀过程由相爆炸机制主导,而在高能流密度激光辐照下,金的烧蚀过程由碎裂机制主导.

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