(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211158137.0 (22)申请日 2022.09.22 (71)申请人 北京理工大 学长三角研究院 （嘉兴） 地址 314000 浙江省嘉兴 市秀洲区油车港 镇永越大厦18-19 楼 申请人 北京理工大 学 (72)发明人 姜澜　孙靖雅　陶文攀　洪益鹏　 张天勇　 (74)专利代理 机构 西安正华恒远知识产权代理 事务所(普通 合伙) 61271 专利代理师 黄鑫 (51)Int.Cl. G01N 21/71(2006.01) G01N 21/25(2006.01) G01N 21/01(2006.01)G01J 3/28(2006.01) (54)发明名称 一种基于高光谱成像的激光时频变换观测 系统及方法 (57)摘要 本发明提供了一种基于高光谱成像的激光 时频变换观测系统及方法， 该系统包括光学平台 以及设置在光学平台上的飞秒 激光器、 脉冲信号 发生器、 反射镜、 分束镜、 激光光学斩波器、 白光 晶体、 缩束和扩束子系统、 光束匀化和光斑匀化 装置、 聚焦透镜、 光阑、 光功率计、 光学滤光片、 光 学延时平移台、 脉冲整形子系统、 样品装载子系 统、 高光谱相机拍摄子系统以及计算机控制子系 统。 本发明采用高光谱相机替代传统的CCD相机 对待测样品表面瞬时演化状态进行光学成像和 光谱成像， 弥补传统光学泵浦探测技术中由于光 学衍射极限影 响所导致的有限观测能力， 对飞秒 激光激发待测样品表面进行实时光学成像和二 维光谱成像 。 权利要求书2页 说明书9页 附图3页 CN 115541560 A 2022.12.30 CN 115541560 A 1.一种基于高光谱成像的激光时频变换观测系统， 其特征在于， 包括光学平台以及设 置在光学平台上的飞秒激光器、 脉冲信号 发生器、 反射镜、 分束镜、 激光光学斩波器、 白光晶 体、 缩束和扩束子系统、 光束匀化和光斑匀化装置、 聚焦透镜、 光阑、 光功 率计、 光学滤光片、 光学延时平移台、 脉冲整 形子系统、 样品装载子系统、 高光谱相机拍摄子系统以及计算机控 制子系统； 通过计算机控制子系统对脉冲信号发生器发出指令， 激发飞秒激光器输出高能量飞秒 脉冲， 利用分束镜将 高能量飞秒脉冲分为泵浦光和探测光， 利用光阑对激光路径进行准直 处理， 使其沿固定方向进 行直线传播， 利用激光光学斩波器对泵浦光频率进行调节， 利用反 射镜对泵浦 光进行反射以对泵浦 光前进方向进行调节， 以设定的几何关系聚焦在样品装载 子系统的激发待测样品上， 利用光功率计测量待测样品的泵浦光能量， 并利用光学滤光片 调节泵浦 光的能量， 获取所需激光脉冲能量， 将探测光依次经过白光晶体、 缩束和扩束子系 统、 光束匀 化和光斑匀 化装置后输出光强分布均匀的探测白光， 通过脉冲整形子系统将入 射激光转化为具有所需形状的输出光束， 利用光学延时平移台输出探测 光后， 输出与泵浦 光时间间隔可调的探测光， 通过可调的聚焦透镜聚焦至待测样品表面进行照明， 利用计算 机控制子系统控制样品装载子系统延三个相互垂 直方向进 行移动， 将待测样品的待激发区 域移动至与泵浦 光和探测光聚焦光斑重合， 利用高光谱相机拍摄子系统对飞秒激光激发待 测样品表面后的动力学信号进 行拍摄、 信号放大和记录， 采集光谱波段的图像信息， 利用计 算机控制子系统读取并处理高光谱相机拍摄子系统输出的图像信息， 得到待测样品的二 维 光谱信号和二维成像信息 。 2.根据权利要求1所述的基于 高光谱成像的激光 时频变换观测系统， 其特征在于， 所述 飞秒激光器包括飞秒脉冲振荡器、 啁啾脉冲放大子系统以及激光控制子系统； 通过飞秒脉冲振荡器产生飞秒脉冲， 经啁啾脉冲放大子系统放大后得到高能量飞秒脉 冲， 并利用激光控制子系统将与飞秒脉冲同步的脉冲信号输出至脉冲信号发生器和计算机 控制子系统。 3.根据权利要求2所述的基于 高光谱成像的激光 时频变换观测系统， 其特征在于， 所述 分束镜为非偏振分束镜， 分光比为3:1。 4.根据权利要求3所述的基于 高光谱成像的激光 时频变换观测系统， 其特征在于， 所述 光学延时平 移台包括平 移台的计算机控制子系统以及平 移台； 通过平移台的计算机控制子系统调整平移台的位置， 控制探测光和泵浦光到达待测样 品处的时间 间隔。 5.根据权利要求4所述的基于 高光谱成像的激光 时频变换观测系统， 其特征在于， 所述 高光谱相机拍摄子系统包括高光谱相机和计算机； 利用高光谱相机检测待测样品表面被泵浦光激发后产生的光学信 息强度信号， 并利用 计算机采集与输出光学信息强度信号， 得到具有空间分辨能力的多区域二维光谱信号和二 维成像信息 。 6.根据权利要求5所述的基于 高光谱成像的激光 时频变换观测系统， 其特征在于， 所述 高光谱相机置于高光谱相机拍摄子系统的像平面， 所述高光谱相机前还设置有滤波片和管 透镜， 且所述高光谱相机拍摄子系统的物 平面上设置有样品载物台。 7.根据权利要求6所述的基于 高光谱成像的激光 时频变换观测系统， 其特征在于， 所述权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115541560 A 2光功率计、 样品载物子系统以及光学延时平 移台均与计算机控制子系统连接 。 8.根据权利要求1 ‑7任一所述的基于高光谱成像的激光时频变换观测系统的观测方 法， 其特征在于， 包括以下步骤： S1、 对脉冲信号发生器发出指令， 激发飞秒激光器， 并利用飞秒激光器输出高能量的 800nm飞秒脉冲， 利用分束镜分成泵浦光和探测光； S2、 经反射镜反射后， 利用聚焦透镜将泵浦光聚集至放置于样本装载子系统上的待测 样品上， 以激发待测样品； S3、 利用激光光学斩波器调节所需泵浦光频率， 利用光功率计测量待测样品的泵浦光 能量， 并利用光学 滤光片调节泵浦光的能量， 获取 所需激光脉冲能量； S4、 将探测光经过白光晶体输出探测白光脉冲， 通过缩束和扩束子系统使其光斑尺寸 符合聚焦透镜的入射孔径要求， 利用光束匀 化和光斑匀 化装置对探测白光脉冲进行整形， 输出稳定且光强分布均匀的探测白光， 并利用光学延时平移台输出与泵浦 光时间间隔可调 的探测光， 并通过聚焦透 镜聚焦至待测样品的表面进行照明； S5、 利用计算机控制子系统控制样品装载子系统延三个相互垂直方向进行移动， 将待 测样品的待激发区域移动至与泵浦光和探测光聚焦光斑重合； S6、 利用高光谱相机拍摄子系统， 将通过管透镜对被测探测光照亮的待测样品表面进 行光学成像和 光谱成像， 采集被激发待测样品表面的瞬态光学性质 信息和光谱信息， 得到 待测样品的二维光谱信号和二维成像信息 。 9.根据权利要求8所述的基于 高光谱成像的激光 时频变换观测方法， 其特征在于， 所述 被激发待测样品表面的瞬态光学性质信息的获取为： 在待测样品进行泵浦激发前， 选取干净、 未加工的区域经探测光照明后， 利用高光谱相 机拍摄并记录该时刻的光学性质， 作为背景图像； 将对待测样品进行泵浦激发后得到的光学信息记为激发图像； 将背景图像和激发图像进行对比与裁剪， 得到超快尺度 下被激发待测样品表面的瞬态 光学性质。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115541560 A 3