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雷 诚1, 李中星1, 袁仙丹1, 王 度1， 赵宗清2， 刘 胜1
（1. 武汉大学 工业科学研究院，武汉 430072；2. 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900）
(通信作者: 雷 诚 leicheng@whu.edu.cn)
高速光学成像是研究超快事件的重要工具，可以帮助我们理解物理学、化学和生物学中许多重要的基本机制。时间序列全光分幅成像(STAMP)可以打破传统相机成像帧速的限制，实现fs到ns时间尺度上的超快成像。STAMP单次成像的帧数直接决定了其所能观测的超快过程的持续时间。近期，课题组通过设计全新的二维光谱分幅系统，实现了单次曝光25帧、帧速率为2.5×1012帧/s的超快成像。
基于二维光谱剪切的STAMP系统结构图如图1(a)所示。超快激光器产生的飞秒脉冲被分为两路，一路作为泵浦光，用于激发超快过程；另一路通过玻璃进行色散拉伸，实现不同波长在时间上的前后排布。通过延时光路的调整，泵浦光和探测光同到达物体。探测通过样品后，不同的波长成分携带不同时刻的超快图像。随后，探测光通过物镜放大后，由二维分幅系统在空间上分为3列，共25个子脉冲，每个子脉冲携带一个时刻点的图像信息。二维分幅系统主要由光栅、透镜和剪切镜组成，其中光栅将入射光按波长散开，然后由透镜汇聚在剪切镜上的25个反射面上。经过特殊的设计，剪切镜的每个反射面都具有一个特定的反射角，实现各帧图像的空间分幅和重排。最后携带图像信息的25个子脉冲由相机接收成像。
通过对剪切镜的巧妙设计，以单一器件实现了大帧数情况下图像的分幅和重排，同时综合使用混合映射技术，避免了图像高频信息的损失，确保了大帧数情况下图像的质量。图1(b)为成像系统对300 μJ泵浦光激发玻璃产生等离子体的超快过程的捕获，可以看到激光从空气到玻璃后，等离子体的浓度剧烈增加，在玻璃内部成丝传播。研制的系统有望在激光加速器、惯性约束聚变（ICF）诊断、超快激光材料加工等领域获得应用。
图1 二维光谱剪切STAMP系统结构图(a)及300 μJ激光激发玻璃产生等离子体动态摄影(b)
致谢：本工作获国家自然科学基金重大仪器专项(51727901)支持。
