一种超灵敏时间分辨成像光谱仪及其时间分辨成像方法

摘要

本发明涉及超灵敏时间分辨成像光谱仪，包括光学单元和电学单元，光学单元包括入射狭缝、光扩束准直部件、光学成像部件、第一和第二空间光调制器、凹面镜、光栅分光部件、会聚收光部件；电学单元包括第一和第二随机数发生器、单光子点探测器、计数器、时间测量仪、控制模块、数据包存储器以及压缩感知模块；待测极弱光入射，经光扩束准直部件变成平行光，透过光学成像部件成像在第一空间光调制器上；第一空间光调制器做随机调制；凹面镜将入射光反射并准直，变成平行光，打向光栅分光部件形成光谱场，在第二空间光调制器上形成光谱带；第二空间光调制器对光谱带做随机调制；会聚收光部件滤除杂散光，过滤后的光传输到单光子点探测器。

主权项

一种超灵敏时间分辨成像光谱仪，其特征在于，包括光学单元(I)和电学单元(II)，其中，所述光学单元(I)包括入射狭缝(1)、光扩束准直部件(2)、光学成像部件(3)、第一空间光调制器(4_1)、凹面镜(5)、光栅分光部件(6)、第二空间光调制器(4_2)、会聚收光部件(7)；所述电学单元(II)包括第一随机数发生器(10_1)、第二随机数发生器(10_2)、单光子点探测器(11)、计数器(12)、时间测量仪(13)、控制模块(15)、数据包存储器(16)以及压缩感知模块(17)；单光子级别的待测极弱光通过所述入射狭缝(1)入射，然后经过所述光扩束准直部件(2)的扩束和准直后变成平行光，该平行光再透过所述光学成像部件(3)成像在所述第一空间光调制器(4_1)上；所述第一空间光调制器(4_1)对在其上的像做随机调制，使得其出射光以一定的随机概率向所述凹面镜(5)反射；所述凹面镜(5)将入射光反射并准直，使之再次变成平行光，打向所述光栅分光部件(6)；所述光栅分光部件(6)形成光谱场，并在位于所述光栅分光部件(6)的焦平面上的第二空间光调制器(4_2)上形成光谱带；所述第二空间光调制器(4_2)对在其上的光谱带做随机调制，使得出射光以一定随机的概率向所述会聚收光部件(7)反射；所述会聚收光部件(7)滤除杂散光，将过滤后的待测极弱光传输到电学单元(II)中的单光子点探测器(11)；所述第一随机数发生器(10_1)、第二随机数发生器(10_2)分别生成随机数并分别提供给所述第一空间光调制器(4_1)与第二空间光调制器(4_2)，每一空间光调制器中区域总像素长度的随机数组成一个相应的随机基，所述第一空间光调制器(4_1)与第二空间光调制器(4_2)根据各自的随机基实现随机调制；所述的单光子点探测器(11)探测待测极弱光中的各个单光子点，将采集到的光信号转换成有效脉冲信号后输出；所述计数器(12)记录所述单光子点探测器(11)探测到的单光子点的数目；所述的时间测量仪(13)记录单光子点到达的时间信息；所述控制模块(15)对整个超灵敏时间分辨成像光谱仪进行控制协调，包括对各部件的使能和触发脉冲控制，确保计数器(12)、第一空间光调制器(4_1)、第二空间光调制器(4_2)和时间测量仪(13)之间的步调协调；所述计数器(12)所记录的单光子点的数目、时间测量仪(13)所记录的时间信息以及第一随机数发生器(10_1)、第二随机数发生器(10_2)所生成的两组随机基一起存入所述数据包存储器(16)中，最后导入所述压缩感知模块(17)中，在该模块中经过两次压缩感知计算，实现光谱带信号重建，输出含五维信息的时间分辨成像光谱。