随着数字全息技术与超短脉冲技术的快速发展,超短脉冲数字全息术成为记录和再现超快动态过程的有力工具,它在超高分辨时间、空间探测中具有突出优势。本文以超短脉冲数字全息技术及其在实时记录飞秒级超快动态过程中的应用研究为主要目的和研究内容,开展了如下具有创新性的研究工作： 1.针对实时记录超快动态过程的需要,提出了数字全息术中的记录平面的复用概念,并针对数字全息中由于记录器件象素对物光和参考光角度选择的苛刻限制问题,提出了实现数字全息术记录平面复用的空间角分复用技术,并分析、比较了空间角分复用相对于平面角分复用的优势；分析结果表明,空间角分复用放宽了对角度的严格限制,使光路设计具有更大的选择性,利于数字滤波和再现。 2.首次设计并建立了具有飞秒级时间分辨的空间角分复用脉冲数字显微全息实验系统,并完成对单脉冲飞秒激光激发空气电离动态过程的实时记录和再现。实验系统基于分光延迟的思路,能够将单个飞秒脉冲分割为具有飞秒时间间隔的角度相同的物光子脉冲序列和具有同样时间间隔的角度不同的参考光子脉冲序列,以空间角分复用的方式在普通CCD的一帧图像上实时记录下了包含多张子全息图的复合全息图。通过对单脉冲飞秒激光激发空气电离过程的实时全息记录,实时记录下了具有飞秒时间分辨的等离子体形成和传播过程的振幅和相位的动态图像,其曝光时间50 fs,拍摄间隔时间约300 fs。 3.首次设计并建立了飞秒级波分复用脉冲数字显微全息实验系统,并完成了对单脉冲飞秒激光激发空气电离动态过程的实时记录和再现。实验系统利用BBO倍频晶体使得入射激光包含了基波和谐波两种光谱成分,并经时间延迟后进入迈克尔逊干涉仪,从而可应用波分复用技术,先后在CCD的一帧图像上实时记录了两幅具有不同空间频率的子全息图。通过对单脉冲飞秒激光激发空气电离的超快动态过程的实时全息记录和再现,获得了具有飞秒时间分辨的空气等离子体形成和传播过程的实时动态振幅和相位图像,相应的曝光时间50 fs,拍摄间隔时间约400 fs。 4.采用时间分辨阴影探测方法,对飞秒激光烧蚀金属铝靶的动态过程进行了实验研究,获得了一系列具有飞秒时间分辨的、飞秒脉冲激光烧蚀铝靶期间产生的等离子体和喷射物质的二维动态阴影图像,在实验上首次观察到了等离子体内部的条纹结构以及多次喷射现象,并对烧蚀机理进行了分析。 5.首次采用脉冲数字显微全息技术,对飞秒激光烧蚀金属铝靶的动态过程进行了全息记录,获得了一系列具有飞秒时间分辨的动态全息图；通过数字再现,获得了飞秒激光烧蚀铝靶动态过程中产生的等离子体和喷射物质的二维相位信息,通过计算获得了时空演化的电子密度分布,并根据实验和计算结果对飞秒激光烧蚀过程进行了分析。 6.利用探测空气等离子体发光信号的方法,首次在实验上测量了飞秒激光激发空气电离所需的阈值强度。结果表明,当激光脉冲宽度从50 fs增加到22 ps时,阈值光强Ith从8.7×1014W/cm2下降到2.7×1013W/cm2;Ith经历了由迅速降低逐渐发展为缓慢降低的过程。在50 fs-1 ps和1 ps-22 ps的脉宽区间,分别利用基于多光子电离和多光子电离引发的碰撞电离的理论模型的计算结果和实验结果基本一致。