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本发明公开了基于超快激光的高时间分辨全息偏振显微成像系统及方法，光源系统产生超短激光脉冲，经过四分之一波片后被调制成圆偏振光，时间延迟系统将入射激光脉冲分成两个延迟时间可调的探测子脉冲，两个探测子脉冲通过衍射系统后，经过分光镜分两路分别进入干涉系统的样品光路和参考光路，分别得到物光波和参考光波；参考光波和物光波经过第三分光镜后在记录平面叠加，叠加后的光场由与光源系统同步的记录系统来记录，得到包含两个不同时刻的物光波各正交偏振分量的复振幅信息的时间分辨偏振全息图；采用全息图的处理方法对时间分辨偏振全息图进行处理，得到两个不同时刻透过超快变化样品的物波各正交偏振分量的复振幅信息。