大动态范围高时空性能X射线条纹相机的研制

为了满足激光驱动惯性约束聚变(ICF)的诊断需求,研制了一台大动态范围高时空性能X射线条纹相机系统;通过优化电子光学设计、改进条纹变像管的制作工艺,以及制作和使用高效器件来达到提高条纹相机动态范围以及时间和空间性能的目的;设计相机的阴极工作长度为30mm,聚焦电压为12kV;借助飞秒和皮秒激光器组建相机的静态和动态标定测试系统。结果表明:该相机系统的空间分辨率大于20lp/mm,时间分辨率达到5ps,动态范围达到2237∶1,扫描速度非线性小于3%;相机具有4个挡位,可以实现4个扫描速度下的超快信号获取;该相机性能优良,可以满足激光聚变研究中时间、空间、能谱分辨的精密化诊断要求。     

超小型条纹管的动态特性研究

基于条纹相机的非推扫式激光雷达可以实现三维多光谱荧光及偏振成像,克服了传统雷达技术中由于目标和搭载平台之间相对移动形成的图像畸变,图像刷新率高,也便于小型化.本文针对这一新技术发展的需求设计了一款大面积(阴极有效面积?25)、超小型(阴极到荧光屏净尺寸为100 mm)、无栅网、球面阴极、球面荧光屏的条纹管,利用电子轨迹追踪法理论分析了偏转板位置对偏转灵敏度和空间分辨率的影响.动态分析演示了从阴极面狭缝上同时出发的光电子在条纹管内部不同飞行阶段的时间畸变过程,给出了条纹管在扫描工作模式下狭缝像弯曲所对应的定量时间畸变值.该条纹管极限时间分辨率优于30 ps,在其阴极狭缝长28 mm的范围内,边缘动态空间分辨率大于10 lp/mm,阴极狭缝为30 mm×50μm时条纹管的动态时间分辨率优于50 ps,放大倍率为1.2.     

小型条纹管数值模拟及实验研究

针对无人机载及星载激光成像雷达系统对条纹管的小型化、高空间分辨率与大探测面积的应用需求,研制了一台具有高边缘空间分辨能力、高亮度增益的小型条纹相机.采用球面光电阴极、球面荧光屏技术提高了条纹相机的边缘空间分辨率和探测面积,有利于增大激光成像雷达的探测视场;采用狭缝型加速电极代替传统栅网电极,有利于提高条纹相机的电耐性和可靠性;设计了加载高达-15 kV工作电压的像缩小型条纹管,增大了条纹管的亮度增益,有助于增大激光雷达系统的探测距离.测试结果显示：在有效工作面积16 mm×2 mm内,条纹管静态空间分辨率高于29.3 lp/mm@MTF=5%（MTF表示调制传递函数）,亮度增益高达39.4.条纹相机光电阴极处静态空间分辨率高于15 lp/mm@CTF=11.64%（CTF表示对比度传递函数）;边缘动态空间分辨率高于9.8 lp/mm@CTF=5.51%;时间分辨率优于54.6 ps@T_screen=4.3 ns（T_screen为全屏时间）且在整个工作面积内具有较高的一致性;动态范围为345：1@54.6 ps.同时,为满足不同的景深及探测精度需求,相机设置六个扫描档位,可以实现不同扫速下的超快速目标诊断.该条纹相机在无人机载及星载激光成像雷达探测中具有潜在的实用价值.     

各向异性聚焦大动态条纹变像管

建立了各向异性聚焦大动态条纹变像管电子光学模型,通过求解整个系统的电场分布对可能的高压打火点进行了分析,研究了电四极透镜对条纹管放大倍率以及静态和动态像质的影响,并计算了该管型的时间畸变.结果表明,在20mm长狭缝的情况下,时间畸变为15ps,在这15ps内,偏转器所施加的扫描电压的变化范围仅为3.06V,因此由时间畸变导致狭缝像弯曲的现象几乎可以忽略.实验测试得该条纹相机的时间分辨可达1.8ps,在时间分辨为8ps时,动态范围超过1 000∶1.     

基于电子轰击式CCD的大动态条纹相机研究

为了实现对更弱、以及物理量跨度更大的信号探测, 满足材料、生物、信息、半导体物理以及能源等重大科学领域对诊断精密化的进一步需求, 需要提高条纹相机的动态范围、空间分辨率和信噪比. 为此, 本文研制了基于电子轰击式CCD(EBCCD)的大动态条纹相机, 条纹变像管采用时间和空间方向分别聚焦的矩形框电极和电四极透镜结构, 可降低空间电荷效应. 并提高电子加速电压, 减小电子渡越时间以降低空间电荷相互作用时间. 采用基于电子轰击读出技术的背照式CCD(BCCD)作为读出器件, 取代传统的像增强CCD(ICCD)以缩短图像转换链, 较大地降低了超快诊断设备转换过程中的图像衰减, 从而提高条纹相机图像的信噪比、空间分辨率和动态范围. 实验得到静态空间分辨率高于35 lp/mm, 动态空间分辨率达到20 lp/mm, 偏转灵敏度为60.76 mm/kV, 动态范围达到2094:1, 扫描速度非线性为5.04%, 条纹相机的电子轰击半导体(EBS)增益达到3000以上.     

全光固体条纹相机的理论及其静态实验研究

全光固体条纹相机采用空间调制抽运光激发平板波导光偏转器,通过精确控制抽运光和信号光之间的时间延迟,实现对入射到波导芯层信号光的偏转扫描.它能有效解决传统变像管条纹相机因空间电荷效应造成的动态范围降低以及光电阴极材料在红外波段探测受限等问题,且结构简单,系统稳定性高,理论时间分辨率可达皮秒甚至亚皮秒量级.本文围绕全光固体条纹相机的核心部件—–AlxGa1-xAs/GaAs/AlxGa1-xAs平板波导光偏转器,研究了在带填充效应、带隙收缩效应以及自由载流子吸收效应作用下GaAs折射率的变化情况;在GaAs折射率变化达到0.01量级,信号光束斑大小和波导宽度之比p=0.5时,得到系统的理论时间分辨率为2 ps;按照静态实验条件求得的理论空间分辨率为17 lp/mm,实验结果显示其值为9 lp/mm.     

条纹相机动态范围的标定

利用法布里-珀罗标准具对条纹相机的动态范围进行了标定实验研究,提出脉宽加宽20%的强度值为饱和点值的条纹相机动态范围的严格定义,对噪声控制进行了简单必要的分析。当输入脉冲宽度为30 ps时,在给定扫速档位,实验给出S-1条纹相机的动态范围为102。     

模块化程控各向异性聚焦条纹相机

通过采用各向异性聚焦及电四极透镜技术,设计出物理弥散达到0.38 ps,边缘空间分辨力达到56 lp/mm的新型条纹变像管。研制出对条纹相机高压输出、环境监测、扫描档位切换和相机工作方式选择的模块化程控系统。利用Nd:YLF（脉冲宽度8 ps、波长263 nm）脉冲激光器对相机的性能指标进行了标定,测得静态和动态空间分辨力分别为35 lp/mm和25 lp/mm,动态范围达到950∶1,时间分辨力达到8 ps,在扫描和狭缝方向可实现独立变倍和KB显微镜耦合,便于对目标的空间分辨力进行灵活配置。     

储能电容对GaAs光电导开关快前沿正负对称脉冲输出特性的影响

针对GaAs光电导开关快前沿正负对称脉冲输出特性的研究,对提高飞秒条纹相机的时间分辨率具有重要意义.本文使用脉宽为60 fs的激光器触发电极间隙为3.5 mm的GaAs光电导开关,在不同的储能电容及外加偏置电压条件下,获得具有上升时间最快为149 ps,电压传输效率最高为92.9%的快前沿正负对称输出,测试结果满足条纹相机实现飞秒时间分辨率的设计需求.实验结果的对比分析表明,储能电容是影响电压传输效率及上升时间的重要因素之一.同时,结合GaAs光电导开关线性工作模式特点及电容储能特性分析表明,当触发激光特性相同时,随着储能电容的增大,输出电脉冲传输效率及上升时间均会增加.研究结果将有助于GaAs光电导开关更好地应用于飞秒条纹相机中.     

变像管皮秒分幅和飞秒扫描相机的实验研究

本文将描述两种变像管皮秒分幅相机和一种飞秒扫描相机的设计特点、动态测试方法和实验结果。第一种变像管皮秒分幅相机采用了交叉点扫描多光栏分幅的方法,其变像管具有长加速电极和短阳极的静电弱聚焦系统与偏转灵敏度高、偏转像质好的偏转群体结构;其超快速控制电路只需一个光电开关斜坡电压脉冲发生器和一个特殊设计的脉冲成形网络即可送出具有合适时间关联的4对正负极性三角波和一对正负极性的单台阶液电压脉冲。实验表明,该相机在提供6幅分幅图像的情况下,每幅图像全曝光时间为80ps,除 3～4幅图像间的时间间隔为680ps外,其余均为160ps,动态空间分辨率达到5.51p/mm。第二种变像管皮秒分幅相机采用快门式分幅方法;其变像管采用行波偏转系统,内增强MCP做成带状线结构,并具有输入输出阻抗变换器,其三台阶波和快门脉冲序列均由光电开关电路和脉冲成形网络产生。该相机在提供三幅分幅图像的情况下,每幅图像全曝光时间为660ps,画幅之间的时间间隔均为4ns,动态空间分辨率为5.5lp/mm。飞秒扫描相机采用MCP内增强飞秒扫描变像管、具有负时间畸变的中继透镜和无触发晃动的光电开关扫描电路。实验证明,该相机在时间分辨率为500fs时,其动态范围为30;当时间分辨率为1.2ps时,其动态范围可达500;无扫描图像弯曲现象,触发晃动为±2ps.     

X射线皮秒变象管扫描相机时空分辨率测量

X射线皮秒变象管扫描相机是一种应用变象管技术测量X射线波段脉冲辐射而能达到皮秒级时间分辨率和微米级空间分辨率的时空测试系统,是高功率激光打靶产生等离子体诊断的有力工具。时间分辨率和空间分辨率是X射线皮秒变象管扫描相机最基本的性能参数。这些参数的测量有其不同于可见光扫描相机的特殊性。     

一种新型皮秒同步扫描变像管

本文描述了一种新型皮秒同步扫描变像管的设计特点及实验结果。其静态空间分辨率为50lp/mm,时间分辨率为1.1ps。     

A Soft X-ray Streak Camera with Slit Length of 30 mm

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一种用于荧光皮秒时间分辨光谱的测试系统

本文详细描述了一种由氩离子锁模激光器、样品池、分光系统及微微秒条纹相机构成的用于测试低强度荧光微微秒时间分辨光谱的系统。给出了典型样品的测试结果:时间分辨率为10ps,光谱范围为500Å—800Å。最后对测量结果进行了分析讨论。     

单模光纤脉冲展宽效应实验研究

利用时间分辨率为2ps的扫描相机和实时处理系统研究了当脉宽为15ps波长为1.06μm的Nd:YAG激光脉冲在单模光纤中传输时,光纤中自相位调制(SPM),正群速色散(GVD)和受激喇曼散射(SRS)引起的联合非线性效应。     

激光器参数综合检测系统设计

为解决目前各激光器检测仪功能单一、检测精度低等问题,研制了一种新型智能激光器参数检测系统。该系统采用现代控制技术和微机软件,且配有特定结构的分光束光学系统,能同时实现辐射器光轴平行性、光束性能参数（包括光束发散能量、脉宽、编码精度）、光轴稳定性测试和系统整体性能测试。通过引入红外自准直仪使系统的角分辨率达到了2″,借助示波器捕获窄达100ps的激光脉冲,高精度、大动态范围的激光能量计可精确测量出激光的能量。     

高重复频率触发模式皮秒扫描相机

讨论了高重复频率扫描电路的研制,利用此扫描电路研制了扫描相机,使用掺钛兰宝石激光器进行了时间分辨率的标定,使用半导体激光器作为光源进行了脉冲宽度的测试.最高工作频率为：1 MHz,时间分辨率为：1.8 ps.