CN101625080A - 极高频率频闪点光源发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种极高频率频闪点光源发生器，包括产生脉冲光束的脉冲激光器、使得脉冲光束产生偏转的偏转装置和将偏转的脉冲光束按时序导出的光导装置，光导装置包括由两根或两根以上的导光元件组成的导光组件，经偏转装置偏转后的脉冲光束从导光组件的输入端输入且从导光组件的输出端输出；每根导光元件的一端在导光组件的输入端呈直线排列并与脉冲光束的偏转方向重合，每根导光元件的另一端在导光组件的输出端呈集束排列，例如呈圆形阵列。通过设置产生脉冲光束的脉冲激光器、偏转装置和光导装置，使得脉冲激光器发出的脉冲光束在单个脉冲时段内通过偏转装置偏转后依次耦合进入导光组件中的各根导光元件，并在输出端产生时序的多个频闪光源，从而使得脉冲光束的频闪频率被放大，使得火花型摄影装置的摄影频率得到了极大的提高。

Description

极高频率频闪点光源发生器

【技术领域】

本发明涉及极高速摄影技术，更具体地说，涉及一种极高速摄影技术中所需的极高频率频闪点光源发生器，相邻点光源的时间间隔在亚纳秒量级。

【背景技术】

随着极端物理条件下科学研究的飞速发展，例如极高速激光飞片技术和Z-pinch爆磁-箍缩类所形成的太帕(Tpa)级等熵压力峰值和50-100km/s的飞逸速度，要求在几个纳秒的特征时间里能实现不少于10幅的有着高空间分辨率的分幅图像，即需要实现每秒百亿幅摄影频率的分幅极高速摄影，而且所记录的画幅要有足够大的空间带宽积。这种摄影只有用时序点光源阵列的火花型摄影系统来实现，这种系统的特点是按时序依次驱动并行的多个子光学成像系统，使得摄影机按照预设的频率曝光获得分幅图像，需要保证子系统的个数和获取的画幅张数一样。按照这种原理制作成的极高速摄影装置称为火花摄影装置。

火花摄影装置的实质是依靠并行的子光学成像系统的按时序依次输出，即产生高频率的频闪，其关键技术在于时序点光源的驱动，或者是记录介质的时序记录，其摄影频率直接取决于时序驱动(或时序记录)的最小时间间隔，即分幅时间。目前火花型高速摄影装置中的频闪光源发展成两种类型(文献spie，vol。2513，1996：196～208)：一种是时序驱动LED点光源，适用于后向照明，实现阴影摄影，纹影摄影和干涉摄影，主要是依靠提高LED电光源的闪烁频率来获得较高的摄影频率，其摄影频率可达到每秒一千万幅；另一种是时序驱动面阵CCD阵列，适用于前向照明，主要是通过缩短面阵CCD阵列的感应时序来获得较高的摄影频率，其摄影频率可达到每秒百万幅。这两种类型的频闪点光源均不能达到极高速摄影装置中所需要的每秒百亿幅的摄影频率。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中火花型高速摄影装置中的不能满足极高速摄影技术中所需要的更高的摄影频率的问题，提供一种极高频率频闪点光源发生器，以获得极高频率的频闪。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种极高频率频闪点光源发生器，包括产生脉冲光束的脉冲激光器、使得脉冲光束产生偏转的偏转装置和将偏转的脉冲光束按时序导出的光导装置，所述光导装置包括由两根或两根以上的导光元件组成的导光组件，经所述偏转装置偏转后的脉冲光束从所述导光组件的输入端输入且从导光组件的输出端输出；每根所述导光元件的一端在所述导光组件的输入端呈线性排列并与所述脉冲光束的偏转方向重合，每根所述导光元件的另一端在所述导光组件的输出端呈集束排列。

在本发明所述的极高频率频闪点光源发生器中，所述光导装置中的导光组件为光纤，所述光导装置还包括将所有光纤的一端固定在导光组件输入端的前固定盘以及将所有光纤的另一端固定在导光组件输出端的后固定盘。

在本发明所述的极高频率频闪点光源发生器中，在所述前固定盘上相邻两根所述光纤之间的间距可调。

在本发明所述的极高频率频闪点光源发生器中，所述前固定盘上设有与所述脉冲光束的偏转方向重合的滑槽，在所述滑槽内对应每根所述光纤设有供光纤滑动的通孔，所述光纤的端部设有遮挡所述通孔的挡板，所述挡板在所述滑槽内可沿所述脉冲光束的偏转方向滑动。

在本发明所述的极高频率频闪点光源发生器中，与每根所述光纤对应的所述滑槽和挡板之间设有调整所述挡板在滑槽内位置的微调机构。

在本发明所述的极高频率频闪点光源发生器中，所述微调机构包括设置在所述滑槽壁和挡板之间相互配合的齿轮和齿条，所述齿条方向与所述挡板在滑槽内的滑动方向一致。

在本发明所述的极高频率频闪点光源发生器中，所述偏转装置包括电光偏转晶体和在电光偏转晶体附近产生高压脉冲电场的高压脉冲发生器。

在本发明所述的极高频率频闪点光源发生器中，设置所述脉冲激光器发出的脉冲光束在高压脉冲前沿施加在所述电光偏转晶体上的过程中到达所述电光偏转晶体，使在电光晶体中传输的脉冲光束发生偏转。

在本发明所述的极高频率频闪点光源发生器中，所述电光偏转晶体为铌酸锂晶体或铌酸钾晶体或磷酸氧钛钾(KTiOPO4，KTP)晶体。

实施本发明的极高频率频闪点光源发生器，具有以下有益效果：通过设置产生脉冲光束的脉冲激光器、偏转装置和光导装置，使得脉冲激光器发出的脉冲光束在单个脉冲时段内通过偏转装置后发生偏转；而光导装置包括有多根导管元件组成的导光组件，在导光组件中，所有导光元件的一端在导光组件输入端呈线性排列并与脉冲光束的偏转方向重合，使得经偏转装置偏转后的脉冲光束能够在单个脉冲时间内扫描所有导光元件的输入端；而导光组件中所有导光元件的另一端在导光组件的输出端呈集束排列。在单个脉冲时间内，脉冲光束偏转扫描导光组件中每根导光元件的输入端，使得脉冲光束在单个脉冲时间内能够依次按时序导入至每根导光元件中，并从导光元件的另一端输出；这使得在导光组件的输出端的导光元件依次发出光束，从而在单个脉冲时间内就能获得与导光元件数目相等的频闪次数，从而获得极高频率频闪点光源。产生脉冲光束的脉冲激光器，如调Q激光器(红宝石激光器或者YAG激光器)输出的光脉冲脉宽可达几十纳秒，可单脉冲输出，也可设计成双脉冲输出。

更进一步地，可设置所述偏转装置包括电光偏转晶体和在电光偏转晶体相应部位产生高压脉冲前沿电场的高压脉冲发生器。当激光脉冲光束射入到电光偏转晶体时，高压脉冲前沿的电场使得脉冲光束发生偏转。提高高压脉冲的峰值或缩短高压脉冲的前沿时间，可以进一步提高电光晶体的偏转激光脉冲光束的速度；另外，还可设置偏转后的激光脉冲光束再次通过电光偏转晶体或者设置激光脉冲光束相继通过两个电并联的相同电光偏转晶体，可使得偏转激光脉冲光束的偏转速度可提高一倍。偏转激光脉冲光束的偏转速度的提高能够进一步提高频闪光源的频闪频率。相对于现有技术而言，发生器的频闪频率可达到10¹⁰Hz。

和现有技术中的火花型摄影装置中的频闪光源(主要依靠电路对LED进行控制实现时序曝光)相比，本发明所述的频闪点光源发生器的结构简单，性能稳定，光源亮度高，频闪速度提高了3个量级(其极限过程时间为电光效应的弛豫时间)，是多火花相机理想的光源。实施本发明所述的频闪点光源发生器，能够实现每秒百亿幅摄影频率10～20幅高空间带宽积画幅的摄影记录，为研究极端物理条件下科学实验提供技术保证。目前需要这一发明的科学研究集中在Z-pinch爆磁-箍缩和极高速激光飞片技术等研究领域，它们分别能达到太帕(TPa)级等熵压力峰值和50～100公里/秒的极端物理条件。

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

【附图说明】

图1是本发明所述极高频率频闪点光源发生器的原理结构示意图；

图2是本发明所述极高频率频闪点光源发生器优选实施例中导光组件的立体结构示意图；

图3是本发明所述极高频率频闪点光源发生器优选实施例中导光组件中输入端的结构示意图；

图4是本发明所述极高频率频闪点光源发生器优选实施例中导光组件中输出端的结构示意图；

图5是本发明所述极高频率频闪点光源发生器优选实施例中前固定盘的局部结构示意图；

图6是本发明所述极高频率频闪点光源发生器优选实施例中前固定盘滑槽中挡板的结构示意图；

图7是图5的半剖视图；

图8是图7的A-A剖视图。

【具体实施方式】

如图1、2所示，在本发明所述的极高频率频闪点光源发生器优先实施例中，包括脉冲激光器10、偏转装置20和光导装置30。脉冲激光器10主要用来产生脉冲激光束L，优选脉冲激光器10为调Q的脉冲激光器，如红宝石激光器或者YAG激光器等，可以采用适当的方式获得超细的脉冲光束。优选偏转装置20包括电光偏转晶体21和能产生施加在电光偏转晶体21相应部位的高压脉冲电场的高压脉冲发生器22，这使得脉冲光束L通过电光偏转晶体21时能够产生偏转。电光偏转晶体21优选为铌酸锂晶体。通过调整高压脉冲发生器22可使得脉冲光束L在纳秒量级(2～10ns)的脉冲前沿进行偏转，被偏转的脉冲光束L′在整个偏转时间内扫描光导装置30的输入端。

如图2、3、4所示，设置光导装置30包括导光组件31和固定导光组件两端的前固定盘32和后固定盘33，导光组件31由多根导光元件34组成。在本优选实施例中，导光元件34优选为光纤，光纤的直径最好设置为等于或者小于1mm；导光组件由12根光纤组成(可多至16根光纤)。所有光纤34的一端固定在前固定盘32上，为导光组件的输入端35；所有光纤34的另一端固定在后固定盘32上，为导光组件的输出端36。光纤34在前固定盘32上呈线性排列，并且与脉冲光束的偏转方向重合，使得被偏转装置偏转的脉冲光束L′能够扫描导光组件的输入端35。光纤34在后固定盘33上呈集束排列，优选为圆形排列，也可以是按照其他形状紧密排列在后固定盘33上。当偏转的脉冲光束L′依次扫描前固定盘32上导光组件的各根导光元件34时，脉冲光束L′依次耦合进入各根光纤34，这样在导光组件的输出端36就会按照对应的次序形成时序的频闪光源，使得脉冲光束L′在依次偏转过程中能够产生极高频率的频闪点光源。由于电光晶体21在高压脉冲电场的作用下实现了偏转时间控制在纳秒量级，因此脉冲光束会在这个时间内完成在导光组件输入端的扫描，在导光组件输出端的两个相邻的点光源发光的间隔就缩短至亚纳秒量级，从而大幅提高了频闪光源的频闪频率，提高火花型摄影装置的摄影频率，以实现对极速激光飞片技术和z-pinch爆磁箍缩类极高速过程的摄影记录。

在上述实施例中，优选设置前固定盘上任意相邻两根光纤之间的间距可调，从而可以调整相邻两光纤的频闪间隔时间，使得相邻两次频闪之间的间隔时间相等或者不等，呈某种规律变化。具体地如图5、6、7、8所示，在前固32定盘上设置滑槽37，滑槽37与脉冲光束的偏转方向重合，在滑槽37内对应每根光纤34设有供光纤滑动的通孔38；光纤的端部设有遮挡通孔的挡板39，挡板在滑槽内可沿脉冲光束的偏转方向滑动，从而实现相邻两光纤之间的间距可调。

为了方便调节，可在滑槽37和挡板39之间设置微调机构40。该微调机构40可以包括设置在滑槽壁和挡板之间的齿轮41和齿条42。本优选实施例优选设置齿条42位于挡板上与挡板在滑槽37内的滑动方向相同的方向上，即脉冲光束的偏转方向。当旋转齿轮41时，就可通过齿轮41和齿条42的相互配合，调整挡板39在滑槽37内的位置，从而带动光纤34在通孔38内滑动，实现相邻两光纤之间间距的微调。

本发明所述极高频率频闪点光源发生器，已经在国家自然科学基金课题“光学亚纳秒分幅时间多幅数字图像记录的原理和技术”(60477042)中进行了试验性的应用。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1、一种极高频率频闪点光源发生器，其特征在于，包括产生脉冲光束的脉冲激光器、使得脉冲光束产生偏转的偏转装置和将偏转的脉冲光束按时序导出的光导装置，所述光导装置包括由两根或两根以上的导光元件组成的导光组件，经所述偏转装置偏转后的脉冲光束从所述导光组件的输入端输入且从导光组件的输出端输出；每根所述导光元件的一端在所述导光组件的输入端呈直线排列并与所述脉冲光束的偏转方向重合，每根所述导光元件的另一端在所述导光组件的输出端呈集束排列。

2、根据权利要求1所述极高频率频闪点光源发生器，其特征在于，所述光导装置中的导光组件为光纤，所述光导装置还包括将所有光纤的一端固定在导光组件输入端的前固定盘以及将所有光纤的另一端固定在导光组件输出端的后固定盘。

3、根据权利要求2所述极高频率频闪点光源发生器，其特征在于，在所述前固定盘上相邻两根所述光纤之间的间距可调。

4、根据权利要求3所述极高频率频闪点光源发生器，其特征在于，所述前固定盘上设有与所述脉冲光束的偏转方向重合的滑槽，在所述滑槽内对应每根所述光纤设有供光纤滑动的通孔，所述光纤的端部设有遮挡所述通孔的挡板，所述挡板在所述滑槽内可沿所述脉冲光束的偏转方向滑动。

5、根据权利要求4所述极高频率频闪点光源发生器，其特征在于，与每根所述光纤对应的所述滑槽和挡板之间设有调整所述挡板在滑槽内位置的微调机构。

6、根据权利要求5所述极高频率频闪点光源发生器，其特征在于，所述微调机构包括设置在所述滑槽壁和挡板之间相互配合的齿轮和齿条，所述齿条方向与所述挡板在滑槽内的滑动方向一致。

7、根据权利要求1所述极高频率频闪点光源发生器，其特征在于，所述偏转装置包括电光偏转晶体和在电光偏转晶体上产生高压脉冲电场的高压脉冲发生器。

8、根据权利要求7所述极高频率频闪点光源发生器，其特征在于，设置所述脉冲激光器发出的脉冲光束在高压脉冲前沿施加在所述电光偏转晶体上的过程中到达所述电光偏转晶体，使脉冲光束经过电光晶体后发生偏转。

9、根据权利要求7所述极高频率频闪点光源发生器，其特征在于，所述电光偏转晶体为铌酸锂晶体或铌酸钾晶体或磷酸氧钛钾晶体。

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