CN104882785B - 一种基于激光腔内调制的辐射光探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于激光腔内调制的辐射光探测方法及装置，该基于激光腔内调制的辐射‑光探测器，包括至少一个激光谐振腔，激光依次经辐射作用介质和激光腔输出镜后输出；激光进入辐射作用介质时，待测粒子同时进入辐射作用介质对激光的光学性质进行扰动。该基于激光器腔内核辐射调制的辐射‑光脉冲辐射探测器，针对不同辐射粒子该探测器可以实现对电子与质子等带电粒子以及伽马与中子等中性粒子脉冲的测量。突出特点是采用激光内调制方式的技术思路，具有较高的探测效率，探测器输出信号为激光信号(可以直接采用光纤进行远距离传输)等优点。

Description

一种基于激光腔内调制的辐射光探测方法及装置

技术领域

本发明属于辐射探测方法及装置，具体涉及一种可用于于脉冲电子、质子、中子、伽马等电离辐射脉冲强度、时间谱测量的基于激光腔内调制辐射-光探测器。

技术背景

脉冲辐射探测技术是实验核物理学研究领域中一个重要的技术分支。依据不同的工作原理、具备不同的参数性能以及瞄准不同的应用目标，已成功研发出多种不同的新型核辐射探测器。目前常见的辐射探测器主要有径迹型辐射探测器、电信号型辐射探测器以及闪烁探测器等类型。

脉冲辐射粒子(量子)在真空或介质中的时空分布，称为脉冲辐射场，其中时间特征参数是描述脉冲辐射场时间分布的重要参数，具体包括脉冲上升时间与脉冲时间宽度。脉冲强度以及时间谱测量的主流探测器基本都是电流型探测器，主要特点是探测器输出信号为电流信号、信号以同轴电缆传输并配备数字示波器以及电流计等记录设备。

电流型辐射探测器用于时间谱测量的脉冲时间响应在ns量级，脉冲前沿可以到亚ns，难以实现100ps以下辐射脉冲的测量。而聚变过程如惯性约束核聚变过程时间尺度在80-200ps，对探测器的时间响应要求在10ps以下，目前没有任何一种电流型探测器可以实现这一指标。

由于激光脉冲可以采用高带宽的光纤传输，且激光脉冲时间宽度可以通过变像管条纹相机直接进行测量，因此基于激光信号的新型辐射探测技术是近年来研究的热点课题。

美国劳伦斯.利弗莫尔实验室首先提出基于激光方法的辐射-光探测器，并由实验验证系统时间响应小于10ps，完全可以实现超快X射线脉冲的时间谱测量目标。

根据已有的文献资料报道的研究成果，基于激光器件的核辐射探测方法具有以下几个特点：

(1)迄今为止，就可查阅的文献来看，采用激光方法进行核辐射探测都集中在外光路(腔外)，且大多是用于快脉冲的时间谱测量；

(2)基于半导体激光器的辐射探测方法并未涉及激光器件本身的设计，核心探测前端仍是目前主流的电流型探测器；

(3)目前激光方法测量时间谱的测量系统时间响应能力均可小于1ns，响应时间最小的为LLNL实验室提出的基于外光路折射率调制的探测技术，系统响应时间实验结果均小于10ps；

(4)就测量对象来看，主要以脉冲X射线或者脉冲γ射线，很少有用于电子与质子等带电粒子测量的探测方法；

(5)目前最为前沿时间响应也最小的外光路折射率调制方法，其实验方案细节并未公布，晶体的关键设计参数也未知，系统灵敏度比较低，对实验条件及后端记录设备指标要求很高。

从上述特点不难看出，基于激光器件的核辐射探测技术研究需求明确，利于实现超快辐射脉冲时间谱的测量，但目前仅有少数实验室具备系统整体研制能力，基于激光方法需要不断创新思路，关键技术仍需进一步探索研究。

发明内容

本发明提出一种基于激光器腔内核辐射调制的辐射-光脉冲辐射探测器，针对不同辐射粒子该探测器可以实现对电子与质子等带电粒子以及伽马与中子等中性粒子脉冲的测量。突出特点是采用激光内调制方式的技术思路，具有较高的探测效率，探测器输出信号为激光信号(可以直接采用光纤进行远距离传输)等优点。

本发明的解决方案为：

该基于激光腔内调制的辐射-光探测器，包括至少一个激光谐振腔，所述激光依次经辐射作用介质和激光腔输出镜后输出；所述激光进入辐射作用介质时，待测粒子同时进入辐射作用介质对激光的光学性质进行扰动，扰动主要有两种方式产生：一是通过吸收或散射引入腔内损耗，二是通过改变辐射作用介质折射率张量实现腔内辐射-光调制，两类方式产生的扰动均可反映为激光输出功率的改变。

上述激光谐振腔为多级级联时，激光泵浦源输出的激光依次经谐振腔全 反镜、激光增益介质、多级复合腔激光出射镜和复合腔激光入射镜、辐射增益介质、激光谐振腔输出镜后出射；待测粒子经置于激光谐振腔内的辐射增益介质(类似于激光放大晶体)进入光路对激光的光学性质进行扰动，该扰动主要通过影响增益介质的粒子数密度产生，所述复合腔内的辐射增益介质与激光增益介质为同种材料。

上述辐射作用介质包括固体介质、气体介质或液体介质，具体需要根据待测辐射粒子类型做选择，例如当待测粒子为中子时，可采用石英封装的中子反应截面较高的³He混合气体或者甲烷气体；待测粒子为γ或者X射线时，可采用电子水合液，通过改变电子水合液的透过率，影响激光腔内吸收损耗，进而改变激光功率输出；待测粒子为质子等带电粒子，可选用半导体如Si、ZnO、GaAs晶体，光学晶体如KDP(磷酸二氢钾KH₂PO₄)、Nd³⁺:YVO₄、Cr^{3 +}:Al₂O₃、Nd:YAG等(应具体一点，比如固体包括哪些，上述限定方式相当于未进行限定)。

上述辐射作用介质应在激光输出波段透明，辐射作用介质入射与出射端面(介质为气体或液体时可采用石英封装)需要镀增透膜，辐射作用介质若为液体时，在谐振腔内引入的插入损耗要小，数值上插入损耗与谐振腔其他腔内损耗之和不得大于激光腔内增益。

上述激光谐振腔是F-P谐振腔、环形谐振腔或复合谐振腔。

上述经激光腔输出镜的激光为连续激光或脉冲激光。

该基于激光腔内调制的辐射光探测方法包括以下步骤：

1]激光泵浦源输出的激光在激光谐振腔内经谐振腔全反镜输出至辐射作用介质，并记录激光泵浦原输出的激光参数；

2]待测粒子输入至辐射作用介质；

3]待测粒子在辐射作用介质内对激光产生扰动；

4]记录被扰动的激光经输出镜或出射镜后测量输出的激光参数；

5]通过步骤1和步骤4中激光参数的变化量确定待测粒子的辐射脉冲强度。

上述步骤4中，记录激光参数具体是包括用于记录波形的示波器或者条纹相机，用于记录强度的光电转换器，光电转化器将激光信号转换为电信号 进行记录。

上述步骤1中，激光泵浦源输出的激光先经激光增益介质后经谐振腔全反镜输出；若步骤1中激光先经激光增益介质后输出，则步骤2中待测粒子可以直接输入至辐射作用介质，或待测粒子同时输入至激光增益介质和辐射作用介质。

本发明的优点是：

1、本发明基于激光腔内调制方法，将辐射作用介质设置在光学谐振腔内，利用谐振腔对激光扰动的放大作用，使辐射作用介质对激光强度的调制作用较现有激光方法更加明显，因此相对于相比于基于激光外调制方法的辐射-光探测器(如利弗莫尔实验室的探测方法)灵敏度更高。

2、本发明提出的探测方法及装置从原理上可以实现不同辐射粒子的测量，通常只需要根据待测辐射类型更换不同激光介质以及辐射作用介质，就可以实现不同粒子的探测，因此，本发明具有很强的通用性。

3、本发明提出的辐射-光探测器区别于目前主流的电流型探测器，其输出信号为激光信号，可以方便实现快信号的光纤无损传输，同时具有强的抗电磁干扰能力。

4、本发明不仅在脉冲时间谱测量中具有优势，方法及装置同样适用于脉冲及稳态的辐射场强度的测量。

5、本发明相比于基于激光外调制方法的辐射-光探测器，由于不涉及激光腔外光路设计，因此该装置相比其他激光方法还具有结构简单、成本更低的优点。

附图说明

图1为本发明的方法及装置原理示意图；

图2为基于本发明方法的复合腔结构布局示意图；

图3为基于本发明方法的环形腔结构示意图；

图4为GaAs晶体带隙收缩效应引起的折射率改变量与载流子浓度之间的关系曲线图；

图5为GaAs晶体带填充效应引起的折射率改变量与载流子浓度之间的关系曲线图；

图6为GaAs晶体自由载流子吸收效应引起的折射率改变量与载流子浓度之间的关系曲线图；

图7为腔内电光调制引起的相移与腔内损耗之间的关系曲线图；

图8为中子泵浦He与Ar混合气体介质的核泵浦激光器实验波形；

图9为脉冲电子束泵浦的气体激光器输出脉冲时间关系图。

附图标记如下：1为谐振腔全反镜，2为激光增益介质，3为辐射作用介质，4/7为脉冲辐射粒子束流，5为激光谐振腔输出镜，6为激光泵浦源；a-F-P谐振腔全反射镜，b-激光增益介质，c-辐射作用介质，d-复合腔激光出射镜，e-激光泵浦源，f-F-P谐振腔激光输出镜，g-复合腔部分入射镜，h-激光传输光路，j-辐射粒子束。

具体实施方式

以下对本发明的原理进行详细说明：

从利用激光完成辐射探测的角度考虑，只能在激光三个阶段加载辐射信号：一是产生阶段，即考虑泵浦源部分；二是形成阶段，即腔内(包括腔镜设计)各个器件；三是传输阶段，即通过影响传输介质加载信号，目前利用激光进行辐射探测的研究均集中在传输阶段，即激光产生以后在激光外传输光路上加载辐射信号。

本发明提出的辐射探测方法及装置主要针对产生阶段和形成阶段，即通过激光器件的腔内调制实现辐射脉冲信号时间谱的测量。

光辐射的调制是指改变光波振幅、强度、相位、偏振参数使之携带信息的过程。根据调制模块和激光器的关系，激光调制技术可分为内调制和外调制两种类型。外调制是激光形成以后，在激光器外部光路上放置调制器，使通过调制器的激光参量受到调制；内调制是把调制信号加载到激光振荡过程中，通过改变激光器的振荡参数来改变激光器的输出特性。外调制的调制频率高、带宽宽，但其调制信号小、调制电压高、功耗较大、对驱动源的要求高。而内调制一般通过改变激光器谐振腔的增益或损耗来实现，增益或损耗轻微的改变会显著地影响激光的输出。因此内调制的调制深度大，效率高。

利用光学谐振腔的正反馈(信号放大)作用，采用相同辐射作用介质可实现比现有腔外调制方式更高的探测灵敏度。在激光谐振腔内通过影响腔内损 耗(或者增益)加载辐射脉冲信号，如腔内加入介质微扰实施内调制或者引入激光扰动。该方法理论上对激光器的类型无特殊限制，实验上通常选择(半)开腔式固体激光器。

激光谐振腔内调制具体是在激光谐振腔内光路上放置特定的辐射作用介质(光学晶体、半导体、液体等)，例如当待测粒子为中子时，可采用石英封装的中子反应截面较高的³He气体或者甲烷气体；待测粒子为γ或者X射线时，可采用电子水合液，通过改变电子水合液的透过率，影响激光腔内吸收损耗，进而改变激光功率输出；半导体如Si、ZnO、GaAs晶体，光学晶体如KDP(磷酸二氢钾KH₂PO₄)、Nd³⁺:YVO₄、Cr³⁺:Al₂O₃、Nd:YAG，在辐射粒子入射到半导体及光学晶体中时，主要引起晶体折射率张量的变化，导致谐振腔品质因数的改变，最终将腔内的扰动反映到激光输出参数当中，在实现方式上与电光调制类似。(而这里主要的区别是将电光调制中采用的调制电场换成了待测的脉冲辐射场。

例如对半导体激光器的电信号进行调制(如何调制是否为公知？)，其调制频率(与探测系统时间响应有关)决定于激光器中的载流子寿命。

以下结合具体实施例对本发明进行详述：

该基于激光腔内调制的辐射-光探测器包括激光器、辐射作用介质与激光信号测试设备三部分。激光器由激光谐振腔、激光增益介质、泵浦源、光阑、辐射作用介质及辅助设备构成；辐射作用介质位于谐振腔内，用于对腔内激光进行调制；激光谐振腔至少是一个，也可以腔是多个级联，光阑作为辅助器件在腔内作为滤波器件使用；激光腔输出的激光可以是连续激光也可以是脉冲激光，经由传输光路入射测试端获得激光有关参数特征变量；辐射-光探测器是区别于电流型辐射探测器，其本质是将辐射粒子信号转换为激光信号的辐射探测器；

激光器类型选择具有一定的灵活性，主要依据辐射作用介质对激光波长的需求来确定；辐射作用介质可以是固体、气体甚至是液体，理论上由待测粒子的类型及能量决定，以使得辐射对相互作用介质的光学性质改变足够大，进而对激光实现可观的信号调制量；激光信号测试设备为常用光学设备，时 间波形记录需要借助示波器或者条纹相机来实现，强度测量需要将激光信号转换为电信号进行记录；激光谐振腔结构可以是F-P腔、环形腔、折叠腔、复合腔及其他可引入辐射作用介质的谐振腔；激光器腔内的激光增益介质决定输出激光波长，波长选择需要与辐射作用晶体匹配，使辐射晶体插入损耗最小，泵浦方式优先采用光泵浦，泵浦源功率可调；辐射粒子入射方向主要针对辐射作用介质入射，但在辐射作用介质与增益介质为同一种物质时，也可与泵浦原同时入射到激光增益介质中，通过改变激光增益介质实现激光腔内调制。

美国劳伦斯.利弗莫尔实验室研发的辐射光探测器，是以InGaAsP等化合物半导体为辐射作用介质，通过改变激光外光路的折射率实现X射线脉冲的加载，最后利用双光束干涉测得这一折射率变化获得脉冲X射线时间谱信息。由于是外调制方式，其系统探测效率非常低，对后端光学参数测试系统要求很高，导致探测器实用性降低，本发明将辐射作用介质从腔外移到腔内，借助光学谐振腔的光放大作用予以提高系统探测效率，并保留这种激光方法的天然优势。以辐射电离产生电子空穴对，从而改变晶体折射率(介电常数)张量实现内调制为例，辐射脉冲入射前后，折射率的变化对应于原来标准形式的折射率椭球会在形状大小和方位上发生变化：

B₁₁x²+B₂₂y²+B₃₃z²＝1 (1)

加入调制后折射率椭球方程变为：

(B₁₁+ΔB₁)x²+(B₂₂+ΔB₂)y²+(B₃₃+ΔB₃)z²+2ΔB₄yz+2ΔB₅xz+2ΔB₆xy＝1 (2)

折射率调制引起的激光相位延迟：

ρ_po＝N_eh/s³为单个辐射粒子引起相移元内电子空穴对密度。

可以看出，相位延迟与折射率直接相关，根据2004年Rev.Sci.Instrum文献报道结果，百keV的脉冲X射线激发下GaAs晶体折射率变化在0.01-0.1之间，且均能测到变化。载流子折射率调制物理机制过程主要由带填充效应/带隙收缩效应以及自由载流子吸收效益三个物理效应引起，如图4-6所示分别为带隙收缩效应、带填充效应以及自由载流子吸收效应引起的载流子折射率调制幅度，可以看出，带填充效应和自由载流子吸收效应引起折射率变化的方向一致，而带隙收缩效应与两者相反。理论计算结果表明，带隙收缩效应比带填充效应小得多，且对于GaAs晶体，在载流子浓度3×10¹⁸cm^-3时折射率改变量达到最大，而这一载流子浓度实验上容易实现。就光学晶体而言，对于最常用的KDP双折射晶体，折射率差别为Δn＝1.51-1.47＝0.04,因此，辐射引起的折射率变化量是可观的，通过激光腔的放大作用，这个变化量会更加显著。换言之，对于相同的折射率变量要求，谐振腔内调制方式需要的载流子浓度比现有外调制方式更低，反映到探测系统的粒子探测效率更高。

对于腔内调制，折射率引起的相位调制可以转换为腔内损耗调制，采用琼斯矩阵方法，可以得到谐振腔内激光往返一次的损耗为：

其中P为输出镜透射率t相关的布儒斯特窗因子：

δ为辐射作用介质导致的相位变化量,如图7所示为相位变化量与腔内损耗之间的关系曲线。激光的损耗对晶体产生的相位延迟非常敏感，细微的相位延迟改变就能极大地改变激光的损耗，即脉冲辐射粒子束引起作用晶体相位的细微变化能导致激光输出光强的很大改变。这是内调制激光器优于外调制激光器的最大优点，也是本发明具备高探测效率的根本依据。腔内损耗最 终影响激光输出功率。瞬态损耗调制实现的激光脉冲时间宽度与辐射脉冲时间长度直接相关：

其中时间常数由腔长与辐射脉冲时间长度决定，因此，激光强度变化与脉冲时间长度相关，是辐射引起相位变化(折射率变化)量的函数：

I(τ)＝f(δ) (6)

在激光器件物理研究领域也有一些先验实验结果可以证明辐射脉冲与输出激光的时间对应关系。如图8-9所示，分别为中子与电子泵浦激光器的输出波形。可以看出在辐射脉冲直接泵浦激光介质时，相当于提高了反转粒子数密度，最后反映在激光脉冲波形上，具有很好的时间跟随规律，由此可见，通过激光腔内调制方式可以实现辐射脉冲强度与时间谱的测量，谐振腔长度可以依据辐射作用晶体厚度进行设计，而1ps的光程约为0.3mm，因此，理论上可以实现10ps以下脉冲辐射粒子时间波形的测量。

综上，为了实现不同辐射粒子脉冲强度尤其是脉冲时间谱的测量目标，本发明基于激光技术与核辐射探测技术交叉学科，以激光器件腔内调制为主要技术思路，利用谐振腔对辐射信号“调制”引起的激光损耗或者增益信号的放大作用，建立一种具有低成本、超快时间响应、高系统探测效率、结构简单、抗电磁干扰(光纤传输)等突出的优点的脉冲辐射探测方法及原理装置。该探测方法的提出及装置研制将为超快脉冲强度及脉冲时间谱测量技术的发展提供有益的参考。

Claims (7)

1.一种基于激光腔内调制的辐射-光探测器，包括至少一个激光谐振腔，其特征在于：所述激光依次经辐射作用介质和激光腔输出镜后输出；所述激光进入辐射作用介质时，待测粒子同时进入辐射作用介质对激光的光学性质进行扰动；所述激光谐振腔为多级级联时，激光泵浦源输出的激光依次经谐振腔全反镜、激光增益介质、多级复合腔激光出射镜和复合腔激光入射镜、辐射增益介质、激光谐振腔输出镜后出射；待测粒子经置于激光谐振腔内的辐射增益介质进入光路对激光的光学性质进行扰动，所述复合腔内的辐射增益介质与激光增益介质为同种材料。

2.根据权利要求1所述的基于激光腔内调制的辐射-光探测器，其特征在于：所述辐射作用介质包括固体介质、气体介质或液体介质，应根据待测辐射粒子类型选择，当待测粒子为中子时，采用石英封装的中子反应截面较高的³He混合气体或者甲烷气体；待测粒子为γ或者X射线时，采用电子水合液，通过改变电子水合液的透过率，影响激光腔内吸收损耗，进而改变激光功率输出；待测粒子为质子等带电粒子，选用半导体晶体或光学晶体。

3.根据权利要求2所述的基于激光腔内调制的辐射-光探测器，其特征在于：所述辐射作用介质应在激光输出波段透明，辐射作用介质入射与出射端面需要镀增透膜，辐射作用介质若为液体时，在谐振腔内引入的插入损耗要小，数值上插入损耗与谐振腔其他腔内损耗之和不得大于激光腔内增益。

4.根据权利要求3所述的基于激光腔内调制的辐射-光探测器，其特征在于：所述激光谐振腔是F-P谐振腔、环形谐振腔或复合谐振腔。

5.根据权利要求4所述的基于激光腔内调制的辐射-光探测器，其特征在于：所述经激光腔输出镜的激光为连续激光或脉冲激光。

6.一种基于激光腔内调制的辐射光探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1]激光泵浦源输出的激光在激光谐振腔内经谐振腔全反镜输出至辐射作用介质，并记录激光泵浦原输出的激光参数；

2]待测粒子输入至辐射作用介质；

3]待测粒子在辐射作用介质内对激光产生扰动；

4]记录被扰动的激光经输出镜或出射镜后测量输出的激光参数；记录激光参数具体是包括用于记录波形的示波器或者条纹相机，用于记录强度的光电转换器，光电转化器将激光信号转换为电信号进行记录；

5]通过步骤1和步骤4中激光参数的变化量确定待测粒子的辐射脉冲强度。

7.根据权利要求6所述的基于激光腔内调制的辐射光探测方法，其特征在于：所述步骤1中，激光泵浦源输出的激光先经激光增益介质后经谐振腔全反镜输出；若步骤1中激光先经激光增益介质后输出，则步骤2中待测粒子可以直接输入至辐射作用介质，或待测粒子同时输入至激光增益介质和辐射作用介质。