CN106546617A - 一种超高时间分辨光学探测装置 - Google Patents

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白永林
赵卫
刘百玉
曹伟伟
徐鹏
缑永胜
朱炳利
白晓红
秦君军
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Abstract

本发明提供一种超高时间分辨光学探测装置，其包括：一个待测辐射目标，一个探针光源，一个光栅掩膜板，一个探测半导体，所述探测半导体的载流子寿命为皮秒到飞秒量级，所述探测半导体具有一第一表面，所述第一表面设有一个反射层以反射所述探针光源发出的探针光，所述反射层对所述待测辐射目标发出的光线透明，一个反射镜，一个会聚透镜，以及一个探测器。本发明提供的超高时间分辨光学探测装置采用的探测半导体的载流子寿命在飞秒量级，并通过会聚透镜采集携有待测光信息的二维衍射图像，从而实现待测光二维图像下的超高时间分辨探测。

Description

一种超高时间分辨光学探测装置
技术领域
本发明涉及超快光学信号记录及处理技术领域，尤其涉及一种用于各类辐射场的具有超高时间分辨的光学探测装置。
背景技术
随着目前对各类超快现象、超快物理、生物、化学等过程的细节信息的追求，对超快诊断工具的需求不断提高，其中最为关注的是探测装置的时间分辨和探测波段。传统的用于X-ray探测主要基于闪烁体、荧光屏和气体探测器，将X-ray等强场辐射转换为可见光波段，以供后端CCD成像记录。然而，这几种方法都无法实现对X-ray时间分辨成像。
目前，对X-ray的高时间分辨成像主要采用X-ray条纹相机和分幅相机，条纹相机因于其前端通过狭缝对目标进行空间上的一维取样，所以对辐射目标只能形成一维的条纹像，不具备二维成像能力；分幅相机由于受电子渡越时间的限制，很难突破30-40ps的理论极限。更为严重的是，在许多极端物理环境下，伴随大量的脉冲中子、伽马射线会使传统分幅和条纹探测设备失效或损坏，无法满足实际的诊断需求。
发明内容
本发明的目的在于，解决传统技术无法对强场辐射的二维成像实现超高时间分辨探测的问题。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
一种超高时间分辨光学探测装置，其包括：一个待测辐射目标，一个探针光源，一个光栅掩膜板，一个探测半导体，所述探测半导体的载流子寿命为皮秒到飞秒量级，所述探测半导体具有一第一表面，所述第一表面设有一个反射层以反射所述探针光源发出的探针光，所述反射层对所述待测光源发出的光线透明，一个反射镜，一个会聚透镜，以及一个探测器，所述探测装置的探测光路为：所述待测光源发出的光线依次经所述光栅掩膜板、所述反射层进入所述探测半导体，所述探针光进入所述探测半导体后被所述光线调制，调制后的探针光被所述反射层反射，然后依次经所述反射镜、所述会聚透镜进入所述探测器。
本发明一较佳实施方式中，进一步包括一阻挡元件，所述阻挡元件位于所述会聚透镜的傅立叶变换面的零级衍射点或其附近以阻挡零级衍射图像进入所述探测器。
本发明一较佳实施方式中，所述待测光源发出脉冲X射线，所述探测半导体为硒化镉。
本发明一较佳实施方式中，所述反射层的材料为铜或铝。
本发明一较佳实施方式中，所述反射层的材料为铜时，所述反射层的厚度约250nm。
本发明一较佳实施方式中，所述光栅掩模板的材料为金。
本发明一较佳实施方式中，所述探测半导体具有一与所述第一表面相对的第二表面，所述第二表面镀有光学增透膜。
本发明一较佳实施方式中，在所述光栅掩膜板和所述待测光源之间设置针孔成像装置，使所述待测光源发出的光线经所述针孔成像装置照射到所述光栅掩膜板上。
相较于现有技术，本发明提供的超高时间分辨光学探测装置采用的探测半导体的载流子寿命在飞秒量级，并通过会聚透镜采集携有待测光信息的二维衍射图像，从而能对待测光形成的二维图像实现皮秒时间分辨探测。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的超高时间分辨光学探测装置的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参考图1，图1是本发明实施例提供的超高时间分辨光学探测装置1的原理示意图。
超高时间分辨光学探测装置包括：一个待测光源11，一个探针光源12，一个光栅掩膜板13，一个探测半导体14，一个反射镜20，一个会聚透镜21，以及一个探测器22。
在本实施例中，待测光源11发出脉冲X射线，待测光源11可以是一个光阴极X射线二极管。
探测半导体14的载流子寿命为皮秒到飞秒量级。探测半导体14具有一第一表面141，第一表面141靠近待测光源11一侧。通过半导体生长工艺和掺杂的控制可使探测半导体14的载流子产生及复合时间减小到飞秒量级。根据待探测光源信号的种类，可选择不同的半导体材料，例如，对于X射线，探测半导体14的材料可选定带隙能量为1.74eV的硒化镉(CdSe)，相应地，探针光源12可采用800nm激光器，其光子能量为1.54eV，与硒化镉(CdSe)带隙能量接近，以保证带隙附近较高的探测灵敏度。
第一表面141设有一个反射层15以反射探针光源12发出的探针光，反射层15对待测光源11发出的光线透明，从而使得X射线进入探测半导体14。
具体地，反射层15的材料可以为铜，厚度约250nm。反射层15的材料还可以为铝。
光栅掩膜板13选用原子序数大于铜(Cu)或铝(Al)的原子序数的材料，例如金(Au)。光栅掩膜板13紧贴反射层15设置，对入射的X射线进行空间调制。光栅掩膜板13可利用光刻技术或飞秒激光微加工制造。
反射镜20位于被调制和被反射的探针光的光路上，用于将被调制的探针光反射至会聚透镜21。当反射镜20也位于探针光源12发出的探针光的光路上时，反射镜20为半透半反镜，令探针光通过，而返回时被反射。
探测器22可以是CCD电荷耦合器，它对X射线光谱敏感。
综上，探测装置的探测光路为：待测光源11发出的光线依次经光栅掩膜板13、反射层15进入探测半导体14，探针光进入探测半导体14后被待测光源发出的光线调制，调制后的探针光被反射层15反射，然后依次经反射镜20、会聚透镜21进入探测器22。
待测的脉冲X射线被光栅编码板13空间调制，透过光栅编码板13的狭缝的X射线从第一表面141入射，在探测半导体14内产生高能超热电子，这些超热电子在几微米的弛豫过程中激发出大量非平衡电子-空穴对，这些非平衡电子-空穴对引起材料折射率的变化，这样就在探测半导体14上“写下”一个“瞬态光栅”。同时，探针光作为感测光自探测半导体14的第二表面142穿过半导体，并被第一表面141处的反射层15反射，再次与“瞬态光栅”作用，经“瞬态光栅”调制后的探针光经反射镜20进入会聚透镜21，会聚透镜21的傅立叶变换作用使得探针光的衍射图像进入探测器22。衍射图像即为携带有探测光信息的二维图像。
优选地，在会聚透镜21的傅里叶变换面S1上设置一阻挡元件30，阻挡元件30位于会聚透镜21的傅立叶变换面S1的零级衍射点或其附近，仅阻挡零阶衍射图像，然后由探测器22采集携带X射线信息的高阶衍射图像，可进一步提高探测敏感度。
优选地，在探测半导体14的第二表面142镀有光学增透膜以增加透射光的强度。
优选地，在光栅掩膜板13和待测光源11之间设置针孔成像装置40，使待测光源发出的光线经针孔成像装置40照射到光栅掩膜板13上。针孔成像装置40的位置根据光学原理确定，可采用管状机械结构固定，以避免杂散光的进入光场，同时可扩大待测光束的照射范围。针孔成像装置40可以是一个针孔板。
相较于现有技术，本发明提供的超高时间分辨光学探测装置采用的探测半导体的载流子寿命在飞秒量级，并通过会聚透镜采集携有待测光信息的二维衍射图像特别是高阶二维衍射图像，从而能对待测光形成的二维图像实现皮秒时间分辨探测。
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 (8)

1.一种超高时间分辨光学探测装置，其包括：一个待测辐射目标，一个探针光源，一个光栅掩膜板，一个探测半导体，所述探测半导体的载流子寿命为皮秒到飞秒量级，所述探测半导体具有一第一表面，所述第一表面设有一个反射层以反射所述探针光源发出的探针光，所述反射层对所述待测光源发出的光线透明，一个反射镜，一个会聚透镜，以及一个探测器，所述探测装置的探测光路为：所述待测光源发出的光线依次经所述光栅掩膜板、所述反射层进入所述探测半导体，所述探针光进入所述探测半导体后被所述光线调制，调制后的探针光被所述反射层反射，然后依次经所述反射镜、所述会聚透镜进入所述探测器。
2.如权利要求1所述的超高时间分辨光学探测装置，其特征在于：进一步包括一阻挡元件，所述阻挡元件位于所述会聚透镜的傅立叶变换面的零级衍射点或其附近以阻挡零级衍射图像进入所述探测器。
3.如权利要求1所述的超高时间分辨光学探测装置，其特征在于：所述待测光源发出脉冲X射线，所述探测半导体为硒化镉。
4.如权利要求1所述的超高时间分辨光学探测装置，其特征在于：所述反射层的材料为铜或铝。
5.如权利要求4所述的超高时间分辨光学探测装置，其特征在于：所述反射层的材料为铜时，所述反射层的厚度约250nm。
6.如权利要求4或5所述的超高时间分辨光学探测装置，其特征在于：所述光栅掩模板的材料为金。
7.如权利要求1所述的超高时间分辨光学探测装置，其特征在于：所述探测半导体具有一与所述第一表面相对的第二表面，所述第二表面镀有光学增透膜。
8.如权利要求1所述的超高时间分辨光学探测装置，其特征在于：在所述光栅掩膜板和所述待测光源之间设置针孔成像装置，使所述待测光源发出的光线经所述针孔成像装置照射到所述光栅掩膜板上。
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