CN108254349A - 像增强型全光固体超快成像探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超快诊断技术领域，具体涉及一种像增强型全光固体超快成像探测器。该探测器包括外壳以及真空封装在外壳内部的光电阴极和半导体超快探测芯片；外壳的一端设置输入窗口，外壳的另一端设置输出窗口，所述光电阴极位于靠近输入窗口的一端，所述半导体超快探测芯片位于靠近输出窗口的一端；所述光电阴极和半导体超快探测芯片之间设置有一片或者多片微通道板。本发明解决了现有的全光固体超快诊断技术探测灵敏度低的技术问题。结合了基于微通道板的微光像增强技术和基于半导体辐射光学效应的全光固体超快成像技术，通过微通道板的倍增功能和全光固体超快探测芯片的高时间分辨特性，可以实现弱光条件下的高时间分辨成像。
Description
技术领域
本发明属于超快诊断技术领域，具体涉及一种像增强型全光固体超快成像探测器。
背景技术
超快诊断技术的发展对能源、材料、生物、光物理、光化学、强光物理和高能物理等领域的研究具有极其重要的科学意义，是人类拓展认知领域、取得原始创新的必要条件。与超快诊断技术相联系的仪器设备是前沿科学和尖端科技领域不可或缺的研究工具及手段。传统的高速诊断设备包括高速像增强CCD、高速门控分幅相机、行波选通分幅相机、条纹相机等。其中，条纹相机可以实现一维皮秒、甚至飞秒量级的时间分辨；行波选通型分幅相机，通过微带线带电脉冲选通，可以实现几十到百皮秒的时间分辨，但是只能响应X射线，限制了该技术的应用；高速门控分幅相机通过加载在阴极上的超快电脉冲，实现纳秒量级的超短的曝光时间，但受制于CCD像素电荷读出时间的限制，在全分辨条件下往往只能达到几十帧每秒的读出速度。
全光固体超快诊断技术是一种全新的基于半导体折射率超快变化特性，能够实现几皮秒甚至百飞秒的时间分辨能力。与全光时序空间分幅技术结合能够实现超高时间分辨的多分幅成像。但该技术的缺点是探测灵敏度低，以InP材料为例，信号光波长为532nm，系统时间分辨达到1ps时，系统的灵敏度对应的信号光功率为1.3×105W/cm2。探测系统所需信号光能量密度远高于超声速燃烧流场诊断中平面激光诱导荧光技术(PLIF)所能提供的信号光强度，因此极大的限制了全光固体超快诊断技术的应用领域。
发明内容
为了解决现有的全光固体超快诊断技术探测灵敏度低的问题，本发明提供一种像增强型全光固体超快成像探测器，发挥了微通道板(MCP)的电子倍增能力和半导体探测芯片的超快时间响应的优势，实现了弱光条件下的超快成像。
本发明的技术解决方案是：一种像增强型全光固体超快成像探测器，其特殊之处在于：包括外壳以及真空封装在外壳内部的光电阴极和半导体超快探测芯片；外壳的一端设置输入窗口，外壳的另一端设置输出窗口，所述光电阴极位于靠近输入窗口的一端，所述半导体超快探测芯片位于靠近输出窗口的一端；所述光电阴极和半导体超快探测芯片之间设置有一片或者多片微通道板。
进一步地，上述半导体超快探测芯片包括沿输入信号传输方向依次设置的调制光栅、导电层、半导体响应单元和增透膜。
进一步地，上述调制光栅是周期为50-100lp/mm的金属光栅。
进一步地，上述导电层的厚度为180-220nm。
进一步地，上述半导体响应单元的载流子寿命小于30ps。
进一步地，上述半导体响应单元的厚度为4.8-5.2μm。
优选地，上述光电阴极与微通道板之间设置有0.1-0.2mm的真空间隙，所述微通道板与半导体超快探测芯片之间设置有0.5-1.0mm的真空间隙。
优选地，上述光电阴极和半导体超快探测芯片之间的微通道板的数量为两片。
进一步地，上述输入窗口的内表面设置有一层导电薄膜，所述光电阴极制作于导电薄膜上。
进一步地，上述外壳为金属玻璃外壳或者金属陶瓷外壳。
本发明的有益效果在于：
1、本发明像增强型全光固体超快成像探测器是结合了基于微通道板的微光像增强技术和基于半导体辐射光学效应的全光固体超快成像技术，通过微通道板的倍增功能和全光固体超快探测芯片的高时间分辨特性，可以实现弱光条件下的高时间分辨成像，可应用于荧光成像和荧光寿命成像等领域。
2、本发明的光谱响应范围可由光电阴极确定，响应波段易于控制。
3、本发明的光电阴极与MCP、MCP与半导体探测芯片采用双近贴结构，不仅减少了电子的弥散和渡越时间，也减少了空间电荷效应，改善了成像质量。
4、本发明核心部件均处于真空中，受外界干扰少，稳定性好。
附图说明
图1为本发明像增强型全光固体超快成像探测器的结构示意图。
图2为本发明像增强型全光固体超快成像探测器的较佳实施例原理示意图。
其中，附图标记为：1-输入窗口，2-光电阴极，3-微通道板，4-输出窗口，5-半导体超快探测芯片，6-外壳，7-导电薄膜，8-第一真空间隙，9-第二真空间隙，10-调制光栅，11-导电层，12-半导体响应单元，13-增透膜，14-相位光栅，15-入射信号光，16-阴极发射电子，17-高能电子脉冲，18-探测光脉冲，19-衍射光。
具体实施方式
参见图1，本发明为一种像增强型全光固体超快成像探测器，其较佳实施例的结构包括外壳6以及真空封装在外壳6内部的光电阴极2和半导体超快探测芯片5；外壳6的一端设置输入窗口1，外壳6的另一端设置输出窗口4。光电阴极2位于靠近输入窗口1的一端，半导体超快探测芯片5位于靠近输出窗口4的一端；光电阴极2和半导体超快探测芯片5之间设置有一片或者多片微通道板3。
输入窗口1可根据信号光波段选择响应的材料，紫外信号光可采用MgF2或GaF2，可见光波段可采用硼硅玻璃。输入窗口1的厚度在3～5mm为宜。输入窗口1的内表面设置有一层导电薄膜7，用于为光电阴极2补充电子；导电薄膜7具体可采用铝或银，厚度在100nm左右为宜。光电阴极2制作于导电薄膜7上，不同的阴极材料响应不同波段的信号光；如双碱阴极，可以响应300-650nm波段的信号光。
光电阴极2与微通道板3之间设置的第一真空间隙8以0.1-0.2mm为佳，工作时加载200V的正电压。微通道板3采用平面结构，可根据增益要求选用一片或多片微通道板(以两片为佳)。
微通道板3采用平面结构，可根据增益要求可选用一片或多片微通道板。工作时微通道板的输入、输出面之间加载800-1000V的电压。
微通道板3与半导体超快探测芯片5之间设置的第二真空间隙9以0.5-1.0mm为佳。工作时其间加载4-8kV的正电压。
外壳6采用金属陶瓷外壳为佳，可采用高温钼-锰法制作工艺；另外，外壳6也可以采用金属玻璃外壳。
参见图2，半导体超快探测芯片5具体可以包括沿输入信号传输方向依次设置的调制光栅10、导电层11、半导体响应单元12和增透膜13。
增透膜13针对探测器的探测光波长设计。
半导体响应单元12可采用低温外延生长的半导体超快响应材料(如GaAs)，这种材料具有超快的载流子复合速率，非平衡载流子寿命能够达到皮秒量级(优选小于30ps)。外延生长的半导体响应单元12的厚度为5μm左右(具体可以是4.8-5.2μm)。在材料表面镀一层增透膜13，并热熔粘合于输出窗口的4的内表面，然后将半导体超快响应材料的衬底去除，在材料表面镀上一层200nm左右的导电层11，并在导电层11上制作调制光栅10。
调制光栅10可以选用周期为50-100lp/mm的金属光栅，其厚度大于800nm，用于调制被微通道板3倍增后的电子束，使得部分电子被阻挡在半导体响应单元12之外，入射进半导体响应单元12的高能电子能够形成相位光栅14。
导电层11具体可以选用厚度为100-200nm的铝膜。
本实施例像增强型全光固体超快成像探测器的基本工作原理为：
目标发射的超快信号光15经光学系统汇聚到光电阴极2上，由光电阴极2发射超短光电子脉冲16，进入有一定倾角的微通道板3的微通道中，电子在其中倍增，其增益主要取决于MCP上的工作电压。在由微通道3倍增和电场加速后高能电子脉冲17入射到半导体超快探测芯片5上，芯片上的调制光栅10对高能电子脉冲17进行调制，部分电子被阻挡在半导体响应单元12以外，入射进半导体响应单元12内部的高能电子由碰撞激发出更多的非平衡载流子，从而在半导体材料内部形成瞬时相位光栅14，相位光栅14持续的时间与半导体的载流子寿命有关，相位光栅14的衍射强度与入射电子强度有关。信号读出时，探测光脉冲18从输出窗口4入射，经过输出窗口4、增透膜13、半导体响应单元12，最后由导电层11按原路反射回来，同时相位光栅14的衍射光19中携带了信号光强度信息。
Claims (10)
1.一种像增强型全光固体超快成像探测器，其特征在于：包括外壳以及真空封装在外壳内部的光电阴极和半导体超快探测芯片；外壳的一端设置输入窗口，外壳的另一端设置输出窗口，所述光电阴极位于靠近输入窗口的一端，所述半导体超快探测芯片位于靠近输出窗口的一端；所述光电阴极和半导体超快探测芯片之间设置有一片或者多片微通道板。
2.根据权利要求1所述的像增强型全光固体超快成像探测器，其特征在于：所述半导体超快探测芯片包括沿输入信号传输方向依次设置的调制光栅、导电层、半导体响应单元和增透膜。
3.根据权利要求2所述的像增强型全光固体超快成像探测器，其特征在于：所述调制光栅是周期为50-100lp/mm的金属光栅。
4.根据权利要求3所述的像增强型全光固体超快成像探测器，其特征在于：所述导电层的厚度为180-220nm。
5.根据权利要求4所述的像增强型全光固体超快成像探测器，其特征在于：所述半导体响应单元的载流子寿命小于30ps。
6.根据权利要求5所述的像增强型全光固体超快成像探测器，其特征在于：所述半导体响应单元的厚度为4.8-5.2μm。
7.根据权利要求1-6中任一所述的像增强型全光固体超快成像探测器，其特征在于：所述光电阴极与微通道板之间设置有0.1-0.2mm的真空间隙，所述微通道板与半导体超快探测芯片之间设置有0.5-1.0mm的真空间隙。
8.根据权利要求1-6中任一所述的像增强型全光固体超快成像探测器，其特征在于：所述光电阴极和半导体超快探测芯片之间的微通道板的数量为两片。
9.根据权利要求8所述的像增强型全光固体超快成像探测器，其特征在于：所述输入窗口的内表面设置有一层导电薄膜，所述光电阴极制作于导电薄膜上。
10.根据权利要求8所述的像增强型全光固体超快成像探测器，其特征在于：所述外壳为金属玻璃外壳或者金属陶瓷外壳。
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| GUILONG GAO ET AL.: "Ultrafast all-optical solid-state framing camera with picoseconds temporal resolution", OPTICS EXPRESS, vol. 25, no. 8, pages 8721 - 8729 * |
| 张宣妮;赵宝升;: "一种新型真空型紫外成像探测器", 应用光学, no. 02, 10 March 2007 (2007-03-10) * |
| 袁芬芳;刘希顺;陈绍荣;梁玲亮;高贵龙;: "一种新型的全光固体分幅相机分幅方式的研究", 光电技术应用, no. 06, 15 December 2015 (2015-12-15) * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110487757A (zh) * | 2019-07-29 | 2019-11-22 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 倒像式像增强型超快成像探测器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108254349B (zh) | 2024-04-05 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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