CN111781629B - X射线光学分幅成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种X射线光学分幅成像系统，包括超连续谱发生模块、超连续谱展宽模块、探针光作用模块和光学分幅记录模块，其中，超连续谱发生模块能够将短脉冲激光转化为超连续谱探针光，超连续谱展宽模块能够将超连续谱探针光转化为啁啾脉冲探针光，探针光作用模块能够使啁啾脉冲探针光携带打靶激光与靶材相互作用产生的X射线的时空演化过程信息，光学分幅记录模块能够将一束啁啾脉冲探针光在空间上分为若干束，并记录为若干幅具有时间间隔的二维图像。采用以上技术方案，能够用于极小空间、极短时间尺度条件下X射线时空演化过程的测量，服务于高能量密度相关物理过程的研究。

Description

X射线光学分幅成像系统
技术领域
本发明涉及超快过程诊断技术领域，具体涉及一种X射线光学分幅成像系统。
背景技术
在激光惯性约束聚变研究中，人们关心的很多物理过程发生极快，且空间尺度极小，尤其是X射线的时空演化过程。这就要求探测技术具有极高的时间和空间分辨能力。
然而，目前用于超快二维成像的CCD和CMOS的时间分辨并不能满足需要，最高只能达到100ns级别，对应的读取速度仅为107/s的帧频。X射线分幅相机和条纹相机虽已经广泛应用于超快物理过程的诊断，但是应用场景不完全相同。基于光电转换的分幅相机受制于空间电荷和微通道板的加工工艺，时空分辨(时间分辨30ps，空间分辨30um)很难得到进一步提升；且极易受到强中子、伽马射线、电磁噪声等的干扰。
因此，现有的成像设备已经无法在更精细的尺度上给出二维空间随时间演化的超快过程，急需发展新型的光学超快诊断技术。
发明内容
为解决以上的技术问题，本发明提供了一种X射线光学分幅成像系统。
其技术方案如下：
一种X射线光学分幅成像系统，其要点在于，包括：
超连续谱发生模块，其能够将入射的短脉冲激光转化为超连续谱探针光；
超连续谱展宽模块，其能够将从超连续谱发生模块射入的超连续谱探针光转化为啁啾脉冲探针光；
探针光作用模块，其能够使从超连续谱展宽模块射入的啁啾脉冲探针光携带打靶激光与靶材相互作用产生的X射线的时空演化过程信息；
光学分幅记录模块，其能够将携带X射线时空演化过程信息的一束啁啾脉冲探针光在空间上分为若干束，并记录为若干幅具有时间间隔的二维图像。
采用以上结构，以超连续谱啁啾脉冲为探针光，将不同时间内的二维空间演化信息在空间上进行分离，然后进行记录，记录的时间窗口可调，时间分辨率可调，空间分辨率高，能够用于极小空间、极短时间尺度条件下X射线时空演化过程的测量，服务于高能量密度相关物理过程的研究。
作为优选：所述超连续谱发生模块包括第一聚焦透镜和非线性介质，入射的短脉冲激光经第一聚焦透镜聚焦在非线性介质上形成超连续谱探针光。采用以上结构，将超短脉冲聚焦到非线性介质中，相互作用来产生超连续谱探针光，相对于直接从超连续谱光源获得，更加简单可靠，成本低廉。
作为优选：所述超连续谱展宽模块至少包括输入物镜、输出物镜、输入耦合器、输出耦合器和光纤，所述光纤的输入端通过输入耦合器耦合在输入物镜的出射端，该光纤的输出端通过输出耦合器耦合在输出物镜的入射端，入射的超连续谱探针光依次经输入物镜、输入耦合器、光纤、输出耦合器和输出物镜转换为啁啾脉冲探针光。采用以上结构，能够将超连续谱探针光展宽成最长可达ns量级的啁啾脉冲探针光，稳定可靠。
作为优选：所述超连续谱展宽模块还包括离轴抛物面镜和可调衰减片，所述可调衰减片位于离轴抛物面镜与输入物镜的入射端之间；从超连续谱发生模块射入的超连续谱探针光依次经离轴抛物面镜和可调衰减片引入输入物镜。采用以上结构，离轴抛物面镜具有无色差准直光束的作用，可调衰减片具有衰减的作用，能够进一步提高后续得到的啁啾脉冲探针光的质量。
作为优选：所述光纤为光子晶体光纤。采用以上结构，具有更好的展宽效果。
作为优选：所述探针光作用模块至少包括半导体响应介质和偏振片，所述半导体响应介质靠近靶材的一侧镀有铝膜，所述偏振片的偏振方向与打靶激光的偏振方向垂直；打靶激光与靶材相互作用产生的X射线透过铝膜进入半导体响应介质中，同时从超连续谱展宽模块出射的啁啾脉冲探针光也射入半导体响应介质中，并携带上X射线的时空演化过程信息，然后通过铝膜反射回的携带有X射线时空演化过程信息的啁啾脉冲探针光经偏振片射向光学分幅记录模块。采用以上结构，X射线透过铝膜进入到半导体响应介质中，在半导体响应介质中产生载流子，X射线空间分布不均匀将引起载流子浓度在空间上分布也不均匀，因此，与打靶激光在时间上精准关联的啁啾脉冲探针光与X射线在半导体中重合，载流子对探针光会产生明显的吸收，浓度高的区域吸收大，故最终反射出的啁啾脉冲探针光携带有X射线时空演化过程信息；整个模块简单可靠，易于调控。
作为优选：所述探针光作用模块还包括第二聚焦透镜和半透半反镜，所述半透半反镜位于第二聚焦透镜和半导体响应介质之间；从超连续谱展宽模块射入的啁啾脉冲探针光依次透过第二聚焦透镜和半透半反镜后射入半导体响应介质中，从半导体响应介质反射回的携带有X射线时空演化过程信息的啁啾脉冲探针光经半透半反镜反射到偏振片上。采用以上结构，光路简单可靠。
作为优选：所述半导体响应介质或为GaN材质的宽带隙半导体，或为金刚石材质的宽带隙半导体。采用以上结构，具有体积小、重量轻、稳定性好、可靠性高等优势。
作为优选：所述光学分幅记录模块至少包括第一菲涅尔透镜、第二菲涅尔透镜、衍射光学器件、带通滤波器和CCD，所述带通滤波器倾斜设置在衍射光学器件和第二菲涅尔透镜之间，所述第一菲涅尔透镜位于衍射光学器件远离带通滤波器的一侧，所述第二菲涅尔透镜位于带通滤波器和CCD之间；从探针光作用模块射入的携带有X射线时空演化过程信息的啁啾脉冲探针光经第一菲涅尔透镜射向衍射光学器件，并由衍射光学器件分为若干束光，再依次经带通滤波器和第二菲涅尔透镜成像到CCD上。采用以上结构，第一菲涅尔透镜、第二菲涅尔透镜组成4f成像系统，能够将半导体响应介质反射出的图像成像到CCD上；通过倾斜设置的带通滤波器选波长，从而在CCD上的不同位置记录的光波长是不同的，由于探测光为啁啾脉冲，不同波长对应不同的时间，这就利用光学实现了分幅的功能，在同一个CCD上记录了具有一定时间间隔的多幅二维图像。
作为优选：所述光学分幅记录模块还包括屏蔽罩，所述第一菲涅尔透镜、第二菲涅尔透镜、衍射光学器件、带通滤波器和CCD均设置在屏蔽罩中。采用以上结构，隔绝杂散光，减少对光学分幅记录模块的影响，提高成像质量。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
采用以上技术方案的X射线光学分幅成像系统，利用全新的纯光学系统，设计极为巧妙，以超连续谱啁啾脉冲为探针光，将不同时间内的二维空间演化信息在空间上进行分离，然后进行记录，记录的时间窗口可调，时间分辨率可调，空间分辨率高，能够用于极小空间、极短时间尺度条件下X射线时空演化过程的测量，服务于高能量密度相关物理过程的研究。
附图说明
图1为本发明的示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种X射线光学分幅成像系统，其主要包括超连续谱发生模块、超连续谱展宽模块、探针光作用模块和光学分幅记录模块，其中，超连续谱发生模块能够将入射的短脉冲激光转化为超连续谱探针光，超连续谱展宽模块能够将从超连续谱发生模块射入的超连续谱探针光转化为啁啾脉冲探针光，探针光作用模块能够使从超连续谱展宽模块射入的啁啾脉冲探针光携带打靶激光与靶材20相互作用产生的X射线的时空演化过程信息，光学分幅记录模块能够将携带X射线时空演化过程信息的一束啁啾脉冲探针光在空间上分为若干束，并记录为若干幅具有时间间隔的二维图像。
超连续谱发生模块包括第一聚焦透镜1和非线性介质2，第一聚焦透镜1位于非线性介质2入射一侧，入射的短脉冲激光经第一聚焦透镜1聚焦在非线性介质2上形成超连续谱探针光。其中，非线性介质2为氟化钙材质，控制短脉冲激光和非线性介质2的稳定，能够使得产生的超连续谱探针光强度分布稳定。
超连续谱展宽模块至少包括输入物镜5、输出物镜10、输入耦合器7、输出耦合器9和光纤8，光纤8的输入端通过输入耦合器7耦合在输入物镜5的出射端，该光纤8的输出端通过输出耦合器9耦合在输出物镜10的入射端，入射的超连续谱探针光依次经输入物镜5、输入耦合器7、光纤8、输出耦合器9和输出物镜10转换为啁啾脉冲探针光，其中，光纤8为光子晶体光纤，能够将超连续谱展宽成最长可达ns量级。进一步地，超连续谱展宽模块还包括离轴抛物面镜3和可调衰减片4，可调衰减片4位于离轴抛物面镜3与输入物镜5的入射端之间。从超连续谱发生模块射入的超连续谱探针光依次经离轴抛物面镜3和可调衰减片4引入输入物镜5，然后从输出物镜10射出啁啾脉冲探针光。
探针光作用模块至少包括半导体响应介质13和偏振片14，半导体响应介质13靠近靶材的一侧镀有铝膜13a，偏振片14的偏振方向与打靶激光的偏振方向垂直；打靶激光与靶材20相互作用产生的X射线透过铝膜13a进入半导体响应介质13中，同时从超连续谱展宽模块出射的啁啾脉冲探针光也射入半导体响应介质13中，并携带上X射线的时空演化过程信息，然后通过铝膜13a反射回的携带有X射线时空演化过程信息的啁啾脉冲探针光经偏振片14后射向光学分幅记录模块。其中，半导体响应介质13或为GaN材质的宽带隙半导体，或为金刚石材质的宽带隙半导体。靶材20为金属材质，例如铜或者钛，能够与强激光相互作用产生不同能段的X射线。铝膜13a的厚度为10nm，铝膜13a的设置是为了反射啁啾脉冲探针光，X射线能够透过铝膜13a进入半导体响应介质13内部，并且，铝膜13a由于极薄，对X射线的强度变化影响可以忽略。
X射线透过铝膜13a进入到半导体响应介质13后，在半导体响应介质13中产生载流子，由于X射线空间分布不均匀将引起载流子浓度在空间上分布也不均匀，此时，与打靶激光在时间上精准关联的啁啾脉冲探针光与X射线在半导体响应介质13中重合，载流子对啁啾脉冲探针光会产生明显的吸收，浓度高的区域吸收大，反之吸收小。
进一步地，探针光作用模块还包括第二聚焦透镜11和半透半反镜12，半透半反镜12位于第二聚焦透镜11和半导体响应介质13之间；从超连续谱展宽模块射入的啁啾脉冲探针光依次透过第二聚焦透镜11和半透半反镜12后射入半导体响应介质13中，从半导体响应介质13反射回的携带有X射线时空演化过程信息的啁啾脉冲探针光经半透半反镜12反射到偏振片14上。
光学分幅记录模块至少包括第一菲涅尔透镜15、第二菲涅尔透镜18、衍射光学器件16、带通滤波器17和CCD19，带通滤波器17倾斜设置在衍射光学器件16和第二菲涅尔透镜18之间，第一菲涅尔透镜15位于衍射光学器件16远离带通滤波器17的一侧，第二菲涅尔透镜18位于带通滤波器17和CCD19之间；从探针光作用模块射入的携带有X射线时空演化过程信息的啁啾脉冲探针光经第一菲涅尔透镜15射向衍射光学器件16，并由衍射光学器件16分为若干束光，再依次经带通滤波器17和第二菲涅尔透镜18成像到CCD19上。第一菲涅尔透镜15、第二菲涅尔透镜18组成4f成像系统，能够将半导体响应介质反射出的图像成像到CCD19上。带通滤波器17的带宽优选为3nm，透过率>90％。
从探针光作用模块射入的携带有X射线时空演化过程信息的啁啾脉冲探针光经4f成像系统成像到CCD19上。其中衍射光学器件16将啁啾脉冲探针光在空间上分成几束，这几束光分别成像到了CCD19不同的位置上。同时，由于通过带通滤波器17选波长，这样在CCD19上的不同位置记录的光波长是不同的，由于探测光为啁啾脉冲，不同波长对应不同的时间，这就利用光学实现了分幅的功能，在同一个CCD19上记录了具有一定时间间隔的多幅二维图像。
进一步地，光学分幅记录模块还包括屏蔽罩21，第一菲涅尔透镜15、第二菲涅尔透镜18、衍射光学器件16、带通滤波器17和CCD19均设置在屏蔽罩21中，能够隔绝杂散光，减少对测量系统的影响。
利用瞬态吸收的方法，泵浦激光和啁啾脉冲探针光在ZnSe中相互作用，改变啁啾脉冲探针光和泵浦激光的时间延迟，利用光谱仪和CCD测量透过ZnSe的啁啾脉冲光谱分布，进而确定波长与时间延迟之间的关系。
在没有X射线的情况下，首先利用CCD获得稳定的本底信号。然后，与在有X射线辐照后CCD采集的图像进行对比。即可得到X射线时空演化过程。
此技术时间分辨(两幅图之间的时间间隔)可调，高时间分辨可以到达500fs，时间窗口2ps，低的时间分辨可以到5ps，时间窗口20ps。而空间分辨可以达到30um以上。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种X射线光学分幅成像系统，其特征在于，包括：
超连续谱发生模块，其能够将入射的短脉冲激光转化为超连续谱探针光；
超连续谱展宽模块，其能够将从超连续谱发生模块射入的超连续谱探针光转化为啁啾脉冲探针光；
探针光作用模块，其能够使从超连续谱展宽模块射入的啁啾脉冲探针光携带打靶激光与靶材(20)相互作用产生的X射线的时空演化过程信息；
光学分幅记录模块，其能够将携带X射线时空演化过程信息的一束啁啾脉冲探针光在空间上分为若干束，并记录为若干幅具有时间间隔的二维图像；
所述超连续谱发生模块包括第一聚焦透镜(1)和非线性介质(2)，入射的短脉冲激光经第一聚焦透镜(1)聚焦在非线性介质(2)上形成超连续谱探针光；
非线性介质(2)为氟化钙材质；
所述超连续谱展宽模块至少包括输入物镜(5)、输出物镜(10)、输入耦合器(7)、输出耦合器(9)和光纤(8)，所述光纤(8)的输入端通过输入耦合器(7)耦合在输入物镜(5)的出射端，该光纤(8)的输出端通过输出耦合器(9)耦合在输出物镜(10)的入射端，入射的超连续谱探针光依次经输入物镜(5)、输入耦合器(7)、光纤(8)、输出耦合器(9)和输出物镜(10)转换为啁啾脉冲探针光；
所述超连续谱展宽模块还包括离轴抛物面镜(3)和可调衰减片(4)，所述可调衰减片(4)位于离轴抛物面镜(3)与输入物镜(5)的入射端之间；从超连续谱发生模块射入的超连续谱探针光依次经离轴抛物面镜(3)和可调衰减片(4)引入输入物镜(5)；
所述探针光作用模块至少包括半导体响应介质(13)和偏振片(14)，所述半导体响应介质(13)靠近靶材的一侧镀有铝膜，所述偏振片(14)的偏振方向与打靶激光的偏振方向垂直；打靶激光与靶材(20)相互作用产生的X射线透过铝膜进入半导体响应介质(13)中，同时从超连续谱展宽模块出射的啁啾脉冲探针光也射入半导体响应介质(13)中，并携带上X射线的时空演化过程信息，然后通过铝膜反射回的携带有X射线时空演化过程信息的啁啾脉冲探针光经偏振片(14)射向光学分幅记录模块；
所述探针光作用模块还包括第二聚焦透镜(11)和半透半反镜(12)，所述半透半反镜(12)位于第二聚焦透镜(11)和半导体响应介质(13)之间；从超连续谱展宽模块射入的啁啾脉冲探针光依次透过第二聚焦透镜(11)和半透半反镜(12)后射入半导体响应介质(13)中，从半导体响应介质(13)反射回的携带有X射线时空演化过程信息的啁啾脉冲探针光经半透半反镜(12)反射到偏振片(14)上；
所述半导体响应介质(13)或为GaN材质的宽带隙半导体，或为金刚石材质的宽带隙半导体；
铝膜的厚度为10nm；
所述光学分幅记录模块至少包括第一菲涅尔透镜(15)、第二菲涅尔透镜(18)、衍射光学器件(16)、带通滤波器(17)和CCD(19)，所述带通滤波器(17)倾斜设置在衍射光学器件(16)和第二菲涅尔透镜(18)之间，所述第一菲涅尔透镜(15)位于衍射光学器件(16)远离带通滤波器(17)的一侧，所述第二菲涅尔透镜(18)位于带通滤波器(17)和CCD(19)之间；从探针光作用模块射入的携带有X射线时空演化过程信息的啁啾脉冲探针光经第一菲涅尔透镜(15)射向衍射光学器件(16)，并由衍射光学器件(16)分为若干束光，再依次经带通滤波器(17)和第二菲涅尔透镜(18)成像到CCD(19)上；
所述光学分幅记录模块还包括屏蔽罩(21)，所述第一菲涅尔透镜(15)、第二菲涅尔透镜(18)、衍射光学器件(16)、带通滤波器(17)和CCD(19)均设置在屏蔽罩(21)中。
2.根据权利要求1所述的X射线光学分幅成像系统，其特征在于：所述光纤(8)为光子晶体光纤。
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