掀起神秘第四態(tài)的面紗！——等離子體羽流成像

01、重點(diǎn)和難點(diǎn)

等離子體通常被認(rèn)為是物質(zhì)的第四態(tài)，除了固體、液體和氣體之外的狀態(tài)。等離子體是一種高能量狀態(tài)的物質(zhì)，其中原子或分子中的電子被從它們的原子核中解離，并且在整個(gè)系統(tǒng)中自由移動(dòng)。這種狀態(tài)通常在高溫或高能環(huán)境中出現(xiàn)，如太陽、恒星、閃電、等離子體切割工具、核聚變反應(yīng)等地都存在等離子體。激光誘導(dǎo)等離子體羽形貌成像有助于深入了解等離子體性質(zhì)、核聚變和等離子體物理問題。

等離子體羽流成像難點(diǎn)：現(xiàn)象發(fā)生得非常迅速，持續(xù)時(shí)間很短，通常在幾百納秒以內(nèi)。由于激光輻照產(chǎn)生的等離子體羽流具有強(qiáng)烈的自發(fā)光，這會(huì)導(dǎo)致羽流的觀測(cè)變得困難。此外，等離子體羽流的形成和脫離碎片表面都發(fā)生在小尺度的空間范圍內(nèi)，這也增加了觀測(cè)技術(shù)上的挑戰(zhàn)。

中智科儀的逐光IsCMOS相機(jī)已經(jīng)成功解決了等離子體羽流成像中的技術(shù)難題，包括超高速、瞬態(tài)、強(qiáng)自發(fā)光背景和小尺度等挑戰(zhàn)。它成功地完成了等離子體羽流形貌成像。TRC411相機(jī)具備超短納秒級(jí)時(shí)間門控和高精度的同步時(shí)序控制技術(shù)，與高功率的納米脈沖固體激光器同步工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)等離子體羽流形態(tài)演化過程的納秒級(jí)時(shí)間分辨率觀測(cè)。

02、解決方案

在我們?yōu)楹颖贝髮W(xué)某實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)設(shè)置中，使用了中智科儀逐光系列IsCMOS相機(jī)，相機(jī)搭載了高量子效率且低噪聲的Hi-QE系列像增強(qiáng)管，優(yōu)化了對(duì)極短時(shí)間尺度下光信號(hào)的捕捉，是專門為皮秒級(jí)時(shí)間分辨光譜和成像實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的高端設(shè)備。

500皮秒光學(xué)門寬：以皮秒精度捕捉瞬態(tài)現(xiàn)象，并大幅降低背景噪聲。

98幅/秒幀頻：采集幀頻98fps@1600*1088, >200fps@1600*500。

內(nèi)置三通道同步時(shí)序控制器：同步精度高達(dá)10皮秒的三通道獨(dú)立同步/延時(shí)輸出。

無需制冷的低噪聲探測(cè)技術(shù)：內(nèi)在低噪聲芯片及完全自主開發(fā)的低噪聲電路。

快門重復(fù)頻率高達(dá)5MHz：同步高重頻激光器，更高的信噪比。

光纖錐耦合技術(shù)：更高的光通量，無光暈現(xiàn)象。

先進(jìn)的Hi-QE及GaAs光陰極：從紫外至近紅外均可選擇高量子效率陰極，大幅度提升信噪比，更高增益的雙層MCP可供選擇。

Windows及Linux SDK支持：成熟的跨平臺(tái)軟件開發(fā)套件，支持全功能二次開發(fā)。

03、測(cè)試過程

測(cè)試設(shè)備：中智科儀IsCMOS TRC411-S-HQB-F，F(xiàn)2UV100大通量紫外鏡頭;

實(shí)驗(yàn)室使用的激光器為鐳寶的Dawa-200燈泵浦電光調(diào)Q納秒Nd:YAG激光器，激光波長(zhǎng)1064nm，重復(fù)頻率1-20Hz。

本次采用激光器Q out接口觸發(fā)TRC411相機(jī)的方式，對(duì)相機(jī)Gate通道延時(shí)進(jìn)行序列掃描，尋找相機(jī)與激光器的同步時(shí)刻。

實(shí)驗(yàn)流程如下：

1.實(shí)驗(yàn)材料被激發(fā)的等離子體羽發(fā)光在200nm-500nm左右，因此在鏡頭前端安裝一個(gè)430nm的帶通濾光片，屏蔽掉1064nm的激發(fā)激光和其他雜散光。

(在這一步驟中，需注意觀察成像畫面中是否有強(qiáng)反射材料，比如樣品臺(tái)的光滑金屬反光面或螺絲帽等，為了防止這些強(qiáng)烈反射面產(chǎn)生的反射光對(duì)相機(jī)造成損害，需要使用黑色電工膠帶將它們遮擋或覆蓋。)

2.連接激光器的Q Out觸發(fā)輸出接口至示波器，測(cè)得同步輸出的TTL信號(hào)電平為5V@1MΩ，頻率與激光輸出頻率匹配，均為5Hz。為了保護(hù)TRC411相機(jī)的同步時(shí)序電路板，考慮到其最大接受外觸發(fā)信號(hào)電平為5V，我們?cè)谟|發(fā)線上加入了6dB衰減器，將激光器Q out輸出電平減半。

3.由于等離子體的發(fā)光強(qiáng)度較大，無法確定所使用的濾光片的衰減倍率是否足夠，因此首先將鏡頭光圈調(diào)至最小，設(shè)置增益為1800，Gate時(shí)間設(shè)置為最短的3ns門寬。

接著，在TRC411相機(jī)的軟件設(shè)置參數(shù)：CMOS曝光時(shí)間為10ms，Trigger Mode為低頻外觸發(fā)模式，頻率為5Hz，Gate時(shí)間為13ns，MCP增益為1800，使用burst模式。

對(duì)Gate通道進(jìn)行序列掃描，最終找到Gate延時(shí)起始時(shí)刻在700ns至1100ns之間，可以捕獲到等離子體的發(fā)光信號(hào)。

軟件參數(shù)設(shè)置：

序列采集SEQ曲線：

實(shí)驗(yàn)材料被激發(fā)的等離子體發(fā)光持續(xù)時(shí)間約為400ns。

此實(shí)驗(yàn)材料被納秒脈沖激光激發(fā)產(chǎn)生的等離子體羽形貌變化過程：

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，逐光IsCMOS相機(jī)TRC411利用超短納秒級(jí)時(shí)間門控和高精度的同步時(shí)序控制技術(shù)，成功地拍攝到了實(shí)驗(yàn)材料在被激發(fā)后產(chǎn)生的等離子體羽流從形成到湮滅的演化過程。

這一成就具有重要的科學(xué)和工程意義，因?yàn)槲覀兡軌蛞詷O高的時(shí)間分辨率捕捉到等離子體羽流的瞬態(tài)行為。這有助于深入了解等離子體的特性、行為和動(dòng)力學(xué)過程，為等離子體物理、材料科學(xué)和航空航天等領(lǐng)域的研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)和洞察力。

審核編輯 黃宇