像增强器的光学选通特性分析与测试方法研究

摘要

作为探索超快过程的有利工具，高时间分辨率的高速拍摄器材正受到越来越多的关注。尤其是选通技术的发展，选通工作模式下的像增强器（Image Intensifier）因为可以具备高达10?10 s的时间分辨率，而作为可行的高速拍摄方案被广泛研究。目前已经有许多文献报道了采用选通型像增强器观察生物、化学或物理过程中的超快现象，并发现了新的特性。选通型像增强器的工作原理主要是通过对像增强器的某些电极加载选通电脉冲，达到控制像增强器工作的目的。因此，选通型像增强器的核心技术即是选通电脉冲与像增强器之间的相互作用，主要包括：选通脉冲控制像增强器工作的物理原理、高速高压选通脉冲的生成、选通脉冲与像增强器电极的耦合以及选通脉冲对像增强器输出增益的宽度和延迟的影响等。目前，国内外对像增强器选通特性的研究主要集中在对像增强器的微通道板（Microchannel Plate，MCP）电极进行选通，而对像增强器的光阴极（Photo Cathode）选通模式的研究很少。本文主要围绕像增强器光阴极选通的基本物理过程和选通特性测试等方面，通过理论和实验，研究了像增强器工作在光阴极选通模式下的输出光增益特性。所做的主要工作与特色如下： 理论上，详细分析了当选通脉冲加载在像增强器光阴极上时，光电子在像增强器内的3个运动子过程：光阴极变加速子过程，MCP电子倍增子过程和阳极匀加速子过程，并对每一个子过程都分别进行了理论建模和仿真计算。综合分析了光电子在像增强器中整个动态过程，并建立时间轴上的映射关系，得到了光增益与输入选通电脉冲波形之间的关系，同时还从理论上预测了增益曲线相对于选通脉冲发生的倾斜和展宽。 实验上，参考典型的互相关测量方案，结合像增强器的固有特性，提出了基于飞秒超短光脉冲的光电互相关的测量方案，并将整个像增强器光阴极选通特性测试系统分成光学和电学两个子系统，对每一子系统进行模块化设计，详细给出了每个模块的原理、设计与实现过程。然后利用所实现的光阴极选通特性测试平台，对像增强器的光阴极选通特性进行了实际测量，并且对测量结果进行分析，提出了改进意见。通过理论与实验研究表明，在光阴极选通模式下，像增强器输出光增益随着选通脉冲有一定差异，当输入光阴极的选通脉冲波形对称即前后沿时间大致相等时，像增强器输出的光增益发生了倾斜，即增益曲线的后沿要大于前沿；而且与MCP选通的情况相反，相对于6ns 脉宽的输入脉冲，测量得到的像增强器输出光增益展宽到了6.4ns，与理论预测的结果一致。 与传统的基于电测量的选通特性分析方法相比，本论文中提出的基于光电互相关的新型选通特性测试方法，充分考虑了像增强器的光学特性，采用飞秒脉冲激发像增强器的光阴极，产生持续时间很短的光电子“脉冲”，直接与像增强器内部的选通脉冲作用，避免了传统方法中的系统误差与不确定性，故能够更真实的反应系统的增益特性。不但如此，理论上，这种基于光电互相关的新型选通特性测试方法不仅适用于光阴极选通，还适用于MCP选通。利用这种测试方法可以更准确地研究选通模式下，像增强器的输出光增益特性，可以更深入了解利用选通型像增强器拍摄超短过程时，拍摄系统本身对图像造成的失真，从而有助于更真实的还原出原始图像。