基于折射率调制的高能流密度X射线全光固体超快成像技术研究

All-optical solid-state ultrafast imaging technology which work based on the mechanism of radiation field induced refractive index changing, instantaneous phase grating modulation and spatial filters can achieve high temporal and spatial resolution and large dynamic range. This new technical route overcomes the limitations of a conventional framing camera which includes the transit time of electrons, microchannel plate (MCP) aperture and distance between MCP and fluorescent screen. It can be used in national great science engineering, such as Inertial Confinement Fusion (ICF) target implosion time, speed and compression ratio measurement which are key parameters in ICF. In this project, the Radoptic Effect which is rely on the ultrafst nonequilibrium carrier relaxation process of GaAs/AlGaAs multiple quantum well (MQW) materials will be researched theoretically and experimentally. And imaging characteristics under the high energy flux density of X-ray, such as temporal-spatial resolution and dynamic range, will be carried out. The research results can broaden the application fields of the all-optical solid-state ultrafast imaging technology.

基于折射率调制的全光固体超快诊断技术以半导体光折变效应为物理基础，利用瞬时相位光栅空间调制和空间滤波技术进行超快成像。该技术突破了传统的行波选通分幅相机电子渡越弥散、微通道板孔径和微通道板与荧光屏近贴距离等技术限制，能够同时实现超高时空分辨力和大动态范围，可以为国家大科学工程中提供有力的诊断工具，如在ICF中精确记录内爆过程和内爆对称性。本项目通过系统研究高能流密度X射线脉冲与半导体超快响应材料之间的互相作用，分析X射线能流密度对GaAs/AlGaAs量子阱材料能带结构、晶体结构、材料物态的影响，同时利用双温度模型模拟材料非平衡载流子能量弛豫过程，最终确立材料折射率变化与X射线能量密度的定量关系；开展基于折射率调制的超快成像实验，研究成像系统在高能流密度X射线条件下的时空分辨特性和辐射响应动态范围。本项目的研究成果将推动全光固体超快成像技术的发展，拓宽超快诊断技术的应用范围。

基于折射率调制的全光固体超快诊断技术是以半导体光折变效应为物理基础，利用瞬时相位光栅空间调制和空间滤波技术进行超快成像。该技术突破了传统的行波选通分幅相机电子渡越弥散、微通道板孔径和微通道板与荧光屏近贴距离等技术限制，能够同时实现超高时空分辨力和大动态范围，可以为惯性约束聚变等国家大科学工程中提供新型诊断方案。本项目主要取得如下重要结果：（1）开展了半导体材料与X射线脉冲互相作用机理研究，利用Geant4软件仿真得到不同能量X射线与半导体作用能量沉积的时空特性，得到半导体探测材料的时间分辨极限为百飞秒量级，空间分辨极限为微米量级，为全光固体超快诊断技术的超高时间分辨及空间分辨提供了理论支撑。同时，针对积分型响应和脉冲型响应材料模式，建立了待测信号光强度—非平衡载流子浓度—芯片折射率变化—探针光相位变化量—探测器信号强度之间的定量关系；建立了飞秒激光激发、超热电子弛豫和非平衡载流子SRH复合过程的载流子产生复合演化模型，基于该模型分析了课题组制备的AlGaAs材料载流子寿命实验数据，得到超热电子弛豫过程280fs，载流子复合时间2.1ps，明确了非平衡载流子寿命的控制工艺和物理因素。该理论研究成果将为进一步优化快响应半导体材料制备提供指导。（2）在本项目研究过程中发展出干涉式X射线超快光纤探测系统，用于研究X射线辐射至半导体材料折射率变化机制。该技术结合干涉光学相位提取原理，设计并研制了小型干涉式X射线超快光纤探测器，具有极大性能优势（更高时间分辨、更宽响应谱段）和更好的抗电磁干扰能力。（3）通过突破微电镀制备技术、大面积衬底减薄抛光技术等关键工艺，成功研制大面积X射线超快成像芯片（有效面积10mm×10mm）样片，时间分辨优于5ps、空间分辨达到30lp/mm(@MTF=0.1)、芯片响应非均匀性优于5%。该技术能够突破现有行波选通分幅相机的时间分辨率和分幅数量的限制，将为ICF等大科学装置提供更高性能的高速成像技术方案。