大动态范围皮秒全光固态条纹相机的研究

Owing to the space-charge effect and infrared detection insensitivity existing for conventional vacuum streak tube camera, a new all-optical solid-state streak camera is demonstrated. This camera not only has high stability, good performance, and also has an extended infrared spectroscopic response.It will find wide range applications in the fields such as material, physics, biology, chemistry. .Our group intends to carry out theoretical research and engineering design of all-optical solid-state streak camera. We will study the mechanism of all-optical solid-state streak camera, and design this new all-solid-state streak camera system, including optical coupling system, light deflection system, the pump light system and the readout system, and characterize the main parameters of all-optical solid-state streak camera so as to improve the key technical index. Ultimately, we can obtain an all-optical solid streak camera with picosecond-scale temporal resolution, 1000-100000 measurable dynamic range, 0.9-25 micron infrared spectral response range as well as a few hundred picoseconds measurable time-span.

针对传统真空变像管条纹相机存在的空间电荷效应和红外波段探测的不敏感性等问题，提出了一种新型的全光固态条纹相机。这种新型相机不但稳定性高、性能好，且光谱响应也扩展到了红外波段。并会在材料、物理、生物、化学等领域有着广泛的应用价值。.本课题组拟开展全光固态条纹相机的理论研究及工程设计研究。主要研究全光固态条纹相机的工作机理；设计包括光耦合系统，光偏转系统，泵浦光系统和读出系统在内的全光固态条纹相机系统；并对全光固态条纹相机的主要参数进行表征，进而提高关键技术指标；最终获得具有皮秒量级时间分辨率、1000-100000量级的可测量动态范围，0.9-25 微米红外光谱响应以及几百个皮秒量级可测量时间跨度的全光固体条纹相机。

超快诊断技术的发展推动着人们对各种超快过程的认识，理解和应用。全光固体超快诊断技术是新世纪发展起来的最具前途的超快诊断技术之一，相比传统的变像管条纹/分幅相机、相关测量等超快测量法，全光固体超快诊断技术在综合性能的提升方面有着很大的优势。全光固体条纹相机在实现皮秒、亚皮秒量级时间分辨、宽光谱信号探测、大的可测量时间跨度、大动态范围、结构简化等方面有着很大的优势。.本项目的主要研究内容有：围绕如何提高全光固体条纹相机的时间分辨率，对全光固体条纹相机的核心部件光偏转扫描器进行了重点研究。一方面，基于载流子输运模型及GaAs的带填充效应、带隙收缩效应及自由载流子吸收效应，通过理论推导及计算建立了泵浦光光强—光注入非平衡载流子浓度—GaAs材料的折射率变化三者的关系，为固体条纹相机的实验设计提供了理论依据。另一方面，基于波动光学，推导了全光固体条纹相机的时间分辨率的表达式；通过仿真计算获得了光激发棱镜阵列间的界面反射及散射、GaAs材料色散、光偏转器结构参数对时间/空间分辨率的影响情况。实验上，制备了不同结构参数的全光固体条纹相机的扫描器芯片，设计并加工了包括信号光输入耦合、输出聚焦光学系统，泵浦光整形光学系统，搭建了全光固体条纹相机的静态实验及动态实验平台，最终获得了静态空间分辨率为9Lp/mm，动态时间分辨率为10ps的实验结果。动态范围方面，考察了自由载流子吸收效应、波导耦合效率、棱镜阵列界面的散射及反射、CCD及计算机的动态范围对其的影响。在此基础上提出了下一步优化设计思路，以期得到大动态范围、亚皮秒量级的时间分辨率。相关研究申请国家专利两项，研究成果已发表在物理学报、Chinese Physics B、Journal of Modern Optics、SPIE期刊上。.全光固体条纹相机是对传统变像管条纹相机技术的重要创新，对于推动全光固体超快技术的研究及发展意义重大，积极开展相关研究对于我国超快诊断技术的独立发展至关重要。