微扫描型皮秒分幅相机关键技术研究

Ultra high speed photography can capture the repeatability of the transient change events, in weapons testing, aerospace, automotive collision, industrial testing and other scientific research fields have extremely important demand. But time resolution by the ultra high speed photography, under 10 ps is 100 billion frames per second, requires a great deal to sacrifice space resolution and even a dimension to obtain high time resolution. This project puts forward a new type of ultra high speed photography technology, micro scanning type picosecond framing. This technology is actually a kind of composed of micron grade streak camera array framing camera, its time resolution can reach the levels of a few picosecond streak camera, at the same time have the micron grade 2D imaging performance of high spatial resolution. Micro scanning the composite door control method is applied, to use micro scanning time to break down the door of the pulse and the door of the MCP gain pulse combination for a pulse load, signal-to-noise ratio and brightness can be very good guarantee. The project put forward by the micro scanning picosecond framing technology, in principle to evade the spatial and temporal resolution index associated problems of the traditional methods, is expected to solve for a long time at the expense of spatial resolution for time-resolved technical contradiction of indicators, the celestial evolution for ultrafast physics, lab, high-speed biological dynamics research provides new ultra-high speed framing camera method.

超高速摄影可以捕获非重复性的瞬态变化事件，在武器测试、航空航天、汽车碰撞、工业检测及其他科学研究领域都有着极为重要的需求。但是时间分辨率实现到10ps以下的超高速摄影，即每秒1000亿帧以下时，需要极大地牺牲空间分辨甚至牺牲一个维度才能获得高的时间分辨本领。本项目首创了一种新型超高速摄影技术，微扫描型皮秒分幅。这种技术实际是一种由微米级条纹相机阵列构成的分幅相机，其时间分辨可以达到条纹相机的10ps水平，同时具备50微米空间分辨能力的二维成像性能。微扫描采用了复合门控方法，将微扫描用于时间分解的门脉冲和MCP增益的门脉冲结合为一个脉冲加载，从而很好保障信噪比及亮度。本项目提出的微扫描皮秒分幅技术，从原理上规避了传统方法存在的时空分辨指标关联问题，有望解决长期以来以牺牲空间分辨指标来换取时间分辨指标的技术矛盾，为超快物理、实验室天体演化、高速生物动力学等研究提供新型超高速分幅照相方法。

超高速摄影可以捕获非重复性的瞬态变化事件，在武器测试、航空航天、汽车碰撞、工业检测及其他科学研究领域都有着极为重要的需求。在基金委的支持下，本项目紧扣这一硬件技术的国家需求和国际前沿性技术，基于自主提出的微扫描技术概念，在依托单位激光聚变装置平台和实验室条件下，系统开展了微扫描物理光学设计方法、器件开发、部件研制和实验检测平台建立等研究。.微扫描关键技术是采用无增益微通道器件和复合门控方法，将时间分解的门脉冲零增益MCP和增益MCP的门脉冲结合为一个脉冲加载，解决了空间指标换取时间指标的技术矛盾。在电子光学设计方面，建立了初始光电子运动行为的精密调控模型，研究了光电子发射、传输、门控选通与倍增放大的全过程追踪和时空尺度分析，获得微扫描门控下好于10ps时间分辨的设计结果。在器件方面，开展了微扫描型无增益型微通道板器件工艺开发和微扫描型X射线变像管结构设计，解决了系列工艺难题，实现了可在高真空环境下开展技术验证的分幅变像管初样。在皮秒动态检测方面，为最大限度保障微扫描分幅成像技术验证，基于多套高功率激光装置，建立了宽范围多尺度动态表征光源条件，发明了多种空间构型的超短时间延迟器件，可以将束斑分割为任意空间排布的2ps时间序列。.研制研究结果表明，我们首创的微扫描型分幅相机，国际上首次实现30微米高空间分辨下获得9.2ps-12.6ps的时间分辨能力，为超快物理、超快化学、实验室天体演化、高速生物动力学等研究提供新型超高速分幅照相方法。.在本项目工作的基础上，围绕原理方法、器件方法、标定装置、阴极工艺等，授权发明专利共8项，获省部级科技进步奖励一等奖3项 (证书号2019063710060001/2016370610090001/Y20170101-01)，发表学术论文10余篇，项目执行期间完成培养研究生2人，指导博士后1人，并入选《2019年度中国博士后科学基金资助选介》。