基于探针光调制的皮秒时间分辨X-ray探测方法实验研究

Picosecond scale,single-transit waveforms have become commonplace in high energy density physics, laser fusion, plasma radiation and combustion. Because of the electron transit time limiting in the microchannel plate(MCP),the extreme time resolution of the framing camera based on the single MCP is 60ps,it is difficult to meet the demand of picosecond resolution at the study of laser pulse interact with plasmas. The objective of this study is to investigate a x-ray detection technique based the optical probe modulation in a semiconductorand and develop a novel class of high speed single transient ionizing radiation detector technologies that will enable critical diagnostics for the the study of intense laser pulse interact with plasmas， which is currently lacking.This detector concept will be capable of femtosecond temporal response,picosecond resolution,and singlephoton sensitivity.The ultrafast imaging system based on this technology will provide adequate fidelity to accurately measure plasma histories and implosion dynamics .These study is quite valuable to the detection and cognition of the ultrafast phenomenon and ultrashort process, and can also be widely used in deep space surveys, nuclear physics, high-energy physics and other fields.

在高能密度物理、天体物理实验和等离子体辐射研究中，涉及许多皮秒级单次事件。现有分幅相机的时间分辨受微通道板渡越时间的限制，极限时间分辨仅有 60ps，难以满足激光-等离子体相互作用研究中皮秒时间分辨的诊断需求。 项目针对激光-等离子体相互作用研究中超高时间分辨的诊断瓶颈，基于半导体中探针光非线性全光调制效应，提出并探究一种新型的超高速单次瞬态X射线成像方法，以期解决激光-等离子体相互作用研究中的皮秒时间分辨诊断难题。该技术与传统分幅相机相比，具有飞秒时间响应、皮秒时间分辨、单光子灵敏度的优点，由此组成的超高速成像系统对高温、高密度等离子体状态及随时空演化过程、内爆动力学和等离子体界面诊断具有重要的推进作用，对超快现象和超短过程的测量及认知具有重要的应用价值，可广泛应用于深空探测、核物理、高能物理等学科领域。

在高能密度物理、天体物理和等离子体辐射研究中，涉及许多皮秒级单次事件，皮秒时间分辨X射线诊断技术一直是这些领域研究与开发的重点。. 项目基于折射率调制效应，设计了一种可实现皮秒时间分辨的全光固态X射线探测器，以期解决激光等离子相互作用研究中的皮秒时间分辨诊断难题。. 主要研究内容：1）建立了X射线诱导载流子浓度模型，给出了能带填充效应、带隙缩小效应和自由载流子吸收效应引起的载流子浓度和折射率之间的函数关系。2）设计了新型全光固态X射线探测器。探测器选用低温生长GaAs作为敏感区，将探测器的时间响应缩短至百飞秒量级，结构上采用法布里-玻罗腔，既提高了探测效率，又将相位信息转为光强信息。3）基于泵浦-探针法对半导体中载流子动力学特性进行了实验研究，给出探针光反射强度与载流子动力学过程之间的关系。4）设计和制备了探测器样片，搭建了X射线皮秒时间分辨实验演示系统，对系统进行原理验证和指标测试。. 重要结果：1）探针光选择在带隙波长附近可达到最大的折射率变化，在10e16cm-3-10e19cm-3载流子浓度范围内，折射率变化与入射光强度呈线性变化关系;2）入射能量在0.1-40keV的X射线所产生的电子-空穴对的时间尺度小于120fs;3）电子团的空间尺度理论上小于5um，可实现高空间分辨成像;4）原理演示样机的空间分辨为5lp/mm，时间分辨率约为6ps。. 科学意义：1）首次基于折射率调制效应，实现对X射线全光固态皮秒时间分辨探测，并设计出全光固态结构的探测器，完成了探测器样件的制备，实验验证了皮秒时间分辨探测的可行性。2）建立了X射线诱导折射率变化的理论模型，研究出能带填充、带隙收缩和自由载流子吸收效应与折射率变化之间的关系，给出了载流子浓度、折射率变化和探针光选取的理论依据，为X射线和其它高能粒子的超高时间分辨探测提供了理论借鉴，对推动全光固态超快诊断方法意义重大。3）通过本课题的研究，探索了采用全光固态方式实现X射线皮秒时间分辨探测的新途径，本项目建立的研究方法可推广至其它高能粒子的探测，由此组建的超快诊断系统可广泛应用于深空探测、核物理、高能物理等学科领域。