像增強器的光學選通特性分析與測試方法研究.pdf

1、作為探索超快過程的有利工具，高時間分辨率的高速拍攝器材正受到越來越多的關注。尤其是選通技術的發(fā)展，選通工作模式下的像增強器（Image Intensifier）因為可以具備高達10?10 s的時間分辨率，而作為可行的高速拍攝方案被廣泛研究。目前已經(jīng)有許多文獻報道了采用選通型像增強器觀察生物、化學或物理過程中的超快現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)了新的特性。選通型像增強器的工作原理主要是通過對像增強器的某些電極加載選通電脈沖，達到控制像增強器工作的目的。因此

2、，選通型像增強器的核心技術即是選通電脈沖與像增強器之間的相互作用，主要包括：選通脈沖控制像增強器工作的物理原理、高速高壓選通脈沖的生成、選通脈沖與像增強器電極的耦合以及選通脈沖對像增強器輸出增益的寬度和延遲的影響等。目前，國內(nèi)外對像增強器選通特性的研究主要集中在對像增強器的微通道板（Microchannel Plate，MCP）電極進行選通，而對像增強器的光陰極（Photo Cathode）選通模式的研究很少。本文主要圍繞像增強器光陰極

3、選通的基本物理過程和選通特性測試等方面，通過理論和實驗，研究了像增強器工作在光陰極選通模式下的輸出光增益特性。所做的主要工作與特色如下： 理論上，詳細分析了當選通脈沖加載在像增強器光陰極上時，光電子在像增強器內(nèi)的3個運動子過程：光陰極變加速子過程，MCP電子倍增子過程和陽極勻加速子過程，并對每一個子過程都分別進行了理論建模和仿真計算。綜合分析了光電子在像增強器中整個動態(tài)過程，并建立時間軸上的映射關系，得到了光增益與輸入選通電脈沖

4、波形之間的關系，同時還從理論上預測了增益曲線相對于選通脈沖發(fā)生的傾斜和展寬。 實驗上，參考典型的互相關測量方案，結合像增強器的固有特性，提出了基于飛秒超短光脈沖的光電互相關的測量方案，并將整個像增強器光陰極選通特性測試系統(tǒng)分成光學和電學兩個子系統(tǒng)，對每一子系統(tǒng)進行模塊化設計，詳細給出了每個模塊的原理、設計與實現(xiàn)過程。然后利用所實現(xiàn)的光陰極選通特性測試平臺，對像增強器的光陰極選通特性進行了實際測量，并且對測量結果進行分析，提出了改

5、進意見。通過理論與實驗研究表明，在光陰極選通模式下，像增強器輸出光增益隨著選通脈沖有一定差異，當輸入光陰極的選通脈沖波形對稱即前后沿時間大致相等時，像增強器輸出的光增益發(fā)生了傾斜，即增益曲線的后沿要大于前沿；而且與MCP選通的情況相反，相對于6ns 脈寬的輸入脈沖，測量得到的像增強器輸出光增益展寬到了6.4ns，與理論預測的結果一致。 與傳統(tǒng)的基于電測量的選通特性分析方法相比，本論文中提出的基于光電互相關的新型選通特性測試方法，

6、充分考慮了像增強器的光學特性，采用飛秒脈沖激發(fā)像增強器的光陰極，產(chǎn)生持續(xù)時間很短的光電子“脈沖”，直接與像增強器內(nèi)部的選通脈沖作用，避免了傳統(tǒng)方法中的系統(tǒng)誤差與不確定性，故能夠更真實的反應系統(tǒng)的增益特性。不但如此，理論上，這種基于光電互相關的新型選通特性測試方法不僅適用于光陰極選通，還適用于MCP選通。利用這種測試方法可以更準確地研究選通模式下，像增強器的輸出光增益特性，可以更深入了解利用選通型像增強器拍攝超短過程時，拍攝系統(tǒng)本身對圖像