CN111352144A - 一种x射线超快检测装置及方法 - Google Patents

一种x射线超快检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种X射线超快检测装置及方法，以解决真空条纹相机、真空分幅相机等X射线超快诊断设备体积大，成本高，且控制较为复杂；超快半导体二极管无法实现亚皮秒乃至飞秒量级的X射线超快检测的问题。该装置包括激光器、波长转换机构、时域放大机构、光电探测器、读出电路。激光器发出的测试激光传输至波长转换机构，波长转换机构将待测的X射线脉冲信号时域信息传递给测试激光，再将携带有X射线脉冲信号时域信息的测试激光传输至时域放大机构，时域放大机构对携带有X射线脉冲信号时域信息的测试激光进行时域展宽后，输出至光电探测器，光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，并通过读出电路显示。

Description

一种X射线超快检测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种X射线超快检测装置及方法。
背景技术
目前，国内外对X射线的检测，特别是针对皮秒、飞秒等短脉冲X射线信号的超快检测，通常是采用真空条纹相机、真空分幅相机等超快诊断设备进行检测。该类设备主要是利用光电阴极将X射线脉冲信号转换为电子发射信号，然后对电子发射信号进行快速扫描，从而实现对X射线脉冲信号的超快检测。上述方法中涉及真空装置及空间电子偏转控制，使得整个设备体积较大，成本较高，且控制装置较为复杂。
此外，采用传统的半导体X射线探测器进行检测，主要是利用超快半导体二极管对入射X射线脉冲信号进行检测，受限于半导体探测器的时间响应及读出电路的采样带宽，目前仅能实现几十皮秒量级的X射线超快检测，无法实现亚皮秒乃至飞秒量级的X射线超快检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种X射线超快检测装置及方法，以解决现有技术中存在的真空条纹相机、真空分幅相机等X射线超快诊断设备涉及真空装置及空间电子偏转控制，使得整个设备体积较大，成本较高，且控制较为复杂；超快半导体二极管受限于半导体探测器的时间响应及读出电路的采样带宽，无法实现亚皮秒乃至飞秒量级的X射线超快检测的问题。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种X射线超快检测装置，其特殊之处在于：
包括激光器、波长转换机构、时域放大机构、光电探测器、读出电路；
所述激光器发出的测试激光传输至波长转换机构；
所述波长转换机构将待测的X射线脉冲信号时域信息传递给测试激光，再将携带有X射线脉冲信号时域信息的测试激光传输至时域放大机构；
所述时域放大机构对携带有X射线脉冲信号时域信息的测试激光进行时域展宽后，输出至光电探测器；
所述光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，并通过读出电路显示。
进一步地，所述波长转换机构为半导体干涉式X射线波长转换机构。
进一步地，所述半导体干涉式X射线波长转换机构包括耦合透镜、半导体波长转换芯片；
所述半导体波长转换芯片一侧镀有半透半反膜，另一侧镀有全反射膜；
所述测试激光通过耦合透镜后，从半导体波长转换芯片镀有半透半反膜一侧射入，待测的X射线脉冲信号从半导体波长转换芯片镀有全反射膜一侧射入；
所述半导体波长转换芯片将待测的X射线脉冲信号时域信息传递给测试激光，再将携带有X射线脉冲信号时域信息的测试激光通过耦合透镜输出。
进一步地，所述激光器发出的测试激光通过复用型光纤光路传输至波长转换机构；
所述波长转换机构输出的携带有X射线脉冲信号时域信息的测试激光再通过复用型光纤光路传输至时域放大机构。
进一步地，所述时域放大机构包括第一偏振控制器、第一色散控制器、泵浦激光器、第二偏振控制器、第二色散控制器、合束器、四波混频器、滤波器、第三色散控制器；
所述携带有X射线脉冲信号时域信息的测试激光通过第一偏振控制器、第一色散控制器，进入合束器；
所述泵浦激光器发出的泵浦激光通过第二偏振控制器、第二色散控制器，进入合束器；
所述合束器输出的混合光依次通过四波混频器、滤波器、第三色散控制器后输出。
进一步地，所述激光器发出的测试激光波长大于待测的X射线脉冲信号波长。
一种X射线超快检测方法，其特殊之处在于，按照以下步骤实施：
1)将激光器发出的测试激光传输至波长转换机构，同时将待测的X射线脉冲信号射入波长转换机构；
2)通过波长转换机构将待测的X射线脉冲信号时域信息传递给测试激光，得到携带有X射线脉冲信号时域信息的测试激光；
3)将步骤2)得到的携带有X射线脉冲信号时域信息的测试激光传输至时域放大机构，通过时域放大机构对其进行时域展宽并输出；
4)使用光电探测器将步骤3)中时域放大机构输出的光信号转换为电信号并输出；
5)使用读出电路对步骤4)中光电探测器输出的电信号进行检测并显示。
本发明相比现有技术的有益效果是：
(1)本发明提供的X射线超快检测装置采用全固态结构，实现了对待测X射线脉冲信号的超高时间分辨率检测，避免了使用真空***，提高了装置的可靠性，且结构简单，成本较低；
(2)本发明提供的X射线超快检测方法利用半导体光折变效应将待测的X射线脉冲信号时域信息传递给测量激光，实现待测X射线脉冲信号的波长转换，并基于时间透镜和色散傅里叶变换，实现对携带有X射线脉冲信号时域信息的测试激光的时域展宽，再利用光电探测器及读出电路将信号读出，从而实现亚皮秒、飞秒量级的X射线超快检测，该方法操作简单，检测能力较强。
附图说明
图1是本发明X射线超快检测装置一个实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例中波长转换机构的结构示意图；
图3是本发明实施例中时域放大机构的结构示意图。
图中，1-激光器，2-波长转换机构，21-耦合透镜，22-半导体波长转换芯片，23-半透半反膜，24-全反射膜，3-时域放大机构，31-第一偏振控制器，32-第一色散控制器，33-泵浦激光器，34-第二偏振控制器，35-第二色散控制器，36-合束器，37-四波混频器，38-滤波器，39-第三色散控制器，4-光电探测器，5-读出电路，6-复用型光纤光路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供的X射线超快检测装置，如图1所示，包括激光器1、波长转换机构2、时域放大机构3、光电探测器4、读出电路5。
激光器1发出的测试激光传输至波长转换机构2；波长转换机构2将待测的X射线脉冲信号时域信息传递给测试激光，再将携带有X射线脉冲信号时域信息的测试激光传输至时域放大机构3；时域放大机构3对携带有X射线脉冲信号时域信息的测试激光进行时域展宽后，输出至光电探测器4；光电探测器4将接收到的光信号转换为电信号，并通过读出电路5显示。
为方便信号处理，激光器1发出的测试激光波长要大于待测的X射线脉冲信号波长，一般选用可见光激光器或近红外激光器。
如图2所示，波长转换机构2为半导体干涉式X射线波长转换机构，包括耦合透镜21和半导体波长转换芯片22，半导体波长转换芯片22一侧镀有半透半反膜23，另一侧镀有全反射膜24，从而形成一个法布里-波罗(F-P)腔。测试激光通过耦合透镜21后变成平行光，并从半导体波长转换芯片22镀有半透半反膜23一侧射入，待测的X射线脉冲信号从半导体波长转换芯片22镀有全反射膜24一侧射入。半导体波长转换芯片22吸收X射线光，并生成瞬态光生载流子，从而使其材料内部折射率发生变化，由此对入射的测试激光产生瞬态相位调制，形成瞬态脉冲M，该脉冲携带有X射线脉冲信号的时域信息。对脉冲M的时域进行检测，即可反推出待测的X射线脉冲信号的时域信息。脉冲M同样通过耦合透镜21输出。
基于波长转换机构2的特殊工作原理，以及光路设计简化的目的，激光器1、波长转换机构2、时域放大机构3之间通过复用型光纤光路6连接。复用型光纤光路6主要由光纤环形器及耦合部件组成，激光器1发出的测试激光通过复用型光纤光路6传输至波长转换机构2，波长转换机构2输出的携带有X射线脉冲信号时域信息的测试激光再通过复用型光纤光路6传输至时域放大机构3。
如图3所示，时域放大机构3包括第一偏振控制器31、第一色散控制器32、泵浦激光器33、第二偏振控制器34、第二色散控制器35、合束器36、四波混频器37、滤波器38、第三色散控制器39。
从复用型光纤光路6传入的携带有X射线脉冲信号时域信息的测试激光，通过第一偏振控制器31、第一色散控制器32，进入合束器36；泵浦激光器33发出的泵浦激光通过第二偏振控制器34、第二色散控制器35，进入合束器36；由合束器36输出的混合光依次通过四波混频器37、滤波器38、第三色散控制器39后输出，实现光信号的高保真高倍率时域展宽。
光电探测器4选取半导体超快光电探测器，其探测波段需涵盖测试激光波段。
基于上述装置的X射线超快检测方法包括以下步骤：
1)将激光器1发出的测试激光通过复用型光纤光路6传输至波长转换机构2，同时将待测的X射线脉冲信号射入波长转换机构2，本实施例中，待测的X射线脉冲信号为亚皮秒信号；
2)通过波长转换机构2将待测的X射线脉冲信号时域信息传递给测试激光，得到携带有X射线脉冲信号时域信息的测试激光；
3)将步骤2)得到的携带有X射线脉冲信号时域信息的测试激光再次通过复用型光纤光路6传输至时域放大机构3，时域放大机构3的放大倍率可通过改变色散装置的参数进行调整，为了保证不出现色散失真，一般取100倍及以下；在对于波形细节要求不高时，也可设计为100倍以上。此处时域放大机构3的放大倍率设计为100，从而将亚皮秒信号高保真展宽至几十皮秒后输出；
4)使用光电探测器4将步骤3)中时域放大机构3输出的光信号转换为电信号并输出；
5)使用读出电路5对步骤4)中光电探测器4输出的电信号进行检测并显示。

Claims (7)

1.一种X射线超快检测装置，其特征在于：
包括激光器(1)、波长转换机构(2)、时域放大机构(3)、光电探测器(4)、读出电路(5)；
所述激光器(1)发出的测试激光传输至波长转换机构(2)；
所述波长转换机构(2)将待测的X射线脉冲信号时域信息传递给测试激光，再将携带有X射线脉冲信号时域信息的测试激光传输至时域放大机构(3)；
所述时域放大机构(3)对携带有X射线脉冲信号时域信息的测试激光进行时域展宽后，输出至光电探测器(4)；
所述光电探测器(4)将接收到的光信号转换为电信号，并通过读出电路(5)显示。
2.根据权利要求1所述的X射线超快检测装置，其特征在于：
所述波长转换机构(2)为半导体干涉式X射线波长转换机构。
3.根据权利要求2所述的X射线超快检测装置，其特征在于：
所述半导体干涉式X射线波长转换机构包括耦合透镜(21)、半导体波长转换芯片(22)；
所述半导体波长转换芯片(22)一侧镀有半透半反膜(23)，另一侧镀有全反射膜(24)；
所述测试激光通过耦合透镜(21)后，从半导体波长转换芯片(22)镀有半透半反膜(23)一侧射入，待测的X射线脉冲信号从半导体波长转换芯片(22)镀有全反射膜(24)一侧射入；
所述半导体波长转换芯片(22)将待测的X射线脉冲信号时域信息传递给测试激光，再将携带有X射线脉冲信号时域信息的测试激光通过耦合透镜(21)输出。
4.根据权利要求3所述的X射线超快检测装置，其特征在于：
所述激光器(1)发出的测试激光通过复用型光纤光路(6)传输至波长转换机构(2)；
所述波长转换机构(2)输出的携带有X射线脉冲信号时域信息的测试激光再通过复用型光纤光路(6)传输至时域放大机构(3)。
5.根据权利要求1至4任一所述的X射线超快检测装置，其特征在于：
所述时域放大机构(3)包括第一偏振控制器(31)、第一色散控制器(32)、泵浦激光器(33)、第二偏振控制器(34)、第二色散控制器(35)、合束器(36)、四波混频器(37)、滤波器(38)、第三色散控制器(39)；
所述携带有X射线脉冲信号时域信息的测试激光通过第一偏振控制器(31)、第一色散控制器(32)，进入合束器(36)；
所述泵浦激光器(33)发出的泵浦激光通过第二偏振控制器(34)、第二色散控制器(35)，进入合束器(36)；
所述合束器(36)输出的混合光依次通过四波混频器(37)、滤波器(38)、第三色散控制器(39)后输出。
6.根据权利要求5所述的X射线超快检测装置，其特征在于：
所述激光器(1)发出的测试激光波长大于待测的X射线脉冲信号波长。
7.一种X射线超快检测方法，其特征在于，按照以下步骤实施：
1)将激光器(1)发出的测试激光传输至波长转换机构(2)，同时将待测的X射线脉冲信号射入波长转换机构(2)；
2)通过波长转换机构(2)将待测的X射线脉冲信号时域信息传递给测试激光，得到携带有X射线脉冲信号时域信息的测试激光；
3)将步骤2)得到的携带有X射线脉冲信号时域信息的测试激光传输至时域放大机构(3)，通过时域放大机构(3)对其进行时域展宽并输出；
4)使用光电探测器(4)将步骤3)中时域放大机构(3)输出的光信号转换为电信号并输出；
5)使用读出电路(5)对步骤4)中光电探测器(4)输出的电信号进行检测并显示。
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