高重复频率触发模式皮秒扫描相机

    0 引言

    变像管高速摄影机特别是同步扫描相机在光生物学的研究工作中有着广泛的应用[1],人们利用皮秒同步扫描相机对被测物体发出的微弱荧光脉冲进行重复叠加测量1但随着研究领域的扩展,被测现象发光时间长短不同;新的低重复频率激光器的应用,对皮秒扫描相机提出了新的要求,它要求新的扫描相机应具有高的扫描工作频率、高的时间分辨率、可调的扫描速度,利用正弦波作为同步变像管偏转板驱动波形的同步扫描相机[2]不能完全满足这些要求1本文讨论了高重复频率扫描电路,它的最高重复频率为1MHz,脉冲前沿为2 ns,使用这种扫描电路研制的扫描相机其时间分辨率为2. 7 ps。

    1 高重复频率扫描电路原理

    高重复频率扫描电路既不同于RF放大电路也不同于单次扫描电路[3],它需要高电压、大功率和超快速晶体管作为开关器件1高速晶体管的电损耗随着其工作频率的改变而变化,也需要一个能提供足够功率的高压源1由于变像管偏转系统对称性的要求[3],驱动变像管偏转板的电脉冲为双极性脉冲,图1所示电路即为高频双极性脉冲产生电路1在负高压端MOS管Q2的漏极浮于负高压上,因此它的栅极驱动电路也是浮于负高压上,这里栅极驱动电路电源使用带有变压器的DC/DC变换器产生,为了参数和电路输出波形的一致,在正高压端同样使用带有变压器的DC/DC变换器产生栅极驱动电路电源1而用一个脉冲变压器对触发脉冲进行电平变换1D1、D2为MOS晶体管栅极保护二极管。

    DMOS晶体管作为快速开关器件,触发脉冲经驱动电路的整形处理用于控制DMOS晶体管的开与断,由于DMOS晶体管具有较大的栅极电容,因此栅极驱动电路必须能提供足够的驱动电流,即可得到具有快速前沿的斜坡脉冲。

    图2所示为此电路的输出波形,测试时使用的衰减探头为TEK公司生产的高阻探头,它的衰减倍率为1000倍,带宽为100MHz1从图中可看出此电路输出脉冲的重复频率为1MHz,脉冲幅值为500V,上升时间为2 ns。

    2 扫描电路在变像管相机中的应用

    2.1 扫速和时间分辨率标定

    由本文所述的扫描电路组装的触发模式条纹相机,利用掺钛兰宝石激光器作为被测光源,掺钛兰宝石激光器输出光脉冲半宽为100 fs、重复频率82MHz、波长750 nm。

    82MHz激光脉冲串,经过普克尔盒输出1.66KHz的激光脉冲串,这一脉冲串分为二部分,一部分为被测激光,而另一部分为触发光,在这一情况下触发扫描电路的触发脉冲直接由激光产生1图4所示使用CCD相机在变像管荧光屏上得到的扫描曲线二个脉冲之间的间隔为66. 67 ps,在图上每一个点对应于CCD相机的一个通道1根据二脉冲之间的时间间隔可计算出扫描电路的扫速为5. 1@109cm/s,以荧光屏上扫程30mm计,扫全程时间为600 ps,所得二个脉冲宽度一为1. 8 ps,一为2. 7 ps1在标定扫描相机时取最宽脉冲为相机的时间分辨,因此,扫描相机的时间分分辨率为2.7 ps1扫描相机工作在重复触发模式下,在变像管荧光屏上得到的图像是变像管对飞秒激光脉冲多次扫描叠加的结果,因此从图4中不但能确定相机的时间分辨率和扫速,而且也说明该扫描电路的触发晃动可以忽略,因为此类变像管在单次扫描工作状态下的时间分辨率为优于2 ps,从图4中第一个脉冲宽度来看,脉冲半宽小于2 ps,这是多个脉冲叠加的结果,因此扫描电路的晃动在亚ps量级1高重复频率扫描电路的触发晃动小于单次扫描电路的触发晃动,其原因为在连续工作模式下触发脉冲的前沿和幅值的稳定性优于单脉冲。