纳秒和亚纳秒光学分幅图像记录系统

　　瞬态光子信息技术以短时间和原子时间内的信息为研究对象,是获取超快速过程时间信息、空间信息、光谱信息和偏振信息的一种光子信息技术,它在国 防、科学研究、高技术产品研发等方面有着广泛的应用。超高速成像将为极端条件下提供宏观、细观、微观瞬态事件的光子信息,为高端科学研究提供了必要的条 件。极端条件下的科学研究要求极高性能的测试仪器。超快过程的研究,像爆轰、非稳态涡流、燃烧、高电压放电、细观动力学过程、微观动力学等民用和军用研 究,需要摄影频率106~107Hz的超高速记录技术,转镜式超高速摄影和变像管超高速摄影是这一领域的主战设备[1]。然而激光飞片的研究和爆磁Z-箍 缩的研究,其特征过程只有5~10 ns,目前尚无一种仪器能对这一过程进行时序成像研究[2-3]。光学亚纳秒分幅时间多幅数字图像记录系统能满足这一高速现象的研究需要,可在每秒100 亿幅摄影频率下得到10~20幅、像素为752×512的数字图像,数字图像可实时采集、实时处理、实时传输。

      1　系统工作原理

　　光学亚纳秒分幅时间多幅数字图像记录系统如图1所示,主要分为几个部分:光学成像系统、高压脉冲发生器、同步控制系统和图像采集系统。系统的工 作原理为:激光器产生的激光光束由分束器分为两路:一路经过光学延迟线输入电光偏转器,另一路由PIN管检测,经过延迟单元,触发高压脉冲发生器产生亚 ns级的高压脉冲对电光偏转器偏转,得到直线轨迹的时序扫描光束,再利用一变换装置将扫描光束由直线轨迹变为圆形轨迹,得到一个圆形的时序点光源,作为成 像系统的光源,对目标依次扫描照射,成像光束通过一个锥镜反射后分别投射到成圆形排列的CCD相机阵列中。相机依次曝光,每个相机得到一幅存储图像,用图 像采集卡将图像依次读入电脑中,摄影过程完成。

    2　系统同步控制技术

　　图1所示系统中,最关键的问题是激光器、目标、高压脉冲发生器及CCD相机等子系统之间的精密同步,精确设计各子系统的时延并克服内部时间抖动 对光束偏转、成像、曝光及图像捕获是至关重要的。实际同步过程设计如下:由后台控制软件发出开始命令至同步触发电路(该电路具有3路可编程延时输出,延迟 分辨力为250 ps),同步器的延迟A_out输出脉冲触发图像采集卡,采集卡接收到此信号后向各相机发出外触发曝光信号,各相机同时处于曝光等待状态;同步器的 B_out输出脉冲触发脉冲激光源,再经分束器和PIN光电管获得高压脉冲发生器启动信号,产生高压脉冲使脉冲激光偏转,并通过光纤传光束形成亚纳秒时序 点光源照明目标;同步器的C_out输出脉冲用于触发目标,其延时参数可根据实验调节(用PIN管输出信号触发目标也可作为一种选择方案)。在CCD相机 外触发曝光信号过后,图像采集卡即可分时输出读出脉冲到各相机触发图像数据采集,上述过程的时序如图2所示。