一种像增强器光学门控时间特性的测量方法及测量系统与流程

1.本发明属于高速摄影测量领域，具体涉及一种像增强器光学门控时间特性的测量方法及测量系统，应用于标定高速摄影系统的时间性能指标的测量，适用于各类高速光电分幅相机所用门控型像增强器的光学门控时间特性测量。


背景技术：

2.高速摄影是研究高速运动过程的一种方法，是爆轰物理、冲击波物理、加速器物理、等离子体物理实验、超快光学断层成像等研究领域中重要的光学诊断手段之一。常用的高速摄影为超高速光电分幅相机，其主要由成像物镜、分光系统、门控型像增强器、光学中继耦合、ccd相机、控制电路等组成。门控型像增强器是其核心关键器件，主要起光学快门和图像增强作用。光学快门的速度决定了像增强器的拍摄速度，也决定了图像的曝光时间。像增强器的门控时间取决于加载的门控电脉冲宽度、上升时间和自身的响应能力。由于电脉冲在阴极上建立电场存在时空变化过程，输出的光学图像也随之变化，因而对实际使用有意义的是测量得到门控型像增强器的输出光学图像强度随门控时间变化曲线，即光学门控时间特性曲线，由此可获得其光学曝光时间。
3.关于像增强器门控时间测量方法包括以下两种，一种是应用超短激光脉冲扫描法，这种方法不断调节激光脉冲与门控高压电脉冲到达像增强光电阴极的延时，通过后端的ccd相机采集激光脉冲在不同开门时刻的输出图像，获得门控选通时间序列图像，可判读给出其门控时间，对时间序列图像进行处理分析后，可给出光学门控时间特性曲线；另一种是采用延时光纤阵列，由长度等差的一组光纤组成输入阵列，在单次超短脉冲激光照射下，由光纤阵列输出等延时的激光点阵列，通过一次拍摄到光纤阵列输出的激光点数和相邻光纤之间的光学延时，计算得到像增强器的曝光时间。但是，以上两种方法后端都需要用ccd相机去采集图像，第一种方法需要多次测量，并需要对时间序列图像数据进行处理分析和统计，测量过程比较繁琐，数据处理较为复杂；第二种方法虽然测量次少，但仅能给出单一的曝光时间参数，不能给出光学门控时间特性曲线，不能更全面了解门控时间特性，无法获取较为全面准确的光学门控时间特性曲线。


技术实现要素：

4.为解决现有像增强器门控时间测量方法存在测量过程比较繁琐、数据处理较为复杂以及无法获取较为全面准确的像增强器门控时间的问题。本发明提供一种像增强器光学门控时间特性的测量方法及测量系统。该系统和方法基于超短激光脉冲扫描方法，采用光电探测器替换后端ccd相机记录系统，其数据处理和实施过程简化，同时还可获得准确的像增强器荧光屏光输出衰减时间特性。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
6.本发明提供的像增强器光学门控时间特性的测量方法包括以下步骤：
7.步骤一、超快激光器单次触发输出具有固定时间间隔的2个激光脉冲，2个激光脉
冲经扩束后先后分别分为两路，一路为透射光脉冲，一路为反射光脉冲，其中，第1个激光脉冲的透射光脉冲为触发源，第2个激光脉冲的反射光脉冲作为门控像增强器的曝光光源；
8.步骤二、第1个激光脉冲的透射光脉冲经均化处理后转化为电信号；将该电信号分为两路，一种电信号用于光强监测，另一路电信号触发延时脉冲产生器；延时脉冲产生器输出的电脉冲触发门控快门脉冲发生器，用于为门控像增强器提供阴极选通快门脉冲，使门控像增强器的阴极选通开门；
9.第2个激光脉冲的反射光脉冲经均化处理后，入射至门控像增强器的光电阴极上转化为电子图像；在门控快门脉冲发生器的选通快门脉冲加载在光电阴极时，电子图像被选通快门脉冲增强，随后被设置在门控像增强器输出端的第二光电探测器接收；
10.步骤三、通过调节延时脉冲产生器的延时步长，得到不同延时下第二光电探测器的输出波形，统计延时时间序列下输出波形的幅度，获得信号输出幅度与延时时间之间的关系曲线，从而得到像增强器的光学门控时间特性。
11.进一步地，步骤三中，延时脉冲产生器每次调节延时的步长为20ps。
12.本发明提供的像增强器光学门控时间特性的测量系统包括脉冲产生器、超快激光器、扩束镜、半反半透镜、第一漫散射玻璃片、门控像增强器、第二漫散射玻璃片、第一光电探测器、第二光电探测器、功分器、示波器、延时脉冲产生器、门控快门脉冲发生器和第二光电探测器；所述脉冲产生器与超快激光器连接，用于触发超快激光器输出激光脉冲；所述扩束镜、半反半透镜依次设置在超快激光器输出的激光脉冲光路上，激光脉冲通过扩束镜扩束后入射至半反半透镜分为两路激光脉冲，一路为透射激光脉冲，一路为反射激光脉冲；所述第一漫散射玻璃片、第一光电探测器依次设置在透射激光脉冲的光路中，透射光路上的激光脉冲被第一漫散射玻璃片均化处理后入射至第一光电探测器；第一光电探测器将均化处理后的光信号转化为电信号，功分器的输入端与第一光电探测器连接，输出端分别与延时脉冲产生器、示波器连接，功分器将第一光电探测器输出的电信号分为两路，一路电信号输入示波器，用于光强监测，另一路电信号触发延时脉冲产生器；所述延时脉冲产生器与门控快门脉冲发生器连接，延时脉冲产生器输出的电脉冲触发门控快门脉冲发生器，用于为门控像增强器提供阴极开门脉冲；所述第二漫散射玻璃片和门控像增强器依次设置在反射激光脉冲的光路中，反射光路上的激光脉冲被第二漫散射玻璃片均化处理后入射至门控像增强器的光电阴极上转化为电子图像；所述电子图像被设置在门控像增强器输出端的第二光电探测器接收，并转化为电信号，并该电信号输入示波器进行显示。
13.进一步地，所述超快激光器和扩束镜之间设置有bbo倍频晶体，用于改变激光脉冲的波长。
14.进一步地，所述超快激光器的脉冲宽度《1ns，触发抖动《50ps，2个激光脉冲时间间隔》200ns，时间间隔晃动优于10ps
15.进一步地，所述延时脉冲产生器和脉冲产生器的触发抖动和延时精度小于20ps。
16.进一步地，所述第二光电探测器为光电管或光电倍增管探测器。
17.进一步地，所述第一光电探测器为超快光电探测器，具体为光电管。
18.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
19.1.本发明光学门控时间特性的测量方法和系统采用光电探测器替换后端ccd相机，记录不同选通时间下的曝光图像信号积分强度，从而得到像增强器光学门控时间特性。
该方法数据处理和实施过程简化，并同时可获得像增强器后端荧光屏的光输出衰减时间特性。
20.2.本发明系统采用单次触发下输出时间间隔稳定的双脉冲激光器，用第1个激光脉冲作为门控快门脉冲发生器的触发源，为门控像增强器提供选通快门脉冲，使光电阴极开门，获取第2个脉冲的在不同选通时间下的曝光图像信号，提高了同步触发精度。
附图说明
21.图1为本发明像增强器光学门控时间特性的测量系统原理示意图；
22.图2为本发明实施例中门控像增强器开门时光电倍增管输出信号示意图；
23.图3为本发明实施例中门控像增强器关门时光电倍增管输出信号示意图；
24.图4为本发明实施例中实测超快门控像增强器光学门控时间特性曲线示意图。
25.附图标记：1-脉冲产生器，2-超快激光器，3-bbo倍频晶体，4-扩束镜，5-半反半透镜，6-第一漫散射玻璃片，7-门控像增强器，8-第二漫散射玻璃片，9-第一光电探测器，10-功分器，11-示波器，12-延时脉冲产生器，13-门控快门脉冲发生器，14-第二光电探测器。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
27.本发明提供一种像增强器光学门控时间特性的测量方法及测量系统。该方法基于超短激光脉冲扫描法，像增强后端采用光电探测器替换传统用的ccd相机，记录不同开门时刻像增强器输出的光强度信号，从而给出像增强器的光学门控时间特性，并可判读出像增强的光学曝光时间，同时也可获得像增强器后端荧光屏发光衰减时间特性。本发明系统和方法在门控型像增强器研制领域和超高速光电分幅相机光学门控时间特性测量和曝光时间测量中有广阔的应用前景。
28.本发明方法利用激光器单次触发输出2个激光脉冲，用第1个激光脉冲作为触发源使像增强器光电阴极开门，获取第2个激光脉冲的曝光图像，第1个激光脉冲触发延时脉冲产生器12，进一步触发门控快门脉冲发生器13，为门控像增强器7的光电阴极加载选通快门脉冲，使光电阴极开门。通过调节延时脉冲产生器12的延时，从而使加载在光电阴极的快门脉冲与第2个激光脉冲之间同步，并实现不同延时下选通图像信号输出和记录。统计像增强器后端光电探测输出信号幅度随脉冲延时产生器的设置延时的关系曲线，从而给出像增强器光学门控时间特性。具体的，本发明提供的像增强器光学门控时间特性的测量方法包括如下步骤：
29.步骤一、超快激光器2单次触发输出具有固定时间间隔的2个激光脉冲，2个激光脉冲经扩束后先后分别分为两路，一路为透射光脉冲，一路为反射光脉冲，其中，第1个激光脉冲的透射光脉冲为触发源，第2个激光脉冲的反射光脉冲作为门控像增强器7的曝光光源；
30.步骤二、第1个激光脉冲的透射光脉冲经均化处理后转化为电信号；将该电信号分为两路，一种用于光强监测，另一路电信号触发延时脉冲产生器12；延时脉冲产生器12输出的电脉冲触发门控快门脉冲发生器13，用于为门控像增强器7提供阴极选通快门脉冲，使门
控像增强器7的阴极选通开门；
31.第2个激光脉冲的反射光脉冲经均化处理后，入射至门控像增强器7的光电阴极上转化为电子图像；在门控快门脉冲发生器13的选通快门脉冲加载在光电阴极时，电子图像被选通增强，所述电子图像被设置在门控像增强器7输出端的第二光电探测器14接收，并转化为电信号；
32.步骤三、通过调节延时脉冲产生器12的延时步长，得到不同延时下第二光电探测器14电信号的输出波形，统计延时时间序列下输出波形的幅度，从而获得信号输出幅度与延时时间之间的关系曲线，得到门控像增强器7的光学门控时间特性。
33.如图1所示，本发明还提供一种实现上述方法的像增强器光学门控时间特性的测量系统，该系统包括脉冲产生器1、超快激光器2、bbo倍频晶体3、扩束镜4、半反半透镜5、第一漫散射玻璃片6、门控像增强器7、第二漫散射玻璃片8、第一光电探测器9、第二光电探测器14、功分器10、示波器11、延时脉冲产生器12和门控快门脉冲发生器13。
34.本发明系统采用超快激光器2作为光源，脉冲产生器1与超快激光器2连接，用于触发超快激光器2输出激光脉冲；bbo倍频晶体3、扩束镜4、半反半透镜5依次设置在超快激光器2输出的激光脉冲光路上，激光脉冲通过bbo倍频晶体3改变波长，并通过扩束镜4扩束后入射至半反半透镜5分为两路激光脉冲，一路为透射激光脉冲，一路为反射激光脉冲。
35.上述第一漫散射玻璃片6、第一光电探测器9依次设置在透射激光脉冲的光路中，透射光路上的激光脉冲被第一漫散射玻璃片6均化处理后入射至第一光电探测器9；第一光电探测器9将均化处理后的光信号转化为电信号，功分器10的输入端与第一光电探测器9连接，输出端分别与延时脉冲产生器12、示波器11连接，用于将第一光电探测器9输出的电信号分为两路，一种电信号输入示波器11，用于监测激光脉冲的强度，另一路电信号触发延时脉冲产生器12；延时脉冲产生器12与门控快门脉冲发生器13连接，延时脉冲产生器12输出的电脉冲触发门控快门脉冲发生器13，用于为门控像增强器7提供阴极开门脉冲。上述第二漫散射玻璃片8和门控像增强器7依次设置在反射激光脉冲的光路中，门控像增强器7输出端采用第二光电探测器14收集输出光学信号，像增强器荧光屏整个面上的光信号都能被后端的第二光电探测器14收集到。反射光路上的激光脉冲被第二漫散射玻璃片8均化处理后均匀入射至门控像增强器7的光电阴极上转化为电子图像；在选通快门脉冲加载在光电阴极时，电子图像被选通增强，打在荧光屏上形成光学图像，整个荧光屏上光学图像信号，被第二光电探测器14收集，形成电信号，该电信号由数据采集仪或示波器11记录。
36.本发明系统由一脉冲产生器1提供触发信号，单次触发超快激光器2输出具有固定时间间隔的2个激光脉冲，第1个激光脉冲作为触发源，触发延时脉冲产生器12，延时脉冲产生器12输出信号触发门控高压快门脉冲电路，使门控像增强器7阴极选通开门，获取第2个激光脉冲的曝光图像。具体的，单次触发输出的2个激光脉冲经扩束后先后分成两路，两路激光脉冲束经匀化后，一路输入到第一光电探测器9收集形成电信号，经功分器又分成两路，一路用于监测光强，另一路用于触发延时产生器12，进一步触发门控像增强器快门脉冲产生器13；另一路激光脉冲均匀照射在门控像增强器7的光阴极上，门控像增强器7被快门脉冲产生器13输出脉冲选通后，采集第2个到达光阴极上的激光脉冲图像。门控像增强器7输出端接一第二光电探测器14，第二光电探测器14采集来自其荧光屏整个输出面上的光信号波形。
37.本发明第二光电探测器14设置在门控像增强器7的后端，具体可为光电管或光电倍增管，时间响应在ns量级，不做具体要求，视实际测试需要而定。第一光电探测器9用于监测激光脉冲强度，具体为超快光电探测器，例如为光电管，时间响应小于1ns。
38.本发明超快激光器2的波长为532nm，或是可经过倍频产生此波长的激光器，脉冲宽度《1ns，触发抖动《50ps，具有外触发功能，不足具体要求，视实际测量需求定参数。脉冲产生器1和延时脉冲产生器12的触发抖动和延时精度优于50ps。示波器11为多通道高带宽数据采集系统或示波器11，用于记录光电探测输出信号幅度。
39.在本发明实施例中，采用一次触发激光器同时产生时间间隔稳定的2个激光脉冲的方式，用第1个光脉冲作为触发源，触发像增强器的门控快门脉冲电路，使像增强器开门去拍摄第2个激光脉冲的图像。实例中设计两个激光脉冲的时间间隔为1us。超快激光器2是脉宽400fs为的安阳激光器，输出波长为1080nm，重频频率为0.025mhz～5mhz。该超快激光器2由脉冲产生器1触发，经bbo倍频晶体3后输出540nm左右的激光脉冲，通过扩束镜4扩束，再经半反半透镜5分成2束，一束经第二漫散射玻璃片8均化后照射在超快选通像增强器阴极上，阴极被均匀辐照，一束经第一漫散射玻璃片6进入第一光电探测器9。第一光电探测器9输出的电信号经功分器10分成两路，一路直接输入示波器11一个通道中，用于监测光强，另一路电信号用于触发延时脉冲产生器12，由延时脉冲产生器12输出的电脉冲触发超快门控像增强器7的高压门控快门脉冲电路，为像增强器提供阴极开门脉冲。门控像增强器7的输出端由第二光电探测器14采集光信号，并输入示波器11的另一个通道进行记录。对该方案触发抖动的测试表明，整系统触发抖动约25ps。
40.通过对光信号、电信号所经过各路径产生的走时计算，可粗略给出脉冲产生器1的延时设置，使第二个激光脉冲和由第一个激光脉冲触发输出的高压门控快门脉冲同步到达像增强器光电阴极上，然后精调延时脉冲产生器12的延时步长，使第二光电探测器14输出信号从经历从最小逐渐增大，然后再逐渐减小，记录每次延时下第二光电探测器14的输出信号波形，统计延时时间序列下波形的幅度，则可绘制出光学门控时间特性曲线。门控像增强器7在开门时段内不同时间到达的激光脉冲入射下光电倍增管的输出信号如图2所示，像增强器阴极关门时激光脉冲入射下得到的信号如图3所示；实测超快门控像增强器7在半宽为1ns快门电脉冲驱动下的光学门控时间特性曲线如图4所示。本实施例中延时脉冲产生器12设计每次调节延时的步长为20ps。