适用于x射线诊断的高时空分辨光学系统
阅读说明：本技术 适用于x射线诊断的高时空分辨光学系统 (High space-time resolution optical system suitable for X-ray diagnosis ) 是由 刘祥明 刘永刚 徐涛 理玉龙 彭晓世 魏惠月 关赞洋 任宽 王峰 于 2021-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适用于X射线诊断的高时空分辨光学系统,探测光产生模块、X射线响应模块、成像模块和分幅记录模块。采用以上技术方案,以超连续光谱为探测光,探测光产生模块选择性输出探测光,再利用透射光栅进行空间分光,最后采用高性能CCD成像,利用光学方法实现了分幅,具有抗干扰能力强、时间和空间分辨高等优点；并且,记录的时间窗口可调,时间分辨率可调,空间分辨率高；同时,该系统结构极为紧凑,能够用于极小空间、极短时间尺度条件下X射线时空演化过程的测量,服务于高能量密度相关物理过程的研究；另外,该系统还可以作为主动测量设备,用于材料荧光性质测量、器件结构测量等。(The invention discloses a high-space-time resolution optical system suitable for X-ray diagnosis, which comprises a detection light generation module, an X-ray response module, an imaging module and a framing recording module. By adopting the technical scheme, the supercontinuum is taken as the detection light, the detection light generating module selectively outputs the detection light, the transmission grating is used for spatial light splitting, and finally high-performance CCD imaging is adopted, and the framing is realized by an optical method, so that the method has the advantages of strong anti-interference capability, high time and spatial resolution and the like; moreover, the recorded time window is adjustable, the time resolution is adjustable, and the spatial resolution is high; meanwhile, the system has extremely compact structure, can be used for measuring the space-time evolution process of the X-ray under the conditions of extremely small space and extremely short time scale, and is used for researching the related physical process of high energy density; in addition, the system can also be used as an active measuring device for measuring the fluorescence property of the material, measuring the structure of the device and the like.)
技术领域
本发明涉及超快过程探测
技术领域
，具体涉及一种适用于X射线诊断的高时空分辨光学系统。背景技术
在激光聚变和高能量密度物理研究中，X射线时空诊断是非常重要的技术手段。通过对X射线能谱和X射线时空演化过程测量可以得到等离子体的重要性质，包括电子温度、电子密度、温度梯度等重要物理参数。因此，X射线的时空演化过程成为了解激光与物质相互作用、等离子体加热与压缩、靶丸内爆动力学甚至燃烧等过程的关键数据。
不同时刻X射线发射区的二维图像是理解和研究黑腔等离子状态及其动力学的基础，是研究激光与黑腔能量耦合效率、打靶激光传输和能量沉积位置、X射线转换和输运的重要依据，对把握流体力学界面不稳定性增长和冲击波传播等物理过程有非常重要的作用。
目前，X射线诊断技术主要包括条纹技术、分幅技术和漂移管技术等，这些技术均是主要依靠电子学的方法实现较高时间或者较高空间分辨的记录。传统的条纹相机可以提供ps量级甚至更高的时间分辨，但却不具备二维空间分辨能力。传统分幅相机的时间分辨在30-70ps的范围，空间分辨可以达到30线对以上。基于漂移管技术的DIXI型分幅相机时间分辨可达5ps，空间分辨3线对，这种构型的分幅相机虽具有较高的时间分辨能力，但是不具备高空间分辨的能力。并且，此类技术所形成的电子学诊断系统结构往往较为复杂，易受强中子、伽马射线、电磁噪声等干扰的影响，造成测量不准确甚至部件损坏。为此，通常要另外设计抗干扰装置来保护诊断系统。但是，随着激光聚变和高能量密度物理实验的深入，各种干扰变得越来越强，导致抗干扰装置的复杂程度不仅明显增加，而且防护效果却不能完全保证，成为限制当前X射线诊断技术进一步发展的主要因素。
将X射线的时空演化过程转换成对可见光信号的探测是一种非常有效的方法。但是，光学波段超快二维成像的CCD和CMOS的时间分辨只有100ns，对应的读取速度仅为107/s，并且现阶段的技术无法从根本上突破芯片存储技术和电子读取速度的限制。因此，仅利用基于电子学的探测技术实现超快二维成像是不够的，还需要发展其他非电子学的探测技术。相关法测量包括频率分辨光学快门(简称FROG)、自参考光谱位相相干电场重建(简称SIPDER)以及改进的泵浦探测技术。这些方法虽然具有非常高的时间分辨(取决于探测脉冲的宽度)，但是却只能测量重复的现象。2014年，《Nature》发表了光学压缩高速成像技术(简称CUP)，利用传统的条纹相机实现了对非重复事件的捕捉。在这一过程中并没有采用任何机械扫描或者光扫描技术，借助的是空间编码的数字微镜。随着研究的进一步伸入，CUP的探测光谱范围从可见和近红外波段拓展到了紫外波段。但是，CUP对算法有极高要求，导致应用难度极大。
因此，申请人在经过一系列理论和实验研究后认为，利用光学方法实现高时空分辨测量，具有天然的优势，急需设计一种利用光学方法实现抗干扰能力强的高时空分辨X射线诊断系统。
发明内容
为解决以上的技术问题，本发明提供了一种适用于X射线诊断的高时空分辨光学系统。
其技术方案如下：
一种适用于X射线诊断的高时空分辨光学系统，其要点在于，包括：
探测光产生模块，其能够将入射的短脉冲激光转换为超连续谱啁啾脉冲，并产生时间上分离且波长不同的两束探测光，两束探测光的偏振方向分别为水平方向和垂直方向；
X射线响应模块，其能够使从探测光产生模块射入的各束探测光携带打靶激光与靶材相互作用产生的X射线的时空演化过程信息；
成像模块，其包括沿光传播方向依次设置的第一4f系统、光束偏移器、菲涅尔双棱镜和第二4f系统，所述光束偏移器位于第一4f系统的像面上，所述成像模块能够使X射线响应模块出射的两束探测光在空间上一分为二；
分幅记录模块，其至少包括沿光传播方向依次设置的透射光栅和CCD，所述透射光栅能够将从成像模块出射的两束空间上分离且偏振方向相互垂直的探测光各分为多束光，并分别成像到CCD的不同位置上。
采用以上结构，以超连续光谱为探测光，探测光产生模块选择性输出探测光，再利用透射光栅进行空间分光，最后采用高性能CCD成像，利用光学方法实现了分幅，不同于传统X光分幅相机，本发明的系统具有抗干扰能力强(不受中子等复杂环境的影响)、时间和空间分辨高等优点；并且，记录的时间窗口可调，时间分辨率可调，空间分辨率高；同时，该系统结构极为紧凑，能够用于极小空间、极短时间尺度条件下X射线时空演化过程的测量，服务于高能量密度相关物理过程的研究；另外，该系统还可以作为主动测量设备，用于材料荧光性质测量、器件结构测量等。
作为优选：所述探测光产生模块包括沿光传播方向依次设置的聚焦透镜、非线性介质、抛物面镜、可调衰减片、多带通滤光片、色散介质、偏振片、宽带半波片和延迟晶体；
入射的短脉冲激光经聚焦透镜聚焦在非线性介质上产生不同光谱范围和不同光谱强度的超连续谱，超连续谱依次经抛物面镜准直和可调衰减片调整光强后射向多带通滤光片，并由多带通滤光片分为多个独立的波段，再经色散介质展宽为时间上分开的多个波段的探测光，多个波段的探测光再依次经偏振片、宽带半波片和延迟晶体后分成偏振方向分别为水平方向和垂直方向的两束探测光，且两束向X射线响应模块出射的探测光存在时间间隔。
采用以上结构，非线性介质根据需求进行选择，用于产生不同光谱范围和不同光谱强度的超连续谱，多带通滤光片作为探测光选择器件，色散介质也根据需求进行选择，从而能够稳定可靠地输出存在设定时间间隔且偏振方向相互垂直的两束探测光。
作为优选：所述非线性介质为氟化钙。采用以上结构，能够使得产生的超连续谱探针光强度分布稳定。
作为优选：所述色散介质为玻璃棒。采用以上结构，能够通过选择不同长度的玻璃棒，灵活地选取对应的时间窗口，获得在时间上分开的多个波段的探测光。
作为优选：所述X射线响应模块包括半透半反镜、设置在半透半反镜和靶材之间的半导体响应介质以及设置在靶材和半导体响应介质之间的金属小孔，所述半导体响应介质靠近金属小孔的一侧镀有一层探测光反射膜；
打靶激光与靶材相互作用产生的X射线通过金属小孔成像到半导体响应介质上，同时，从探测光产生模块射入的两束探测光经半透半反镜射入半导体响应介质中，并携带X射线时空演化过程信息后从半导体响应介质反射回半透半反镜，最后经半透半反镜向第一4f系统出射。
采用以上结构，X射线与探测光同时到达半导体响应介质，其中，X射线与半导体响应介质相互作用，将X射线的时空演化过程转化为半导体响应介质中载流子浓度的变化，载流子对探测光会产生明显的吸收，从而出射的探测光携带了X射线时空演化过程信息。
作为优选：所述半透半反镜、半导体响应介质、金属小孔以及靶材均设置在遮光罩中。采用以上结构，能够有效隔绝杂散光，减少对诊断系统的影响。
作为优选：所述探测光反射膜为厚度100nm的铜。采用以上结构，镀一层铜膜不仅能够有效反射探测光，而且相对于传统镀金的方式，镀铜更利于高能X射线的透过，进一步减小对X射线强度的影响，同时成本更加低廉。
作为优选：所述半透半反镜为非偏振宽谱半透半反镜。采用以上结构，不仅不影响探测光的偏振状态，而且适应频谱宽。
作为优选：所述透射光栅和CCD之间设置有反射镜，所述透射光栅出射的多束探测光经反射镜反射后分别成像到CCD的不同位置上。采用以上结构，不仅能够精确控制光的传播路径，而且使整体结构更加紧凑。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
采用以上技术方案的适用于X射线诊断的高时空分辨光学系统，以超连续光谱为探测光，探测光产生模块选择性输出探测光，再利用透射光栅进行空间分光，最后采用高性能CCD成像，利用光学方法实现了分幅，不同于传统X光分幅相机，本发明的系统具有抗干扰能力强(不受中子等复杂环境的影响)、时间和空间分辨高等优点；并且，记录的时间窗口可调，时间分辨率可调，空间分辨率高；同时，该系统结构极为紧凑，能够用于极小空间、极短时间尺度条件下X射线时空演化过程的测量，服务于高能量密度相关物理过程的研究；另外，该系统还可以作为主动测量设备，用于材料荧光性质测量、器件结构测量等。
附图说明
图1为本发明的光路图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种适用于X射线诊断的高时空分辨光学系统，其主要包括探测光产生模块、X射线响应模块、成像模块和分幅记录模块。其中，探测光产生模块能够将入射的短脉冲激光转换为超连续谱啁啾脉冲，并产生时间上分离且波长不同的两束探测光，两束探测光的偏振方向分别为水平方向和垂直方向。X射线响应模块能够使从探测光产生模块射入的各束探测光携带打靶X射线的时空演化过程信息。成像模块能够使X射线响应模块出射的两束探测光在空间上一分为二。分幅记录模块能够将从成像模块出射的两束空间上分离且偏振方向相互垂直的探测光各分为多束光，并分别成像到CCD21的不同位置上。
探测光产生模块包括沿光传播方向依次设置的聚焦透镜2、非线性介质3、抛物面镜4、可调衰减片5、多带通滤光片6、色散介质7、偏振片8、宽带半波片9和延迟晶体10。其中，非线性介质3优选采用氟化钙，并且，非线性介质可更换，可用于产生不同光谱范围和不同光谱强度的超连续谱，波长范围400-850nm。抛物面镜4用于对超连续谱准直。可调衰减片5能够根据需求改变探测光强度。多带通滤光片6用于将超连续谱分为几个波段，每个波段带宽约25nm，本实施例中，多带通滤光片6可以是semrock的FF01-378/474/554/635/735。色散介质7本实施例优选采用玻璃棒，对应时间窗口一般10ps-200ps，这样就可以获得在时间上分开的多个波段的探测光。延迟晶体10为双折射晶体，如YVO4晶体，能够产生具有一定时间延迟的水平偏振和垂直偏振的两束光。
入射的短脉冲激光经聚焦透镜2聚焦在非线性介质3上产生不同光谱范围和不同光谱强度的超连续谱，超连续谱依次经抛物面镜4准直和可调衰减片5调整光强后射向多带通滤光片6，并由多带通滤光片6分为多个独立的波段，再经色散介质7展宽为时间上分开的多个波段的探测光，多个波段的探测光再依次经偏振片8、宽带半波片9和延迟晶体10后分成偏振方向分别为水平方向和垂直方向的两束探测光，且两束向X射线响应模块出射的探测光存在时间间隔，时间间隔可按需设定，本实施为5ps。
X射线响应模块包括半透半反镜11、设置在半透半反镜11和靶材13之间的半导体响应介质12以及设置在靶材13和半导体响应介质12之间的金属小孔14，半导体响应介质12靠近金属小孔14的一侧镀有一层探测光反射膜14a。其中，半导体响应介质12为掺杂的III-V半导体，例如AlGaAs层状结构，载流子寿命短，有利于超快过程探测。探测光反射膜14a为厚度100nm的铜，不仅能够有效反射探测光，而且相对于传统镀金的方式，镀铜更利于高能X射线的透过，进一步减小对X射线强度的影响，同时成本更加低廉。。本实施例中，半透半反镜11为非偏振宽谱半透半反镜，不仅不影响探测光的偏振状态，而且适应频谱宽。并且，半透半反镜11、半导体响应介质12、金属小孔14以及靶材13均设置在遮光罩中，能够有效隔绝杂散光，减少对诊断系统的影响。
打靶激光与靶材13相互作用产生的X射线通过金属小孔14成像到半导体响应介质12上，X射线首先在半导体响应介质12中产生载流子，X射线空间分布不均匀将引起载流子浓度在空间上分布也不均匀。同时，从探测光产生模块射入的两束探测光经半透半反镜11射入半导体响应介质12中，载流子对探测光会产生明显的吸收，载流子浓度高的区域吸收大。因此，从半导体响应介质12反射出的探测光会携带X射线时空演化过程信息，最后经半透半反镜11向第一4f系统15出射。
成像模块，其包括沿光传播方向依次设置的第一4f系统15、光束偏移器16、菲涅尔双棱镜17和第二4f系统18。其中，第一4f系统15包括第一透镜15-1和第二透镜15-2，第二4f系统18包括第三透镜18-1和第四透镜18-2。同时，光束偏移器16位于第一4f系统15的像面上，使偏振方向为水平和垂直的两束探测光在空间上分开。然后这两束光经过菲涅尔双棱镜17，在这种情况下，就相当于两个虚像各自发出两束光，再经过第二4f系统18成像到分幅记录模块中。
分幅记录模块，其至少包括沿光传播方向依次设置的透射光栅19和CCD21，其中，透射光栅19和CCD21之间设置有反射镜20。
从成像模块出射的两束空间上分离且偏振方向相互垂直的探测光各自分别由透射光栅19分为多束光，经反射镜20反射后分别成像到CCD21的不同位置上。具体地说，从成像模块出射的一束探测光由透射光栅19分为多束光，并在CCD21呈一排排布，从成像模块出射的另一束探测光由透射光栅19分为多束光，并在CCD21也同样呈一排排布。由于探测光波段是完全分离的，因此在CCD21上的两排像均成分离的像，由于探测光为啁啾脉冲，不同波长对应不同的时间，这就利用光学实现了分幅的功能，在同一个CCD21上记录了具有一定时间间隔的多幅二维图像。还需要指出的是，同一排不同像之间的时间间隔由波段间的时间间隔决定，而两排间的时间间隔由延迟晶体10决定。
在没有X射线的情况下，首先利用CCD21获得稳定的本底信号；然后，与在有X射线辐照后CCD21采集的图像进行对比，即可得到X射线时空演化信号；通过数据处理优化，可获得X射线时空演化过程。
本高时空分辨X射线光学诊断系统时间分辨(即两幅图之间的时间间隔)可调，具体有以下两种方式：1、改变玻璃棒长度，产生不同时间宽度的啁啾脉冲；2、改变不同长度时间延迟晶体10。高时间分辨可以到达500fs，时间窗口数ps，低的时间分辨可以到10ps，时间窗口100ps以上。系统的空间分辨可以达到30um以上。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。
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