应用分享-激光诱导等离子体发光成像

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激光诱导等离子体（LPP) 是多种工业应用领域的研究热点，通常指处于极高能状态下的激光诱导等离子体使其发生“产生—持续—消失”的物理过程。众所周知，LPP的反应复杂且持续时间极短（几百纳秒以内），实现在此过程中捕捉等离子体的形态并控制等离子体是极具挑战性的工作。因此，在LPP的参数变化和演化过程中加持必要的、精准的诊断研究将有效助力研究者了解并掌握等离子体的物理特性进而在实验过程中加强对等离子体的控制来实现各类研究目标。光学诊断法是激光诱导等离子体过程诊断的传统方案，该方案利用瞬时照相技术拍摄激光诱导等离子体的发光图像，方便研究者理解宏观时空演化过程的同时获得等离子体的定量特征参数及等离子体对应实验参数之间的定性关系。基于LPP的反应特性并随着研究者对其实验原理更深入的理解，半定量的光学诊断法无论在精准性还是便易性上均已无法满足持续发展的研究需要。现阶段，激光诱导等离子体的过程诊断需要在两方面关键性能上突破挑战：一方面要求发光成像技术具备纳秒级的高时间分辨能力，能够瞬时“冻结”等离子体行为；另一方面要求成像系统具备低光子数的高检测灵敏度，满足短曝光时间条件下对低光子数的有效捕捉。综上，像增强相机凭借纳秒级时间分辨率以及单光子探测能力已经成为激光诱导等离子体成像研究的更优选择。本实验采用中智科仪逐光IsCMOS像增强相机对激光诱导等离子的发光过程进行拍摄测试。借助相机纳秒级快门控制和延迟，拍摄等离子体发光从激发至湮灭的演化过程。测试设备：中智科仪逐光IsCMOS像增强相机，型号：TRC411-S-HQB-F ；中智科仪大通量紫外镜头；瑞研光学中心波长355nm，带宽10nm窄带通滤光片。测试流程：1、等离子体发光波长为355nm附近，安装好紫外镜头和355nm-10nm 窄带通滤光片，固定相机位置，调节镜头焦距对焦；2、利用相机的触发输出接口触发激光器，将相机的内触发频率与脉冲激光器的频率对应设置为 100KHz，扫描序列拍摄等离子体发光过程，可在图像中获得等离子体亮斑图像；3、调整相机的Gate延时，获得等离子体发光最亮时刻，后续每延时5ns进行一次拍摄，观察等离子体的演化过程。1、等离子体发光光斑照片图1、序列扫描模式下拍摄的等离子体发光光斑2、激光在不同晶圆材料上诱导等离子体发光过程照片210 晶元材料图2、210 晶元材料上诱导的等离子体发光光斑在不同时刻的演化过程LLO晶元材料图3、LLO晶元材料上诱导的等离子体发光光斑在不同时刻的演化过程TPI晶元材料图4、TPI晶元材料上诱导的等离子体发光光斑在不同时刻的演化过程上述结果表明，利用中智科仪逐光IsCMOS像增强相机的内触发功能，触发激光器使其发出激光对待测晶元材料激发产生等离子体发光。根据实验需要灵活调节相机增益、门控时间，设置门控延时等参数，高效捕获激光诱导等离子发光光斑在不同时刻的清晰演化过程。中智科仪逐光IsCMOS像增强相机兼具纳秒级时间分辨率以及单光子探测能力。功能设计上超越传统，实现外触发和内延迟的同步调节，即在触发激光器等外部设备工作的同时进行超窄门宽的快门控制，前者可实现触发抖动小于35ps，延迟精度可达10ps量级。后者满足高帧频拍摄，在一次曝光时间内可通过Burst模式完成多次累积采样。经过规范化，规模化的测试及应用，中智科仪逐光IsCMOS时间分辨像增强相机已经成为激光等离子体发光瞬态过程、演化规律的光学诊断研究高效优选方案。由中智科仪自主研发生产的逐光IsCMOS像增强相机采用高量子效率低噪声的2代Hi-QE以及第3代GaAs像增强器，光学门宽短至500皮秒；全分辨率帧速高达98幅/秒；内置皮秒精度的多通道同步时序控制器，由SmartCapture软件进行可视化时序设置，完全适合时间分辨快速等离子现象。1.3纳秒光学门宽和10皮秒延迟精度精准捕捉不同时刻等离子发光现象，分析等离子形成机理。2．超高采样频率逐光IsCMOS相机目前全分辨率下可达98帧，提供告诉数据采集速率，同时可提供实验效率。此外设置使用其中16行的区域下，可以达到1300帧以上。3．精准的时序控制逐光IsCMOS像增强相机具有三路独立输入输出的时序同步控制器，最短延迟时间为10ps，内外触发设置可实现与激光器以及其他装置精准同步。4. 创新“零噪声”技术得益于单光子信号的准确识别，相机的暗噪声及读出噪声被完全去除。中智科仪Intelligent Scientific Systems MEASURE THE WORLDWITH LIGHT 逐光 Q IsCMO S 皮秒时间分辨影像及光谱探测 500皮秒光学门宽 快门重复频率高达5MHz 帧频98FPS 内置三通道同步时序控制器 先进的Hi-QE及GaAs光阴极 更高增益的双层MCP选项 无需制冷的低噪声探测技术 中智科仪国内首推逐光系列IsCMOS相机，采用高 量 子效 率低噪声的Hi-QE以及GaAs像增强器，针对皮秒时间分辨光谱 及成像实验优化设计，光学门宽短至500皮秒；采用 1600×1088分辨率相机芯片，全分辨率帧速高达98幅 /秒；内 置 皮秒精 度 的多通道同步时序控制 器 ，由SmartCapture软件 进行可视化时序设 置 。 特征及优势 500皮秒光学门宽 98幅/秒帧频 内置三通道同步时序控制器 同步精度高达10皮秒的三通道独立同步/延时输出 无需制冷的低噪声探测技术 内在低噪声芯片及完全自主开发的低噪声电路 快门重复频率高达5MHz 同步高重频激光器，更高的信噪比 光纤锥耦合技术 先进的Hi-QE及GaAs光阴极 Windows及Linux SDK支持 ●技术参数 SCMOS 分辨率 1600*1088 像素尺寸 量子效率 >70%@525nm 有效探测面积 14.4mm*9.79mm 采集帧频 98fps@1600*1088，>200fps@1600*500 ADC 12bit 电子快门 Global 前置增益 0-24dB 读出模式 高灵敏度模式 增益(e-/ADU) 0.31 1.55 满井容量 19643 98965 读出噪声(e-) 4.68 23.1 光阴极 GaAs HotS20 Hi-QE Blue Hi-QE UV Solar Blind 量子效率 >33%@600-850nm >16%@510nm >30%@250-400nm >27%@200-400nm >21%@260nm 等效背景噪声(EBI) <0.25plx <0.05 plx <0.05 ulx <0.05 plx <0.05 plx 波段范围 400nm-920nm 200nm-900nm 185-700nm 185nm-730nm 200nm-325nm 有效尺寸 光锥耦合比例 1：1 增益 >8000 Photons/Photon@1MCP；>150000 Photons/Photon@2MCP 分辨率 55-65 lp/mm@1MCP；>25 lp/mm@2MCP 荧光屏 P43 最短光学快门 U：500ps，F：3ns 快门驱动方式 高速电学脉冲驱动；-200V(开)/+50V(关) 快门重复频率 连续-10KHz(500ps)； 连续-300KHz，5MHz@Burst(3ns) 同步时序控制器 工作模式 内触发；随机触发；单发外触发；Burst外触发；连续 同步接口 外触发输入*1，触发输出*3，快速触发*1，曝光信号输出*1 外触发输入 最大触发频率125MHz，支持任意分频；触发阈值0.3V-3.3V可设置；输入阻抗50欧/10K欧可设置； 同步触发输出 A、B、C三通道；输出幅值5V，内阻50欧；输出脉冲宽度2ns-10s，最小调整步距10ps 外触发延迟 内触发频率 ·光阴极量子效率曲线· 强大易用的SmartCapture软件 操作界面 应用 选 先型 TRC4111一 S：单层MCP D：双层MCP U ：500ps F ： 3ns 安装尺寸 MEASURE THE WORLD WITHLIGHT 中智科仪(北京)科技有限公司 地址：北京市昌平区龙域中心A座710室 中智科仪(西安)研发中心 地址：陕西省西安市高新区锦业路69号创业开发园A区17号楼三楼