CN110488340B - 一种超小型干涉式超快x射线光纤探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超小型干涉式超快X射线光纤探测器。该探测器体积小、时间分辨率高、抗电磁干扰强。其主要包括套筒、金属铍窗、半导体超快探测芯片、GRIN透镜、单模光纤以及光纤环形器；套筒内沿着探测光的方向依次同轴设置有GRIN透镜、半导体超快探测芯片以及金属铍窗；半导体超快探测芯片包括半导体晶体以及分别镀设在半导体晶体前、后表面的反射膜；两片反射膜与半导体晶体组成了一个法布里‑波罗干涉腔；单模光纤的一端为尾纤，尾纤同轴设置在GRIN透镜上，另一端与所述光纤环形器的第二端口连接；所述光纤环形器的第一端口与外部可调谐激光器连接，所述光纤环形器的第三端口与外部高速光电探测系统连接。
Description
技术领域
本发明涉及超快诊断技术领域，具体涉及一种超小型干涉式超快X射线光纤探测器。
背景技术
在惯性约束聚变研究中，靶丸内爆过程持续时间时间仅为数百个皮秒，对其过程进行精密诊断需要皮秒、甚至亚皮秒的时间分辨能力。目前使用的电真空X射线二级管(XRD)是进行X射线超快诊断的主要诊断器件。然而受制于光电信号收集、电子渡越时间及高带宽电子学信号传递限制，XRD的时间分辨只能做到100ps左右，且在硬X射线能区探测灵敏度较低，另外，XRD在使用时需要配置高压电源系统，并通过长距离的微波电缆才能将超快电信号传送到信号采集系统，这就使得信号探测、信号传输部分容易被打靶产生的电磁辐射场干扰，并且超快电子信号再长距离的传输过程中容易发生畸变，从而影响反推X射线辐射演化过程的准确度，造成信号失真。
相较于XRD的光电转换及信号收集过程，X射线致半导体折射率改变效应最大的特点是具有超高的时间响应速度，该特性源于半导体材料与X射线互相作用的物理过程都是在飞秒量级，并且非平衡载流子引起的非线性光学效应可以通过探测光进行原位测量，避免了X射线激发的载流子通过电极收集的过程，从而可以实现皮秒甚至飞秒的时间分辨能力。
干涉式半导体X射线超快探测技术是一种利用光学干涉方法提取X射线所激发的半导体材料非平衡载流子信息的手段之一。该技术通过设计对光学相位灵敏的干涉结构，将半导体敏感材料中由X射线入射引起的折射率变化信息转化为探针光干涉信号光强信息，并利用光纤光学系统传输探针光和干涉信号光强信号。由于光纤光学系统传输带宽高、损耗小且抗电磁辐射强的特性，非常适合在具有复杂电磁环境及远程数据采集的大型高能科学装置中应用。
在ICF实验中产生的超窄X射线脉冲辐射，脉宽达皮秒级。初步的研究表明，X射线的各向异性及能谱的非平衡特性非常明显。为了研究激光的吸收与转换、光辐量再分配等过程的物理机制，以及光辐射谱的谱特性和方向性等问题，需要利用多台小型化X射线超快探测器对高强度的X射线脉冲源进行多角度的精细测量与研究。从有限的靶室诊断空间来说，急需研制一种小型化的X射线超快探测器来满足使用要求。
发明内容
本发明利用Grin透镜聚焦特性，将半导体超快探测芯片与光纤紧凑耦合，设计一种超小型干涉式超快X射线光纤探测器，该探测器体积小、时间分辨率高、抗电磁干扰强，为惯性约束聚变等大型脉冲功率装置提供了强有力的支撑。
本发明的具体技术方案是：
本发明提供了一种超小型干涉式超快X射线光纤探测器，包括套筒、金属铍窗、半导体超快探测芯片、GRIN透镜、带尾纤的单模光纤以及光纤环形器；
套筒内沿着探测光的方向依次同轴设置有GRIN透镜、半导体超快探测芯片以及金属铍窗；
半导体超快探测芯片包括半导体晶体以及分别镀设在半导体晶体前、后表面的反射膜；两片反射膜与半导体晶体组成了一个法布里-波罗干涉腔；
单模光纤的一端为尾纤，尾纤同轴设置在GRIN透镜上，另一端与所述光纤环形器的第二端口连接；
所述光纤环形器的第一端口与外部可调谐激光器连接，所述光纤环形器的第三端口与外部高速光电探测系统连接。
进一步地，经准直的探测光垂直入射到半导体超快探测芯片上，半导体超快探测芯片中反射膜与半导体晶体组成法布里-波罗干涉腔，返回的干涉信号光通过光纤环形器的第三端口导出，干涉信号光光强与半导体芯片前后表面反射光之间的光程差ΔΦ有关，因此第一端口引入的探测光与第三端口输出的干涉信号光之间的光强比值满足以下关系式：
其中，Iout为第三端口输出的干涉信号光光强；
Iin为第一端口引入的探测光光强；
F为法布里-波罗干涉腔的精细常数；
ΔΦ为半导体超快探测芯片前、后表面反射光之间的光程差。
进一步地，上述GRIN透镜的折射率随径向而改变，折射率的表达式为：
其中，n1为光轴上的折射率，
为梯度常数，r为径向位置。
进一步地，上述半导体晶体为双面抛光、厚度为300微米的GaAs晶体。
进一步地，上述单模光纤为带有直径为1.8mm，长度为5mm的尾纤的单模光纤，且单模光纤出光端面镀有增透膜。
进一步地，上述套筒采用硼硅玻璃制作。
进一步地，上述金属铍窗的厚度为0.5mm。
进一步地，上述反射膜的反射率为65％。
进一步地，上述半导体超快探测芯片与GRIN透镜之间、以及半导体超快探测芯片、GRIN透镜与套筒之间通过紫外固化胶进行封装。
进一步地，上述半导体超快探测芯片、金属铍窗、GRIN透镜的外径均为1.8mm；套筒的内径为1.82mm，长度为12mm，GRIN透镜的长度5.59mm。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过半导体辐射折射率变化效应，利用法布里-波罗干涉结构，将X射线脉冲辐射波形信息转化为探测光波段的干涉信号光强信息，再利用高速光电探测系统实现X射线的超快探测，相较于传统的电真空X射线二极管(XRD)本发明具有超高的时间分辨、较强的电磁兼容以及高带宽的远程传输特性。
2、本发明利用GRIN透镜的聚焦特性，设计了一种紧凑型的超小型干涉式超快X射线光纤探测器，具有装配调节方便，可靠性高的特性，极大的提高了实际使用过程的便捷性。
附图说明
图1为实施例中探测器的结构简图。
附图标记如下：
1-金属铍窗，2-反射膜，3-半导体超快探测芯片，4-光纤追迹，5-GRIN透镜，6-套筒，7-单模光纤，8-探测光，9-干涉信号光，10-光纤环形器。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种倒像式像增强型超快成像探测器作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分；再次，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
本实施例提供的一种超小型干涉式超快X射线光纤探测器具体结构如图1所示，其包括套筒6、金属铍窗1、半导体超快探测芯片3、GRIN透镜5、单模光纤7以及光纤环形器10；
套筒6内沿着探测光8的方向依次同轴设置有GRIN透镜5、半导体超快探测芯片3以及金属铍窗1；半导体超快探测芯片3包括半导体晶体以及分别镀设在半导体晶体前、后表面的反射膜2；两片反射膜2与半导体晶体组成了一个法布里-波罗干涉腔；单模光纤7的一端为尾纤，尾纤同轴设置在GRIN透镜5上，另一端与所述光纤环形器10的第二端口(图1中B口)连接；光纤环形器10的第一端口(图1中A口)与外部可调谐激光器连接，光纤环形器10的第三端口(图1中C口)与外部高速光电探测系统连接。
此处需要说明的是：
1、在光纤环形器10的作用下外部可调谐激光器的探测光8仅能从第一端口(A口)进入第二端口(B口)，半导体超快探测芯片输出的干涉信号光9仅能从第二端口(B口)进入第三端口(C口)。
2、金属铍窗1可以减少可见光波段的杂散光对探测系统的影响，提高探测器信噪比。
3、经准直的探测光8垂直入射到半导体超快探测芯片3上，半导体超快探测芯片3中反射膜2与半导体晶体组成法布里-波罗干涉腔，返回的干涉信号光9通过光纤环形器10的第三端口导出，干涉信号光9光强与半导体超快探测芯片3前后表面反射光之间的光程差ΔΦ有关，因此第一端口引入的探测光8与第三端口输出的干涉信号光9之间的光强比值满足以下关系式：
其中，Iout为第三端口输出的干涉信号光光强；
Iin为第一端口引入的探测光光强；
F为法布里-波罗干涉腔的精细常数；
ΔΦ为半导体超快探测芯片前、后表面反射光之间的光程差。
当有X射线入射到半导体超快探测芯片中时，会激发大量的非平衡载流子，材料折射率的变化与非平衡载流子引起的带隙收缩、带填充或自由载流子吸收等效应有关。X射线脉冲使材料折射率发生微弱变化，非平衡载流子经过复合过程消失后，半导体的折射率恢复原值。折射率变化通过测量干涉仪干涉信号光强输出变化实现，这样就可以将X射线的超快变化信息转化为探测光干涉信号光强变化信息，利用可见光超快探测系统实现X射线的时间波形探测。
本实施例中半导体超快探测芯片3可以选用低温生长的砷化镓LT-GaAs制作，材料的载流子寿命可以通过工艺控制在皮秒量级。在双面抛光、厚度为300微米的GaAs晶体表面，针对1550nm探测光制备反射率为65％的反射膜2，形成精细常数F为20的法布里-波罗干涉腔，以提高芯片的探测灵敏度。利用激光切割技术将半导体芯片切割成直径1.8mm的圆形芯片。
本实施例中GRIN透镜5工作波长1550nm，直径1.8mm，长度5.59mm，GRIN透镜的折射率随径向而改变，所以透镜中所有的光程(距离乘以折射率)是相同的，可以将带尾纤的单模光纤7发出的探测光8准直(光纤追迹4如图所示)，GRIN透镜的折射率表达式如下：
其中n1为光轴上的折射率，
为梯度常数，r为径向位置。
本实施例中单模光纤7为带有直径为1.8mm，长度为5mm的尾纤的单模光纤，插芯的出光端面镀有1550nm的增透膜，增透膜可以将特定波长范围内的反射率降低到0.25％以下，从而减小设计波长范围内的背向反射和插入损耗。
本实施例中套筒内径采用1.82mm，长度为12mm的硼硅玻璃制作。
该探测器的制作过程如下：
首先将GRIN透镜5以及单模光纤7的尾纤依次装入套筒6中，中间填充紫外固化胶进行封装，调整GRIN透镜5与带尾纤的单模光纤7的尾纤端面的间距，使的GRIN透镜5的输出光近似准直，通过紫外灯固化其相对位置；在将半导体超快探测芯片3与GRIN透镜近贴，并用0.5mm厚金属铍窗进行封装，从而制备成一个超小型干涉式超快X射线光纤探测器。
本实施例探测器的工作原理具体如下：
使用时，将探测器沿光轴对准X射线辐射源，探测器金属铍窗1可阻挡可见光波段的杂散光，X射线脉冲通过金属铍窗后入射到半导体超快探测芯片3中，激发出非平衡载流子，改变半导体材料折射率n；探测光8从光纤环形器10端口A进入，从端口B出射，进过GRIN透镜平行入射到半导体材料3上，半导体3前后表面反射的反射光9形成干涉光束返回端口B，并经过光纤环形器10从端口C输出，从而被光电探测系统采集，当半导体超快探测芯片3折射率发生变化时，干涉光9的光强发生变化，从而可以根据干涉光光强变化过程计算反演出X射线辐射强度的变化。
最后所应说明的是，上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (6)
1.一种超小型干涉式超快X射线光纤探测器，其特征在于：
包括套筒、金属铍窗、半导体超快探测芯片、GRIN透镜、单模光纤以及光纤环形器；
套筒内沿着探测光的方向依次同轴设置有GRIN透镜、半导体超快探测芯片以及金属铍窗；
半导体超快探测芯片包括半导体晶体以及分别镀设在半导体晶体前、后表面的反射膜；两片反射膜与半导体晶体组成了一个法布里-波罗干涉腔；半导体晶体为双面抛光、厚度为300微米的GaAs晶体；
单模光纤的一端为尾纤，尾纤同轴设置在GRIN透镜上，另一端与所述光纤环形器的第二端口连接；
所述光纤环形器的第一端口与外部可调谐激光器连接，所述光纤环形器的第三端口与外部高速光电探测系统连接；
所述半导体超快探测芯片、金属铍窗、GRIN透镜的外径均为1.8mm；套筒的内径为1.82mm，长度为12mm；金属铍窗的厚度为0.5mm；反射膜的反射率为65％。
2.根据权利要求1所述的超小型干涉式超快X射线光纤探测器，其特征在于：第一端口引入的探测光与第三端口输出的干涉信号光之间的光强比值满足以下关系式：
其中，Iout为第三端口输出的干涉信号光光强；
Iin为第一端口引入的探测光光强；
F为法布里-波罗干涉腔的精细常数；
ΔΦ为半导体超快探测芯片前、后表面反射光之间的光程差。
3.根据权利要求1所述的超小型干涉式超快X射线光纤探测器，其特征在于：所述GRIN透镜折射率的表达式为：
其中，n1为光轴上的折射率，
为梯度常数，r为径向位置。
4.根据权利要求1所述的超小型干涉式超快X射线光纤探测器，其特征在于：所述单模光纤为带有直径为1.8mm，长度为5mm的尾纤的单模光纤，且单模光纤出光端面镀有增透膜。
5.根据权利要求1所述的超小型干涉式超快X射线光纤探测器，其特征在于：所述套筒采用硼硅玻璃制作。
6.根据权利要求1所述的超小型干涉式超快X射线光纤探测器，其特征在于：所述半导体超快探测芯片与GRIN透镜之间、以及半导体超快探测芯片、GRIN透镜与套筒之间通过紫外固化胶进行封装。
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