01、重點和難點

等離子體通常被認為是物質的第四態，除了固體、液體和氣體之外的狀態。等離子體是一種高能量狀態的物質，其中原子或分子中的電子被從它們的原子核中解離，并且在整個系統中自由移動。這種狀態通常在高溫或高能環境中出現，如太陽、恒星、閃電、等離子體切割工具、核聚變反應等地都存在等離子體。激光誘導等離子體羽形貌成像有助于深入了解等離子體性質、核聚變和等離子體物理問題。

等離子體羽流成像難點：現象發生得非常迅速，持續時間很短，通常在幾百納秒以內。由于激光輻照產生的等離子體羽流具有強烈的自發光，這會導致羽流的觀測變得困難。此外，等離子體羽流的形成和脫離碎片表面都發生在小尺度的空間范圍內，這也增加了觀測技術上的挑戰。

中智科儀的逐光IsCMOS相機已經成功解決了等離子體羽流成像中的技術難題，包括超高速、瞬態、強自發光背景和小尺度等挑戰。它成功地完成了等離子體羽流形貌成像。TRC411相機具備超短納秒級時間門控和高精度的同步時序控制技術，與高功率的納米脈沖固體激光器同步工作，實現了對等離子體羽流形態演化過程的納秒級時間分辨率觀測。

02、解決方案

在我們為河北大學某實驗室構建的實驗設置中，使用了中智科儀逐光系列IsCMOS相機，相機搭載了高量子效率且低噪聲的Hi-QE系列像增強管，優化了對極短時間尺度下光信號的捕捉，是專門為皮秒級時間分辨光譜和成像實驗設計的高端設備。

500皮秒光學門寬：以皮秒精度捕捉瞬態現象，并大幅降低背景噪聲。

98幅/秒幀頻：采集幀頻98fps@1600*1088, >200fps@1600*500。

內置三通道同步時序控制器：同步精度高達10皮秒的三通道獨立同步/延時輸出。

無需制冷的低噪聲探測技術：內在低噪聲芯片及完全自主開發的低噪聲電路。

快門重復頻率高達5MHz：同步高重頻激光器，更高的信噪比。

光纖錐耦合技術：更高的光通量，無光暈現象。

先進的Hi-QE及GaAs光陰極：從紫外至近紅外均可選擇高量子效率陰極，大幅度提升信噪比，更高增益的雙層MCP可供選擇。

Windows及Linux SDK支持：成熟的跨平臺軟件開發套件，支持全功能二次開發。

03、測試過程

測試設備：中智科儀IsCMOS TRC411-S-HQB-F，F2UV100大通量紫外鏡頭;

實驗室使用的激光器為鐳寶的Dawa-200燈泵浦電光調Q納秒Nd:YAG激光器，激光波長1064nm，重復頻率1-20Hz。

本次采用激光器Q out接口觸發TRC411相機的方式，對相機Gate通道延時進行序列掃描，尋找相機與激光器的同步時刻。

實驗流程如下：

1.實驗材料被激發的等離子體羽發光在200nm-500nm左右，因此在鏡頭前端安裝一個430nm的帶通濾光片，屏蔽掉1064nm的激發激光和其他雜散光。

(在這一步驟中，需注意觀察成像畫面中是否有強反射材料，比如樣品臺的光滑金屬反光面或螺絲帽等，為了防止這些強烈反射面產生的反射光對相機造成損害，需要使用黑色電工膠帶將它們遮擋或覆蓋。)

2.連接激光器的Q Out觸發輸出接口至示波器，測得同步輸出的TTL信號電平為5V@1MΩ，頻率與激光輸出頻率匹配，均為5Hz。為了保護TRC411相機的同步時序電路板，考慮到其最大接受外觸發信號電平為5V，我們在觸發線上加入了6dB衰減器，將激光器Q out輸出電平減半。

3.由于等離子體的發光強度較大，無法確定所使用的濾光片的衰減倍率是否足夠，因此首先將鏡頭光圈調至最小，設置增益為1800，Gate時間設置為最短的3ns門寬。

接著，在TRC411相機的軟件設置參數：CMOS曝光時間為10ms，Trigger Mode為低頻外觸發模式，頻率為5Hz，Gate時間為13ns，MCP增益為1800，使用burst模式。

對Gate通道進行序列掃描，最終找到Gate延時起始時刻在700ns至1100ns之間，可以捕獲到等離子體的發光信號。

軟件參數設置：

序列采集SEQ曲線：

實驗材料被激發的等離子體發光持續時間約為400ns。

此實驗材料被納秒脈沖激光激發產生的等離子體羽形貌變化過程：

這項實驗的結果表明，逐光IsCMOS相機TRC411利用超短納秒級時間門控和高精度的同步時序控制技術，成功地拍攝到了實驗材料在被激發后產生的等離子體羽流從形成到湮滅的演化過程。

這一成就具有重要的科學和工程意義，因為我們能夠以極高的時間分辨率捕捉到等離子體羽流的瞬態行為。這有助于深入了解等離子體的特性、行為和動力學過程，為等離子體物理、材料科學和航空航天等領域的研究提供了寶貴的數據和洞察力。

審核編輯 黃宇