掀起神秘第四态的面纱！——等离子体羽流成像

01、重点和难点

等离子体通常被认为是物质的第四态，除了固体、液体和气体之外的状态。等离子体是一种高能量状态的物质，其中原子或分子中的电子被从它们的原子核中解离，并且在整个系统中自由移动。这种状态通常在高温或高能环境中出现，如太阳、恒星、闪电、等离子体切割工具、核聚变反应等地都存在等离子体。激光诱导等离子体羽形貌成像有助于深入了解等离子体性质、核聚变和等离子体物理问题。

等离子体羽流成像难点：现象发生得非常迅速，持续时间很短，通常在几百纳秒以内。由于激光辐照产生的等离子体羽流具有强烈的自发光，这会导致羽流的观测变得困难。此外，等离子体羽流的形成和脱离碎片表面都发生在小尺度的空间范围内，这也增加了观测技术上的挑战。

中智科仪的逐光IsCMOS相机已经成功解决了等离子体羽流成像中的技术难题，包括超高速、瞬态、强自发光背景和小尺度等挑战。它成功地完成了等离子体羽流形貌成像。TRC411相机具备超短纳秒级时间门控和高精度的同步时序控制技术，与高功率的纳米脉冲固体激光器同步工作，实现了对等离子体羽流形态演化过程的纳秒级时间分辨率观测。

02、解决方案

在我们为河北大学某实验室构建的实验设置中，使用了中智科仪逐光系列IsCMOS相机，相机搭载了高量子效率且低噪声的Hi-QE系列像增强管，优化了对极短时间尺度下光信号的捕捉，是专门为皮秒级时间分辨光谱和成像实验设计的高端设备。

500皮秒光学门宽：以皮秒精度捕捉瞬态现象，并大幅降低背景噪声。

98幅/秒帧频：采集帧频98fps@1600*1088, >200fps@1600*500。

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：更高的光通量，无光晕现象。

先进的Hi-QE及GaAs光阴极：从紫外至近红外均可选择高量子效率阴极，大幅度提升信噪比，更高增益的双层MCP可供选择。

Windows及Linux SDK支持：成熟的跨平台软件开发套件，支持全功能二次开发。

03、测试过程

测试设备：中智科仪IsCMOS TRC411-S-HQB-F，F2UV100大通量紫外镜头;

实验室使用的激光器为镭宝的Dawa-200灯泵浦电光调Q纳秒Nd:YAG激光器，激光波长1064nm，重复频率1-20Hz。

本次采用激光器Q out接口触发TRC411相机的方式，对相机Gate通道延时进行序列扫描，寻找相机与激光器的同步时刻。

实验流程如下：

1.实验材料被激发的等离子体羽发光在200nm-500nm左右，因此在镜头前端安装一个430nm的带通滤光片，屏蔽掉1064nm的激发激光和其他杂散光。

(在这一步骤中，需注意观察成像画面中是否有强反射材料，比如样品台的光滑金属反光面或螺丝帽等，为了防止这些强烈反射面产生的反射光对相机造成损害，需要使用黑色电工胶带将它们遮挡或覆盖。)

2.连接激光器的Q Out触发输出接口至示波器，测得同步输出的TTL信号电平为5V@1MΩ，频率与激光输出频率匹配，均为5Hz。为了保护TRC411相机的同步时序电路板，考虑到其最大接受外触发信号电平为5V，我们在触发线上加入了6dB衰减器，将激光器Q out输出电平减半。

3.由于等离子体的发光强度较大，无法确定所使用的滤光片的衰减倍率是否足够，因此首先将镜头光圈调至最小，设置增益为1800，Gate时间设置为最短的3ns门宽。

接着，在TRC411相机的软件设置参数：CMOS曝光时间为10ms，Trigger Mode为低频外触发模式，频率为5Hz，Gate时间为13ns，MCP增益为1800，使用burst模式。

对Gate通道进行序列扫描，最终找到Gate延时起始时刻在700ns至1100ns之间，可以捕获到等离子体的发光信号。

软件参数设置：

序列采集SEQ曲线：

实验材料被激发的等离子体发光持续时间约为400ns。

此实验材料被纳秒脉冲激光激发产生的等离子体羽形貌变化过程：

这项实验的结果表明，逐光IsCMOS相机TRC411利用超短纳秒级时间门控和高精度的同步时序控制技术，成功地拍摄到了实验材料在被激发后产生的等离子体羽流从形成到湮灭的演化过程。

这一成就具有重要的科学和工程意义，因为我们能够以极高的时间分辨率捕捉到等离子体羽流的瞬态行为。这有助于深入了解等离子体的特性、行为和动力学过程，为等离子体物理、材料科学和航空航天等领域的研究提供了宝贵的数据和洞察力。

审核编辑 黄宇