條紋照相機

條紋照相機（Streak camera），也稱像轉換管條紋相機，它是綜合了電子光學、電子學、纖維光學及半導體技術等新成果而發展起來的新型光電儀器。

條紋相機是同時具備超高時間分辨與高空間分辨的唯一高端科學測量與診斷儀器——它把時間到來的先後順序轉換成空間進行判斷，根據空間位置窺探瞬態過程。

基本介紹

• 中文名：條紋照相機
• 外文名：Streak camera

發展歷史

條紋照相機是一種測量光脈衝的強度關於時間的變化的儀器，常用於超快系統的脈衝持續時間測量，例如光譜時間分辨系統和雷射測距系統等。

國際上從1968年開始研製，於1971年製成第一代條紋照相機。當時採用的是磁聚焦像增強器與像轉換管相配合，但由於體積過於龐大（長約2.5米），不久就被淘汰。取而代之的是平板型微通道板像增強器，整機體積得以大大縮小，與一台普通示波器的體積相仿。利用條紋相機，可以測量閃光時間短至0.5皮秒的光脈衝，目前正在研製可探測短於0.1皮秒光脈衝的條紋照相機。

當前，條紋相機的最高時間解析度約為100飛秒，測量如此短的脈衝，還需要光學自適應和頻率分辨光柵等技術的支撐。在2011年9月，MIT小組利用條紋相機記錄了幀速高達萬億次每秒的雷射脈衝動畫。

2012年1月份，在中國科學院和財政部的策劃支持下，西安光機所承擔了“高性能條紋相機的研製”國家重大科研裝備項目，旨在進一步提高條紋相機的綜合功能和性能指標，發展具有自主智慧財產權的高性能、高可靠性、實用化條紋相機系統，並形成一定的批量生產能力，滿足國家大科學工程和國家重大基礎前沿研究不斷增長的數量和高性能指標需求。

2018年6月，由中國科學院西安光學與精密機械研究所承擔的國家重大科研裝備研製項目——“高性能條紋相機的研製”順利通過驗收，標誌著我國具有自主智慧財產權的高性能條紋相機進入實用化水平，對於實現超快診斷相關技術與精密測量儀器的自主研製生產，滿足國家重大工程、國家戰略高技術及前沿科學領域的需求具有極其重要的戰略性推動作用。

主要分類

條紋相機一般可以分為機械型和光電子型兩種。機械型主要採用旋轉鏡片和調節狹縫進行分光，性能受限於掃描速度，時間解析度不高。光電子型條紋相機主要原理是，入射的脈衝光轟擊光電陰極，產生的光電子並在陰極射線管中加速，並利用一系列電子光學結構，使電子發生偏轉，通過掃描將條紋圖案顯示在螢光屏上，並被線性探測器接收，譬如CCD，從而顯示出光脈衝的波形。

功能原理

在實際套用中，光脈衝沿著特定方向經由狹縫進入儀器而被探測器收集，不同時間到達的光子在探測器上的投射位置就會不同，時域的瞬態脈衝也就可以被轉換為在探測器上的空間分布。通過探測器上的光學“條紋”分布，光脈衝的持續時間以及其他瞬態性質就可以通過反推得出。為了周期性記錄脈衝結果，條紋照相機也採用類似示波器的觸發方式。

條紋照相機是針對示波器加以改進後研製而成的新型測量儀器。重大改進就是把光電探測器和信號顯示這兩部分合在一起了，即儀器本身就能夠直接將光信號顯示成像。具體的做法是：將示波管的熱陰極去掉，改成光電陰極，這樣一來，示波管也就可以兼有接收器和顯示器的作用。為了使信號能夠清楚地顯示出來，再採用像增強技術。光陰極材料的信號回響時間極快，可達1e-14 s。如果考慮到製造工藝、結構等方面的影響，獲得1e-13 s的回響時間沒有問題，而且電子光學處理系統的時間回響也極為迅速，所以能夠探測脈衝寬度非常窄的光信號。此外，條紋管光電陰極發射出來的光電子，經電子光學系統聚焦、偏轉加速和增強之後，以高速線性掃描方式成像於螢光屏上，即可把時間變數轉換為空間變數。從條紋照相機螢光屏上記錄下來的信號，包含有時間和空間兩種信息，利用這種儀器可以同時獲得光信號的持續時間和強度的空間分布情況。