譚小波，閆欣，易濤，何凱，邵錚錚，周凱凱，高貴龍，汪韜，張軍，莊釗文

（1 國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙410073）

（2 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所超快診斷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710119）

（3 中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心，四川綿陽(yáng)621900）

0 引言

慣性約束聚變（Inertial Confinement Fusion，ICF）是將高能短脈沖激光注入黑腔對(duì)靶丸加熱壓縮以實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火的方法，超快診斷技術(shù)在ICF 研究中不可或缺［1-2］。ICF 發(fā)生在極小的空間（0.1～1 mm），極短的時(shí)間（～ns），且部分過(guò)程如內(nèi)爆熱斑的持續(xù)時(shí)間只有100～200 ps，這需要診斷技術(shù)具備ps 級(jí)甚至百fs 級(jí)的超高時(shí)間分辨能力以及μm 級(jí)的高空間分辨能力［3］。傳統(tǒng)電真空超快探測(cè)技術(shù)通常基于光電轉(zhuǎn)換原理，其性能受到材料響應(yīng)、空間電荷效應(yīng)等因素的制約，比如，采用微通道板（Microchannel Plate，MCP）技術(shù)可以將分幅相機(jī)的時(shí)間分辨率提升到～30 ps，但MCP 帶來(lái)的空間電荷效應(yīng)限制了其空間分辨率（～50 μm）［4-6］；DIXI（DIlation X-ray Imager）利用電子脈沖時(shí)間放大技術(shù)以獲得更短的選通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了較高時(shí)間分辨的成像（～10 ps），但DIXI 中會(huì)產(chǎn)生大量次生電子，影響成像的信噪比和空間分辨率（～100 μm）［7-8］；條紋相機(jī)雖能夠達(dá)到200 fs 的超高時(shí)間分辨率，但其本身不具備二維成像能力，較大地限制了其應(yīng)用［9-10］。

美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出了基于半導(dǎo)體光折變效應(yīng)的超快探測(cè)技術(shù)，時(shí)間響應(yīng)可達(dá)ps～百fs，還具有全光全固態(tài)抗強(qiáng)輻射能力等優(yōu)勢(shì)［11-12］。LONDON R A 等對(duì)GaAs 材料的能量沉積時(shí)空特性進(jìn)行了理論分析和數(shù)值計(jì)算，研究表明GaAs 的時(shí)間響應(yīng)低至百fs 級(jí)，空間分辨優(yōu)于5 μm，光折變材料可用于高時(shí)空分辨超快成像研究［13］。BAKER K L 等采用硒化鎘（CdSe）作為響應(yīng)材料實(shí)現(xiàn)了時(shí)間分辨率為5 ps 的兩分幅X 射線成像，而CdSe 非平衡載流子復(fù)合時(shí)間較長(zhǎng)，需要采用差分方式獲得較高時(shí)間分辨的圖像，其成像的空間分辨率達(dá)到30 lp/mm，畫(huà)幅約為2.5 mm×1.5 mm［12］。

國(guó)內(nèi)，中國(guó)工程物理研究院對(duì)CdSe 的超快動(dòng)力學(xué)開(kāi)展了研究，得到其載流子復(fù)合時(shí)間為470±20 ps［14］。西北核技術(shù)研究所將光折變材料應(yīng)用于Z 箍縮，采用磷化銦（InP）實(shí)現(xiàn)了時(shí)間分辨率約為1.5 ns、空間分辨率約為140 μm 的成像，并分析了其在5 eV～100 keV 范圍內(nèi)的光譜響應(yīng)［15］。中科院西安光機(jī)所等單位利用砷化鎵/鋁鎵砷（GaAs/AlGaAs）多量子阱結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料得到了3 ps 高時(shí)間分辨的六分幅可見(jiàn)光成像，該材料的非平衡載流子壽命低至2.5 ps，響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)小于CdSe，無(wú)需進(jìn)行差分即可實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨成像［16-17］。王博等以低溫GaAs 為響應(yīng)材料，實(shí)現(xiàn)了l0 ps 時(shí)間分辨X 射線探測(cè)，但未進(jìn)行二維成像［18］。鐘梓源等對(duì)低溫生長(zhǎng)鋁鎵砷（Low-Temperature grown AlGaAs，LT-AlGaAs）的光折變效應(yīng)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，得到LT-AlGaAs 的非平衡載流子的復(fù)合時(shí)間低至2.08 ps，適用于超快響應(yīng)芯片的研制［19］，但未開(kāi)展X 射線成像研究。目前為止，尚未出現(xiàn)報(bào)道基于光折變超快響應(yīng)芯片的大畫(huà)幅X 射線成像實(shí)驗(yàn)研究。

因此，本文采用LT-AlGaAs 為材料研制的超快響應(yīng)芯片進(jìn)行X 射線成像實(shí)驗(yàn)，利用高能量納秒激光打靶產(chǎn)生X 射線，以此為信號(hào)源對(duì)LT-AlGaAs 光折變X射線響應(yīng)芯片的空間性能開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了利用LT-AlGaAs 超快芯片進(jìn)行高空間分辨、大動(dòng)態(tài)范圍、大畫(huà)幅X 射線成像的可行性，為光折變超快X 射線成像系統(tǒng)的研制及應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)支撐。

1 原理

半導(dǎo)體的光折變效應(yīng)是光折變X射線半導(dǎo)體響應(yīng)芯片的研制基礎(chǔ)，當(dāng)X 射線信號(hào)的光子能量大于半導(dǎo)體帶隙時(shí)，材料將吸收能量并在內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子。由于半導(dǎo)體的帶收縮、帶填充以及自由載流子吸收等效應(yīng)，這些載流子會(huì)在極短的時(shí)間尺度（fs～ps）減速并導(dǎo)致材料的介電常數(shù)和折射率發(fā)生變化［13，18］。折射率變化量Δn與信號(hào)強(qiáng)度I在一定條件下成近似線性關(guān)系Δn=αI，其中α為常系數(shù)［13］。當(dāng)探針光同時(shí)入射到材料內(nèi)時(shí)，其相位將會(huì)隨著材料折射率的變化而改變［13］，相位改變量為

式中，d為半導(dǎo)體材料的厚度，λ為探針光波長(zhǎng)。因此，通過(guò)材料的光折變效應(yīng)，信號(hào)光的信息被調(diào)制成探針光的相位變化量，其大小和信號(hào)光的強(qiáng)度成線性關(guān)系，通過(guò)進(jìn)一步的相位提取可恢復(fù)出目標(biāo)信號(hào)。

本文采用相位光柵編碼進(jìn)行衍射的方法實(shí)現(xiàn)相位信息的提取、設(shè)計(jì)，研制了對(duì)應(yīng)的光折變響應(yīng)芯片，其主要由光折變材料LT-AlGaAs、光學(xué)鍍膜（探針光高反膜），金屬掩膜（一維光柵，70 lp/mm）組成。其工作原理如圖1所示，當(dāng)X 射線信號(hào)入射到芯片正面時(shí)，首先被金屬光柵調(diào)制成一維周期性結(jié)構(gòu)，透過(guò)光柵的信號(hào)光將到達(dá)光折變材料內(nèi)部，導(dǎo)致材料折射率發(fā)生周期性變化，形成一維瞬態(tài)相位光柵。另一側(cè)，探針光同步入射到芯片背面，經(jīng)高反膜反射，探針光的相位將會(huì)隨材料折射率的改變而發(fā)生變化，并被產(chǎn)生的一維相位光柵衍射。

圖1 光折變響應(yīng)芯片的工作原理示意圖Fig.1 Principle diagram of the photorefractive chip

探針光經(jīng)一維相位光柵衍射后，再通過(guò)光學(xué)4f濾波系統(tǒng)進(jìn)行相位信息提取，如圖2所示，在頻譜面上放置濾波器，設(shè)置小孔只讓±1 級(jí)光通過(guò)，最終到達(dá)像面進(jìn)行成像。根據(jù)相位光柵的衍射理論［20］，各個(gè)級(jí)次的衍射效率

圖2 相位光柵編碼提取相位原理圖Fig.2 Schematic diagram of phase extraction by phase grating coding

因此，濾波讓+1 或-1 級(jí)通過(guò)，最后到達(dá)探測(cè)器的光強(qiáng)度

式中，Iprobe表示探針光的強(qiáng)度。由此，將相位變化量轉(zhuǎn)為探針光光強(qiáng)的變化，實(shí)現(xiàn)了相位信息的提取。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置布局

測(cè)量實(shí)驗(yàn)利用高能量激光脈沖轟擊金屬靶材產(chǎn)生的X 射線，以此作為信號(hào)來(lái)激發(fā)超快芯片的響應(yīng)。裝置布局如圖3所示，高能量納秒激光器發(fā)射出打靶激光脈沖（脈沖寬度2 ns，能量從5～155 J 分段調(diào)節(jié)），通過(guò)拋物面鏡（Off-Axis Parabolic Mirror，OAP）匯聚到靶點(diǎn)（Al靶），產(chǎn)生X 射線。X 射線從靶點(diǎn)入射到芯片的正面，通過(guò)金屬掩膜調(diào)制后誘發(fā)芯片內(nèi)半導(dǎo)體折射率的變化。另一側(cè)，由探針光激光器發(fā)射出探針光（785 nm），途經(jīng)反射鏡和分光鏡后入射到芯片的背面，而后經(jīng)過(guò)時(shí)變的折射率調(diào)制再反射進(jìn)入4f系統(tǒng)（由兩個(gè)焦距為30 cm，口徑為5 cm 的透鏡組成），濾波器只允許+1 級(jí)通過(guò)，最后被增強(qiáng)型電荷耦合器件（Intensified CCD，ICCD）接收。實(shí)驗(yàn)中，配有一套X 射線二極管探測(cè)器（X-Ray Diode，XRD）對(duì)X 射線的能量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置布局圖Fig.3 Layout of the experimental setups

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在芯片正面添加多個(gè)“8”字圖案的金屬掩膜對(duì)X 射線信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，以此作為實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)場(chǎng)景，如圖4所示。ICCD 的參數(shù)設(shè)置為增益80，門(mén)寬150 ns。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)調(diào)節(jié)打靶激光脈沖的能量，分析不同X 射線總能量條件下成像系統(tǒng)的空間分辨能力。X 射線成像結(jié)果如圖5所示，分別為打靶激光能量為5 J、23 J、46 J 和155 J 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)應(yīng)的XRD 測(cè)量值換算為X 射線能量并歸一化后分別為0.008 3、0.17、0.57 和1。成像的單幅畫(huà)幅尺寸達(dá)到6.7 mm×6.7 mm，在實(shí)驗(yàn)所采用的激光能量下，均能較好成像，能夠清晰展示目標(biāo)的細(xì)節(jié)，隨著能量的增強(qiáng)，成像整體的灰度值也隨之增加。圖像右半部分有數(shù)個(gè)亮點(diǎn)，這是由芯片加工出現(xiàn)瑕疵帶來(lái)的強(qiáng)散射光，可以通過(guò)進(jìn)一步的工藝迭代優(yōu)化進(jìn)行改善。

圖4 芯片表面金屬掩膜示意圖和ICCD 直接拍攝掩膜的結(jié)果Fig.4 Schematic diagram of the mask on chip surface and imaging result of the mask using ICCD

進(jìn)一步對(duì)圖5 進(jìn)行分析，利用數(shù)字“8”左下角（圖5 右下圖中的紅實(shí)線）的水平強(qiáng)度變化曲線作為邊緣擴(kuò)散函數(shù)（Edge Spread Function，ESF），以此來(lái)計(jì)算成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)為了減少誤差，對(duì)圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)后，再對(duì)其沿豎直方向合理范圍內(nèi)進(jìn)行平均，計(jì)算得到的MTF 如圖6所示。

圖5 不同打靶激光能量下的成像結(jié)果Fig.5 Results under different pump laser energy

圖6 不同X 射線能量（歸一化）下成像調(diào)制傳遞函數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.6 Calculation results of MTF under different normalized X-ray energy

根據(jù)成像質(zhì)量評(píng)價(jià)理論，通常將MTF 為0.1 時(shí)的空間頻率作為系統(tǒng)的最大空間分辨率，由圖6 可得該成像系統(tǒng)的最優(yōu)空間分辨率可達(dá)35 lp/mm，優(yōu)于LLNL 公開(kāi)報(bào)道的結(jié)果［12］。受限于實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)中雜散光控制、系統(tǒng)的穩(wěn)定性等因素未能進(jìn)一步優(yōu)化，成像系統(tǒng)的空間分辨能力在不同X 射線能量下有一定的波動(dòng)，但均能達(dá)到25 lp/mm @MTF=0.1 的空間分辨率。

對(duì)不同能量下的成像選定相同的ROI 區(qū)域（圖5 右下圖中紅虛框內(nèi)的區(qū)域），對(duì)區(qū)域內(nèi)的所有像素的灰度求平均，得到像素平均灰度值與X 射線歸一化能量的關(guān)系，如圖7所示。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合（圖7中紅線），擬合的R-square 值（確定系數(shù)）為0.97，說(shuō)明像素平均灰度值和X 射線歸一化能量基本滿足線性關(guān)系。針對(duì)圖像傳感器，動(dòng)態(tài)范圍一般定義為信號(hào)飽和值與絕對(duì)靈敏度閾值之比［21］。受實(shí)驗(yàn)打靶發(fā)次限制，未能采集到信號(hào)飽和值。但在最強(qiáng)X 射線能量下能夠清晰成像，也就是低于信號(hào)飽和值。另外，絕對(duì)靈敏度閾值一般是圖像中信噪比為1 時(shí)的信號(hào)值［21］。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖5 可知，最弱X 射線能量下的信噪比也是大于1 的。因此，本實(shí)驗(yàn)中的X 射線響應(yīng)芯片的線性動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)當(dāng)優(yōu)于。

圖7 ROI 區(qū)域平均灰度值與X 射線歸一化能量的關(guān)系Fig.7 Relationship between average gray value of ROI and normalized X-ray energy

3 分析與討論

分析系統(tǒng)的MTF 要考慮以下四方面因素的影響：1）半導(dǎo)體內(nèi)X 射線能量沉積帶來(lái)的空間彌散足夠?。?3］，允許成像系統(tǒng)優(yōu)于5 μm 的分辨率；2）金屬光柵的調(diào)制會(huì)影響成像的空間分辨率，本文采用的芯片表面刻蝕的光柵為70 lp/mm；3）探測(cè)器像元的尺寸為12.8 μm，本成像系統(tǒng)的放大率為1，則探測(cè)器能表示的最大空間頻率約為39 lp/mm；4）光學(xué)4f系統(tǒng)的衍射受限效應(yīng)也會(huì)影響空間分辨，當(dāng)頻譜面不加濾波器時(shí)，可由透鏡焦距及口徑計(jì)算出光學(xué)系統(tǒng)可通過(guò)的最大空間頻率約為106 lp/mm［22］，加濾波器后，由于通光孔的直徑需小于衍射零級(jí)和一級(jí)的間距，其截止作用將大大較低光學(xué)系統(tǒng)的空間分辨率。因此，當(dāng)前系統(tǒng)的MTF 主要受到濾波器上小孔尺寸和探測(cè)器像元尺寸的限制，通過(guò)增大調(diào)制光柵的線對(duì)數(shù)，使得頻譜面零級(jí)和±1 級(jí)的間距增大，這樣可以在屏蔽掉零級(jí)光的同時(shí)可一定程度增大小孔的尺寸，同時(shí)減小探測(cè)器像元尺寸或增大成像放大率，系統(tǒng)的空間分辨率會(huì)得到進(jìn)一步提升。

當(dāng)前系統(tǒng)的MTF 結(jié)果表示響應(yīng)芯片及后端相位提取系統(tǒng)的組合分辨能力，在實(shí)際應(yīng)用中，目標(biāo)場(chǎng)景要先通過(guò)一定放大倍率的成像系統(tǒng)（如針孔成像系統(tǒng)、KB 顯微鏡等）后成像到芯片上，這樣可以進(jìn)一步提升整系統(tǒng)的物方空間分辨［3］。對(duì)于觀測(cè)相同的目標(biāo)區(qū)域，大畫(huà)幅可搭配更大的放大率，從而獲得更高的物方空間分辨。當(dāng)前系統(tǒng)中的超快響應(yīng)芯片實(shí)現(xiàn)了6.7 mm×6.7 mm 的大畫(huà)幅成像，相比于LLNL 研究中約為2.5 mm×1.5 mm 的成像畫(huà)幅［12］，本系統(tǒng)具備更佳的空間分辨能力。

本文實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在120∶1 的X 射線能量動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的大畫(huà)幅高空間分辨成像的能力，基于LT-AlGaAs材料本身具備的2.08 ps 的超短非平衡載流子復(fù)合時(shí)間，可綜合得出LT-AlGaAs 超快響應(yīng)芯片可用于大動(dòng)態(tài)范圍（≥120∶1）、高時(shí)間分辨（～ps）、高空間分辨（～20 μm）的大畫(huà)幅（≥6.7 mm×6.7 mm）成像。結(jié)合先進(jìn)的超快分幅技術(shù)，例如色散分幅［23］、偏振啁啾分幅［16］等技術(shù)，可基于LT-AlGaAs 超快響應(yīng)芯片研制具有高時(shí)空分辨的大畫(huà)幅成像系統(tǒng)，這是下一步研究的重點(diǎn)方向。

4 結(jié)論

基于光折變效應(yīng)的超快成像技術(shù)是一種新型診斷技術(shù)，具有高時(shí)空分辨、全光全固態(tài)抗輻射等優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)LT-AlGaAs 超快響應(yīng)芯片的空間性能進(jìn)行研究，驗(yàn)證了成像系統(tǒng)在X 射線譜段大畫(huà)幅（6.7 mm×6.7 mm）高空間分辨的成像能力，在120∶1 的X 射線入射能量動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，X 射線成像的空間分辨率的最優(yōu)空間分辨≥35 lp/mm @MTF=0.1。本文的研究結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了基于光折變材料的超快X 射線診斷技術(shù)的可行性，未來(lái)將通過(guò)與超快分幅技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多分幅高時(shí)空分辨的二維X 射線成像，著力推進(jìn)ICF 超快診斷的研究進(jìn)展。