CIS Systems: IsCMOS-камера TRC411 с усилением изображения, работающая по принципу «light-by-light»

Плазма – это четвертое агрегатное состояние вещества, которое отличается от твёрдых тел, жидкостей и газов. В высокоэнергетической среде внешние электроны атома отрываются от ядра и становятся свободными электронами, а атомы, потерявшие свои электроны, превращаются в положительно заряженные ионы; этот процесс называется ионизацией, а ионизированный газ - плазмой, которая обычно состоит из заряженных ионов, свободных электронов, заземленных/возбужденных молекулярных атомов, свободных радикалов и других частиц. Плазма распространена в природе, например, солнце, звезды, межзвездное вещество, молнии и т.д. — все это плазма.

Лазерно-индуцированная плазма (LIP) — это состояние вещества с высокой температурой и плотностью, находящееся в состоянии плазмы и образующееся в результате взаимодействия лазерного излучения с материалом. Когда высокоэнергетический лазерный импульс воздействует на поверхность объекта, происходит быстрый нагрев вещества и его частичная или полная ионизация с образованием плазмы. Формирование плазменного факела характеризуется сверхвысокой скоростью с короткой длительностью (сотни наносекунд), мощным самосвечением и малым пространственным масштабом, из-за чего затруднительно исследовать данный процесс.

В данном эксперименте для наблюдения за процессом образования и эволюцией лазерно-индуцированного плазменного факела использовалась IsCMOS-камера TRC411 с усилением изображения. Функция наносекундного стробирования, наличие высокоточного синхронизированного временного контроллера и функция «push-broom» с регулируемой задержкой делают возможным запись всего процесса образования плазменного факела на лазерно-индуцированной поверхности.

В эксперименте используется: лазер Dawa-200 с ламповой накачкой и электрооптической модуляцией добротности, наносекундный Nd:YAG-излучатель с длиной волны 1064 нм и частотой 1-20 Гц. Выход Q-out лазера предназначен для запуска камеры TRC411 , для переменной задержки затвора и определения времени синхронизации лазера и камеры.

1.Плазменный факел, образующийся на исследуемом материале, излучает свет с длиной волны 200-500 нм, по этой причине на объектив устанавливается полосовой фильтр с центральной длиной волны 430 нм для отражения лазерного излучения с длиной волны 1064 нм и другого дополнительного рассеянного света. Необходимо следить за наличием в кадре сильно отражающих материалов (гладкая металлическая отражающая поверхность образца или винтовых заглушек и т.д.), чтобы отражение от таких объектов не повредило камеру, для чего используется черная электроизоляционная лента, закрывающая объектив.

2.Через выход Q-out лазер подключается к осциллографу, и уровень сигнала TTL синхронного выхода составляет 5В при 1 МОм, а частота осциллографа совпадает с выходной частотой лазера и имеет значение 5 Гц. Максимально допустимый уровень внешнего триггерного сигнала камеры TRC411 составляет 5 В. В целях предосторожности в конце линии триггера добавлен аттенюатор на 6 дБ, который снижает уровень Q-out выхода лазера в два раза.

3.Из-за большой интенсивности свечения плазмы невозможно определить, достаточна ли степень ослабления используемого фильтра, поэтому сначала требуется отрегулировать апертуру объектива на минимальное значение, установить коэффициент усиления 1800, а время работы затвора - 13 нс (что соответствует ширине оптического затвора 3 нс).

Таблица 1 - Установленные параметры системы

4.При работе затвора регулируется и изменяется задержка, благодаря чему сигнал люминесценции плазмы может быть зафиксирован, когда задержка затвора начинается и заканчивается между 700 нс и 1100 нс.

В результате эксперимента получили последовательность кривых.
Из графика видно, что длительность плазменной люминесценции экспериментального материала составляет около 400 нс.

IsCMOS-камера с усилением изображения, разработанная компанией CISS, имеет затвор всего в несколько наносекунд, а сверхкороткое стробирование позволяет экранировать фоновые помехи и улучшить соотношение сигнал/шум. Встроенный в камеру высокоточный контроллер обеспечивает синхронизацию работы камеры с импульсным лазерным излучением, фиксируя плазменный сигнал с определенной задержкой. Функция сканирования с регулируемой задержкой при работе синхронизированного контроллера позволяет камере быстро снимать плазменный сигнал в разные моменты времени, чтобы получить полный процесс эволюции плазмы. Эти многочисленные преимущества демонстрируют ценность камеры TRC411 для анализа плазмы.

1. 500 пикосекундный оптический затвор
Съемка быстропротекающих явлений с пикосекундной точностью и значительное снижение фонового шума.

2. Сверхвысокая частота регистрации кадров
IsCMOS-камера TRC411 с частотой кадров 98 к/с при полном разрешении обеспечивает высокую скорость сбора данных и повышает эффективность эксперимента. Кроме того, частота регистрации кадров может достигать более 1300 кадров в секунду в области 16 линий.

3. Точное управление синхронизацией
Камера для усиления изображения, работающая по принципу «light-by-light», имеет три независимых входа и выхода контроллера синхронизации времени с минимальным временем задержки до 10 пикосекунд, а также настройкой внутреннего и внешнего триггера для достижения точной синхронизации с лазерами и другими устройствами.

4. Инновационная технология «нулевого шума»
Благодаря точному распознаванию однофотонных сигналов, темновой шум камеры и шум считывания полностью устраняются.