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打破世界纪录:低噪声深紫外皮秒激光器助力高能CT分辨率提升

2022-11-22 16:00     来源:光至科技     无损检测工业CT

高能CT(ComputedTomography)作为最先进的无损检测手段之一,在国防、航空航天、核能核电、高铁交通等行业的大型构件和大型装备精密检测方面具有重要应用价值。常规高能CT系统空间分辨率限制在3.5 lp/mm以内,阻碍了其在高端装备上的进一步应用。

中国工程物理研究院研制的“精卫”系统将探测采样时间缩短至15~30 min,相比于公开报道的世界最高空间分辨率的CoLoSSIS系统,成像空间分辨率提高了2~3倍,最短扫描时间缩短至1/5~1/10。

图1 “精卫”高空间分辨成像结果

高能CT空间分辨率的提升首先需要高品质的电子源,即一定流强下更低发射度、更低能散的高亮度电子束。武汉光至科技有限公司耗时一年研制交付的低噪声266nm皮秒激光器作为“精卫”系统激励光阴极产生电子束团的关键子系统,为后续加速器产生了高质量和低时间抖动的电子束团,有效提升了系统的探测效率和分辨率。

图2 低噪声266nm皮秒激光器光路示意图

如图2所示,低噪声的266nm皮秒激光器光学部分主要包括4个组件:

高稳皮秒锁模振荡器。基于可饱和吸收体(SESAM)锁模原理,通过精准设计腔长和控制色散,实现178.5MHz重频和12ps左右的脉冲输出。SESAM固定在压电陶瓷上,可以精确控制腔长以抑制环境噪声对腔长的影响。

保偏光纤放大器。采用三级保偏光纤放大器将种子源的平均功率从10mW左右逐步提升到15W,并控制光纤中的非线性增长过程,抑制光谱展宽以保证后续较高的倍频效率。

电光斩波和固体放大器。采用电光开关将脉冲斩波成脉冲串,宏脉冲宽度可调。脉冲串经过固体放大器进一步放大能量,并且要求保证1%以内的功率和能量波动。

非线性二倍频和四倍频。放大后的皮秒脉冲串,经过LBO晶体二倍频为532nm,再经过BBO晶体四倍频为266nm深紫外光,基频到四倍频效率优于10%。四倍频后的输出光经过光斑扩束整形后输出,导入光阴极腔,聚焦于光阴极材料。

为了实现稳定的脉冲输出,光至科技基于自身在MOPA脉冲激光器上积累的电控技术积累,专门定制开发了高稳定性的电控系统,包括基于FPGA的高速总控,低噪声泵浦恒流驱动,高精度晶体温控和高带宽锁频闭环电子学。

经过长达1年的研制和调试工作,最终交付的深紫外光源达到了良好的光学指标,如下图所示,顺利完成了试验工作。

(a)皮秒脉冲自相关测量曲线

(b)锁频后相位噪声谱

(c)266nm激光的光束质量

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