用于揭示激光-材料相互作用动力学的超快成像 _生物学家

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长三角G60激光联盟导读
本文介绍了三种常用的超快成像方法的原理和应用，包括泵探头、X射线诊断和单次光学脉冲成像。
摘要
激光与材料相互作用动力学的物理机制一直是一个重要的研究领域。除了理论分析外，基于直接成像的超快动态过程观测是理解激光与物质相互作用中许多基本问题的重要方法，如惯性约束聚变（ICF）、激光加速器构造和先进激光生产。本文介绍了三种常用的超快成像方法的原理和应用，包括泵探头、X射线诊断和单次光学脉冲成像。我们重点介绍了每种技术的空间和时间分辨率等技术特性，并介绍了几种常规应用。
1 ，介绍
激光是20世纪最重要的发明之一，它显著地提高了科学研究能力和人类生活质量。随着激光技术的不断进步，激光器的输出功率有了显著的提高。飞秒激光器的峰值功率约为10 PW的高能脉冲激光器高功率激光源的引入使得一系列新的前沿交叉学科的产生，包括惯性约束聚变(ICF)、激光驱动粒子加速器、强场量子电动力学、激光材料加工。高功率激光和材料之间的相互作用已经导致了新的有趣的和基本的物理问题。当激光强度超过1018w /cm2时，大部分被辐照材料瞬间电离，形成材料的高能量密度态。

储存的250 MeV电子束由波荡器中的1064 nm波长激光进行能量调制，并在48 m圆周准等时存储环中旋转一圈后变成微束。来自电子束的波荡器辐射通过二向色镜分离为基波和二次谐波，信号检测集中在二次谐波上。可以在光电探测器前面插入一个窄带通滤波器（中心波长532nm；带宽3nm FWHM），以拾取微束产生的窄带相干辐射。
在激光与材料的相互作用过程中，光激发电子的热化时间为飞秒量级。声子弛豫发生在几皮秒内，热扩散和激波的产生范围在几十皮秒到纳秒之间，熔池动力学发生在微秒级。传统的阵列传感器，如电荷耦合器件(CCDs)和互补金属氧化物半导体(CMOSs) ，帧速率不够大，无法对上述超快动态进行时间分辨拍摄。泵浦-探针技术是一种常用的光学探测方法，通过成像或非成像策略来观察由激光束引发的超快事件。由于其相对简单和灵活的光学设置，在观察可重复现象时可以实现自适应的时空分辨率。在高能密度物理中，激光等离子体辐射光谱在10?2 - 100 keV的能量范围内。
一系列基于单次激光脉冲的全光学超快成像技术被开发用于捕捉这些不可重复的超快现象。由于这些进展，时间分辨率已经提高到数百飞秒甚至几十飞秒。
2 ，时间分辨泵探头成像
间分辨泵-探头（TRPP）检测技术的起源可以追溯到一个多世纪前。常用的光泵-探针技术包括时间分辨反射/透射光谱、瞬态吸收光谱、时间分辨拉曼散射光谱、时间分辨率光致发光光谱、表面/体二次谐波产生、时间分辨四波混频和时间分辨红外/太赫兹时域/X射线光谱。除了光谱学之外，泵-探头成像是成像技术领域中报道最多的瞬态方法。目前，主要来自两个领域的研究人员正专注于利用泵浦-探针成像技术研究激光-材料相互作用的机理：激光材料加工和光学元件的超精密加工。前者侧重于激光辐照下材料改性或烧蚀的机理，目的是通过研究动态过程促进工艺参数的优化。后者主要为高能激光设备（特别是ICF）提供高质量、高损伤阈值的光学元件，并确保光学元件在高功率激光照射下不会受损或失效。

用于揭示激光-材料相互作用动力学的超快成像

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