原分实验方法作业
姓名：姚丁允
学号：SA24234037
一、微通道板的各种阳极调研
1、分立阳极
原理与工作机制：
阳极被物理分割成很多独立的小像素（例如 1024×1024 个小方块，或条状像素）。每个像素（或一组像素）通过独立的导线连到前置放大器和计数电路。
- MCP 输出的电子云直接打到某个（或相邻几个）像素上。
- 被击中的像素产生一个脉冲信号，电子学记录“哪一个像素有信号”。
- 位置 = 被击中像素的编号（已知几何坐标）。
- 如果电子云同时覆盖多个像素，可用质心法进一步细化位置。
特点：
- 优点：完全数字式读出，像素之间没有串扰，计数率极高（每个像素独立计数）
- 缺点：通道数极多，电子学成本高，大面积时布线复杂、死区比例较高，阳极制作昂贵
应用场景：
适合高计数率、高可靠性太空任务，如 Hubble STIS、未来大型紫外望远镜
2、电荷耦合器件
原理与工作机制：
- 阳极是高密度像素 CMOS 芯片。
- MCP 电子云直接打到 CMOS 芯片的像素上，每个像素内部有独立的放大器和计数器/ADC。
- 每个像素独立检测电子数或直接计数。
- 位置 = 被击中像素的坐标，多像素事件可用质心算法插值到亚像素精度。
特点：
- 优点：多道探测器，可以同时记录不同点的事例；计数率高，可集成时间戳；大面积扩展容易、死区极小；现代工艺成本逐年下降
- 缺点：芯片本身怕强辐射；光学转换效率难于确定；强度的非线性很差
应用场景
适合于质谱成像、反应显微镜、中子成像、地面高通量实验
3、模拟量阳极
模拟量阳极常见有以下4种：
- 电荷分配型阳极
- 楔条阳极
- 延迟线阳极
- 交叉条阳极
以下分别介绍
3-(1) 电荷分配型阳极
原理与工作机制：
- 一块高阻薄膜，四角引出四个电极：QA, QB, QC, QD。
- 电子云打到电阻膜的某个位置，产生的电荷会通过电阻网络向四个角分流。离哪个角越近，流到那个角的电荷比例越大。
- 位置计算： X = (QA + QD) / (QA + QB + QC + QD) Y = (QA + QB) / (QA + QB + QC + QD)
特点：
- 优点：结构简单，造价便宜；无须光学转换， 其强度的非线性很小， 适合于用作定量的截面测量
- 缺点：不是真正意义上的多道探测器， 每次只能处理一个事例；死时间较大， 不能工作于很高的计数率
应用场景：
基本已淘汰，仅在极低计数率、超高分辨率实验室应用中偶尔见到
3-(2) 楔条阳极
原理与工作机制：
阳极分成三种图案的电极：
- Wedge（楔形）：面积随 X 线性变化
- Strip（条形）：面积随 Y 线性变化
- Zigzag（锯齿形背板） 通常只有 3 个电极：Wedge、Strip、Zigzag。
电子云同时覆盖多个图案周期，收集到每个电极的电荷比例正比于电子云质心在该图案上的投影面积。
位置计算： X ∝ Q_Wedge / (Q_Wedge + Q_Strip + Q_Zigzag); Y ∝ Q_Strip / (Q_Wedge + Q_Strip + Q_Zigzag)
特点：
- 优点：无热噪声，制作相对简单，容易实现大面积；可适用于较高计数率
- 缺点：图案周期性导致边缘分辨率稍差，需要电子云直径覆盖 2-3 个周期
应用场景：
适用于中子成像、空间粒子探测、低成本大面积探测器
3-(3) 延迟线阳极
原理与工作机制：
- 双层正交延迟线（Delay Line X + Delay Line Y）。
- 一条蛇形延迟线，两端接高速定时放大器。 电子云打到延迟线某处，产生两个向两端传播的电磁脉冲，传播速度已知。
- 测量两端信号的时间差 Δt → 位置 = (L + v×Δt)/2（L 为总线长，v 为传播速度）
特点：
- 优点：1. 计数率较高； 2. 时间分辨极好；3. 多击中分辨能力强； 4. 图像线性好、分辨率高；5. 电子云可以很小，所需增益低
- 缺点：1.延迟线越长，死时间越长，全局计数率受限； 2. 高速 TDC 电子学较贵； 3. 机械缠绕工艺对大面积有挑战
应用场景：
这是当前主流的阳极，适用于TOF 质谱、冷原子/离子碰撞实验、紫外天文、中子 TOF 成像
3-(4) 交叉条阳极
原理与工作机制：
- 两组相互正交的条状电极（X 条 + Y 条），每组几十条，每条独立引出信号
- 电子云同时打到几条 X 条和几条 Y 条上，测量每组被击中条的电荷分布，用质心法算出精确位置
特点：
- 优点：1. 位置分辨率最高； 2. 所需 MCP 增益最低（<2×10⁶ 即可），电子云可以极小； 4. 现代 ASIC 读出后计数率很高
- 缺点：1. 每组条都需要独立通道（64–128 个）； 2. 阳极图案制作精度要求极高
应用场景：
适用于高分辨率成像、未来大型天文探测器、低增益长寿命应用
二、AD与DA变换器调研
ADC（模数转换器）
1、基本概念：
ADC是一种将连续的模拟信号转换为离散的数字信号的电子器件。模拟信号通常来自传感器，而数字信号则由微控制器等数字设备处理。
2、工作原理：
ADC的工作过程包括 采样 、量化 和 编码 三个步骤：
- 采样 ：按照一定的频率（采样率）从模拟信号中提取信号的瞬时值。
- 量化 ：将采样得到的瞬时值映射到有限的电平值上，减少信号的连续性。
- 编码 ：将量化后的瞬时值转换为二进制数字形式。
3、主要类型：
1、逐次逼近型 ADC（SAR ADC）
- 通过比较输入电压与内部参考电压来确定每一位的二进制值。
- 常见于嵌入式系统中，具有中等速度和较高的分辨率。
2、双积分型 ADC
- 利用积分器对输入信号进行积分操作，通过积分时间来确定数字值。
- 具有高分辨率和低功耗特点，适用于精度要求高的场合。
3、流水线型 ADC
- 通过多个阶段的SAR结构并行处理，提高采样速度。
- 适用于需要高速采样的应用。
4、技术指标：
• 分辨率（Resolution） ：ADC能区分的最小信号变化，通常以位数表示（如12位、16位）。
• 采样率（Sampling Rate） ：单位时间内完成的采样次数，影响ADC的实时性。
• 转换时间（Conversion Time） ：完成一次采样到数字输出所需的时间。
• 线性度（Linearity） ：实际转换结果与理论值之间的偏差，影响整体准确性。
• 信噪比（SNR） ：信号与噪声的比率，越高表示信号质量越好。
• 输入范围（Input Range） ：ADC可以处理的输入电压范围，需根据传感器的输出匹配。
5、应用场景：
• 传感器信号采集 ：如温度传感器、压力传感器、光传感器等。
• 音频处理 ：将麦克风采集的模拟声音信号转换为数字信号进行处理。
• 数据采集系统 ：如工业自动化中的多通道数据采集。
• 图像处理 ：相机传感器的模拟信号转换为数字信号。
DAC（数模转换器）
1、基本概念：
DAC是一种将数字信号转换为连续的模拟信号的电子器件。DAC常用于需要生成模拟信号的场合，如音频输出、控制电机速度、调节LED亮度等
2、工作原理：
DAC的工作过程包括 数字输入到模拟输出 的转换，主要有两种实现方式：
- 电阻-电位器网络 ：通过开关控制不同的电阻分压，生成对应的模拟电压。
- 电容-二进制加权 ：利用电容的充放电特性，快速生成模拟信号。
3、主要类型：
1、电阻-梯形DAC
- 利用电阻梯网络，将每个位的数字权重分配到相应的电阻，生成模拟输出。
- 具有较高的精度，但电阻匹配要求高。
2、二进制加权DAC
- 每个位的数字权重由不同的电阻来实现，适合快速转换。
- 电阻值差异大，难以精确匹配，影响精度。
3、脉宽调制 DAC（PWM DAC）
- 通过控制PWM信号的占空比来模拟模拟信号。
- 适用于需要高频刷新的场合，如音频输出。
4、技术指标：
• 分辨率（Resolution） ：DAC能输出的最小电压步进，影响输出的细腻度。
• 转换速度（Conversion Speed） ：完成一次数字到模拟转换所需的时间。
• 线性度（Linearity） ：DAC输出与理想输出的偏差程度。
• 输出范围（Output Range） ：DAC能够生成的最大和最小模拟电压。
• 信噪比（SNR） ：输出信号与噪声的比率，影响音质等性能。
5、应用场景：
• 音频输出 ：将数字音频信号转换为模拟声音信号。
• LED调光 ：通过PWM信号生成模拟亮度控制。
• 电机控制 ：根据数字信号输出模拟控制电压或电流。
• 工业控制 ：生成控制信号调节工业设备的运行参数。
三、飞秒激光器的基本原理
1、原理概述
对于激光放大器来讲，在材料损伤阈值和非线性效应等物理因素的限制下，可达到的峰值功率有一个上限，使用对种子脉冲直接放大的方法无法突破这个物理限制。因此Mourou他们提出了一个方法：先在时域上展宽需要放大的脉冲，在单脉冲能量不变的情况下降低峰值功率；然后再对展宽后的脉冲进行放大，这样在放大到同样峰值功率时，由于脉宽的展宽，能得到的单脉冲能量就更大。最后时域压缩脉冲，就可以获得更高峰值功率的脉冲。
总体而言，飞秒激光的产生可以分为两个部分：锁模产生超短脉冲 -> 啁啾脉冲放大。以下介绍“锁模”原理，啁啾技术见题四。
2、锁模
锁模（Mode locking）是激光器产生超短脉冲的方法之一，与调Q（Q-Switching）相类似，锁模也是对激光器腔内进行调制，让原本连续光（Continuous wave, CW）分裂，从而产生脉冲。但是锁模与调Q仅仅是在物理现象上有所相似，其物理原理是完全不一样的。
锁的是什么“模”？
每个激光器都由谐振腔、泵浦和增益介质三要素构成，增益介质接受泵浦（光或电）产生的ASE荧光在谐振腔中共振引起受激辐射放大产生激光。由于谐振腔是一个驻波腔，因此只有ASE荧光中满足谐振腔驻波条件的波长成分才能产生相长共振而放大。满足谐振腔共振条件的波长叫做纵模（Longitude mode），纵模表示激光的频域（Spectral）性质。同时考虑到增益介质的光谱性质，只有在（净）增益谱中的纵模成分才能在激光器中起振并且被放大。
于是，一个激光器的增益谱中只可支持有限多的纵模成分，锁的“模”指的便是这些纵模。
锁的是“模”的什么？
在正常工作的激光器中，起振的各纵模的相位是杂乱无章的，因此在时域上表现出的是一个连续光；若纵模的相位差保持恒定时，激光在时域上的表象就是一个脉冲，若保持恒定的纵模个数越多，产生的脉冲就越窄，这个过程我们称之为锁模。
所以，锁模锁的是不同纵模的相位差。纵模相位锁定后，激光在时域上表象是一个光脉冲，相位锁定的纵模越多，光脉冲越窄，同时其在光谱上的展宽就越宽。
锁模的方法
除了主动相位调制外，也可通过损耗调制的方式实现被动锁模，其中最常用的是通过饱和吸收效应产生锁模。饱和吸收效应，指光强越强，工作物质的吸收越弱，当光强足够强时，饱和吸收体被“漂白”，对光不再吸收。饱和吸收的弛豫时间越短，能支持的锁模脉冲宽度也就越窄。在光纤激光器中，通过饱和吸收效应锁模的方式主要有非线性偏振旋转锁模，半导体可饱和吸收镜锁模和非线性环行镜锁模。
3、啁啾技术
见下题。
四、啁啾技术调研
1、啁啾脉冲放大原理概述
不同波长的光在介质中传播会受到色散效应的影响，即不同波长在介质中的折射率不同，因此传播的速度也就有差异。对于一个锁模脉冲而言，色散效应导致脉冲中不同纵模在介质中的折射率不同，产生群速度色散，在时域上的表现为脉冲中不同成分的光在介质中传播速度不一样，因此脉冲就会被展宽，这种因为色散而发生展宽的脉冲被称为啁啾脉冲。除色散外，各种非线性效应也会产生非线性啁啾，且在实验中难以补偿。
在最初做超短脉冲放大的研究中，光学系统的光学损伤阈值和非线性效应如自聚焦往往限制了放大系统可达到的最大峰值功率，从而限制了单脉冲能量，此时如果用来放大的脉冲宽度越宽，在峰值功率一定的前提下能获得的单脉冲能量就越大。因此Mourou等人提出，可以先对超短脉冲在色散介质引入线性啁啾，对脉冲进行展宽，然后再进行放大，最后在引入相反色散量，将展宽放大的脉冲进行时域压缩，即可突破光学系统的峰值阈值，获得更高峰值功率的脉冲输出，这就是啁啾脉冲放大技术。
2、脉冲展宽方法
在做啁啾脉冲放大之前，首先需要对种子锁模脉冲进行展宽。一般是通过色散对引入线性啁啾进行展宽，需要引入很大色散量。
- 可以使用光栅对对脉冲引入色散。由于不同波长成分的光对于光栅的衍射角不同，这样可以对不同波长成分引入光程差，起到引入色散的效果。然而，其缺点是需要引入空间光路，因此在实际操作中比较复杂，不利于在工业级超快激光器中使用。
- 随着光纤损耗的降低，也可使用光纤引入较大色散进行脉冲展宽。缺点是，如果需要将脉冲展宽的更宽，需要脉冲有更宽的光谱和使用更长的展宽光纤。虽然使用光纤展宽相较光栅对结构更简单损耗更小，但是过长的光纤会引入大量的三阶色散，会导致在做脉冲压缩特性劣化。
3、脉冲压缩方法
在对展宽的啁啾脉冲进行放大后，需要引入和展宽时相反的色散量，对脉冲进行压缩。
- 可以光栅对组成Treacy压缩器对脉冲进行压缩，但同样存在着结构复杂和空间稳定性等问题。
- 也可以使用啁啾体光栅进行脉冲压缩的方案，可以实现非常紧凑的压缩器设计。啁啾体光栅使用特殊的光敏材料制作，与啁啾光纤光栅类似，也是通过光敏产生周期性折射率变化的形式，引入大量色散量。
- 在激光脉冲峰值功率较低时，还可以使用与展宽介质色散相反的色散补偿光纤进色散补偿。
4、脉冲放大
在飞秒光纤激光器中，其放大介质是光纤，相比于固体放大，光纤放大的峰值功率限制和SPM积累效应更加明显，即使是采用啁啾脉冲放大技术（CPA），在普通光纤中可放大到的最高功率依然有限，因此需要使用CPA放大结合新的放大介质例如特殊光纤和放大方法。目前广泛使用的以特殊光纤为放大介质的主要包括光子晶体光纤和拉锥光纤，其目的都是特殊的光纤设计，保持基模的放大和传输，并实现较大的模场面积，从而能降低功率密度，实现更高功率输出。
- 光子晶体光纤主要使用的是NKT Photonics生产的40/200 光子晶体光纤和65/85um纤芯直径的棒状光子晶体光纤(PCF ROD)两种。使用光子晶体光纤的问题在于首先成本较高，而且目前只有NKT Photonics单家供应商，因此有很高的供应风险，其次使用光子晶体光纤，尤其是棒状光纤都无法做成真正的全光纤结构，仍有存在大量的空间光学结构，导致整机稳定性问题。
- 除光子晶体外，IPG等一些激光器厂商使用拉锥光纤作为主放大介质。拉锥光纤通过一定的锥形曲线，从小纤芯通过若干长度后过度到大纤芯，这样在放大过程中可以一直保持基模的持续放大，在保证光束质量的同时实现更高放大功率。
五、阿秒脉冲产生方法
1、产生原理
- 第一步，当线偏振电场经过原子，原子的库仑势发生改变，此时电子由于库仑势的扭曲容易逃离母核，最终在遂穿电离的作用下变成自由态。
- 第二步，电子在外电场的作用下先加速远离母核，并当电场变为反向时，电子又会根据电场反向加速回到母核附近。
- 第三步，电子与母核将发生三种物理过程：弹性散射、非弹性散射以及与母核复合。非弹性散射指电子回到母核附近与母核周围的电子发生碰撞，两个电子同时飞出，导致双电离的产生；弹性散射指电子飞回母核与母核周围电子发生碰撞，被碰撞的电子成为自由态，而先被电离的电子与母核复合；第三种情况，电子与母核复合时，其在外部电场获得的动能将以光子的形式释放，最终形成高次谐波辐射。
以上最终形成的高次谐波，作为原子在强激光场电离过程中由电子再碰撞产生的紫外相干辐射，在频域上表现为等间距光梳，而在时域上则是单个脉冲宽度为几十至几百阿秒的相干光脉冲序列。
2、产生方法
理论上使用半周期的飞秒脉冲就能直接产生孤立阿秒脉冲，但是这样的驱动光源参数在实验中很难实现，实验中获得到 1~2 个周期的飞秒脉冲较为常见。多周期的脉冲包络内包含多个光场，得到的高谐波就表现为若干个阿秒脉冲组成的阿秒脉冲串。
阿秒脉冲选通技术降低了孤立阿秒脉冲对驱动光光周期的要求，使用1~2 个周期甚至是多个周期也能够实现孤立阿秒脉冲的输出。常用阿秒脉冲选通技术包括振幅选通、电离选通、偏振选通、双光选通、空间选通等：
- 振幅选通需要载波包络相位锁定在0 或π宽度小于两个光周期的脉冲，此时脉冲内的电场与包络峰值重合，仅有这个电场峰值附近电离出的电子可以获得更高的动能，在截止区附近产生的连续谱中分离出一个孤立的阿秒脉冲
- 电离选通是通过在脉冲前沿的1~2 个周期的电场中产生高次谐波，而这之后的电场由于电离破坏了相位匹配条件，仅在脉冲前沿产生了一个相位匹配窗口得到阿秒脉冲辐射
- 偏振选通和其衍生的干涉偏振选通等技术都是利用非线偏光难以产生高次谐波这一特性，经过光场合成产生线偏振的相位匹配窗口
- 双光选通是将基频光和其倍频光同时聚焦进入气体靶内，倍频光能够破坏原基频光的电场对称性，使得原基频光的电场周期增加了一倍。由于倍频光场的电场振荡频率是基频光的两倍，所以基频光正向电场与倍频光电场叠加，而负电场遭到倍频光电场的破坏。由于对称性的破坏，每一个周期产生一个阿秒脉冲，最终将选通门宽的要求从半个周期变为一个周期
- 空间选通是通过提供角色散使脉冲中的每一个电场的相速度方向不同，产生波前倾斜在空间上分离开每个电场，并从分离电场中获得孤立阿秒脉冲