1、研究背景

高功率脉冲激光会聚照射到样品表面，使样品表面在很短时间内发生气化→电离→膨胀→辐射→复合过程，这一过程即为激光诱导等离子体（Laser-Produced Plasma，LPP）演变过程。伴随着激光加工在工业上的广泛应用，激光烧蚀过程产生的LPP也成了工业领域研究的热门方向。激光诱导击穿光谱技术就是利用LPP辐射光子的特性来获得待测样品的元素组成及含量，具有无接触、破坏性小、原位分析和多元素同时监测的特点。此外还能够通过观察LPP的演变过程研究等离子体的物理特性，为激光等离子体在工业、生物医学、化学和环境等领域的应用提供助力，推动工业领域对LPP的探索与激光加工工艺的进步。

LPP的持续时间极短，通常都在微秒甚至纳秒量级。对于这类超快过程的研究，相比市面上最短曝光时间为微秒级别的超高速相机，最短曝光可达到纳秒量级的门控相机则是更优的选择。近年来，门控相机在燃烧诊断、等离子体诊断、爆炸及碰撞等超快实验领域占据关键位置。而基于新一代像增强器与科研级CMOS的逐光TRC411像增强相机以其高帧速、高增益、短至3ns/500ps的快门以及10ps的时间精度，逐渐成为国产门控相机在超快领域拍摄演化过程的不二之选。下面，我们以拍摄激光诱导等离子体的演变过程为例，展示中智科仪逐光TRC411像增强相机在这类超快实验中的特点与优势。

2、实验原理及方案

实验设备：Edgewave皮秒激光器、中智科仪逐光TRC411像增强相机（TRC411-S-H20-U）、大通量紫外镜头。

皮秒激光器集成在实验系统内，采用激光器触发IsCMOS相机的方式，对相机Gate通道延时进行序列扫描，寻找相机与激光器的同步时刻。因为激光诱导等离子体产生时间极短，捕捉等离子体的形态非常困难，因此需要IsCMOS相机与皮秒激光器进行时间同步后拍摄。IsCMOS相机以超短门宽，拍摄皮秒脉冲激光打到硅材料上激发的等离子体从产生到湮灭的形貌演变全过程。激光诱导等离子体原理示意如图1所示。

图1 激光诱导等离子体原理

3、实验流程及结果

测试准备：硅材料等离子体发光在500nm左右比较强，因此在镜头前端安装一个400nm长波通滤光片，用于屏蔽355nm的激发激光。在环境光下调焦，设置逐光TRC411像增强相机参数后进行调焦，直至实验材料清晰成像，调焦完成后固定相机。相机参数设置如下：

图2 (a)实验现场图，(b)硅材料等离子体辐射谱，(c)长波通滤光片透射率曲线

测试过程：激光器的同步输出Sync Out接口经示波器测量，其输出电平为4V@1MΩ，可以直接连接逐光TRC411像增强相机的外触发端口。

图3 激光器同步输出信号

拍摄前，对相机进行如下参数设置：

对Gate通道做不同步长延时的序列扫描，最终Gate的延迟时刻在129ns-140ns时，拍摄到等离子发光过程。

图4 调整延时拍摄到的硅材料等离子体发光

最终拍摄到了硅材料被皮秒脉冲激光激发的等离子体从产生到湮灭的形貌演变过程，如图5所示。此实验材料激发出的等离子体从产生到湮灭的过程约为10ns。

图5 激光诱导硅材料等离子体发光的产生-湮灭过程

4、测试结论

以上实验结果表明，中智科仪逐光TRC411像增强相机可以与皮秒脉冲激光器进行精准同步，拍摄到了实验材料被激光激发产生等离子体从产生到湮灭的形貌演变过程，展现了逐光TRC411像增强相机的时间延迟序列扫描功能超高时间延迟精度的特点，及其超窄门宽在拍摄等离子体演化过程等超快实验现象的优势。逐光TRC411像增强相机将会成为燃烧诊断、等离子体诊断、爆炸及碰撞等超快实验研究的有力工具。

5、解决方案

由中智科仪自主研发生产的逐光TRC411时间分辨像增强相机，采用高量子效率低噪声的2代Hi-QE以及第3代GaAs像增强器，光学门宽短至500皮秒；全分辨率帧速高达98幅/秒；内置皮秒精度的多通道同步时序控制器，由SmartCapture软件进行可视化时序设置，完全适合时间分辨快速等离子现象。

500皮秒光学门宽：精准捕捉不同时刻等离子发光现象，分析等离子形成机理。

超高采样频率：逐光IsCMOS相机目前全分辨率下可达98帧，提供高速数据采集速率，同时可提供实验效率。此外设置使用其中16行的区域下，可以达到1300帧以上。

精准的时序控制：逐光IsCMOS像增强相机具有三路独立输入输出的时序同步控制器，最短延迟时间为10ps，内外触发设置可实现与激光器以及其他装置精准同步。

创新“零噪声”技术：得益于单光子信号的准确识别，相机的暗噪声及读出噪声被完全去除。