本实用新型属于超快诊断技术，具体涉及应用于超快信号探测的一种全光固体超快探测芯片和全光固体超快探测器。
背景技术：
超快诊断技术是前沿科学和尖端科技领域不可或缺的研究工具及手段。传统超快诊断设备包括条纹相机、变像管分幅相机、基于时间选通型iccd技术的分幅相机。
就条纹相机而言，其能达到亚皮秒的时间分辨率，但其高的时间分辨是以牺牲空间信息为基础获得的，并且只能分辨一维空间变化，无法获取超快二维图像信息。
对于变像管分幅相机来说，其二维空间分辨率能达到20lp/mm，但因受阴极材料、微通道板孔径及电子渡越时间弥散等的限制，其时间分辨率仅能达到40ps，且仅限于x射线波段的测量，限制了该技术的应用。
而基于时间选通型iccd技术的分幅相机，其虽可以响应紫外到近红外信号，但其时间分辨最快只能到2～3ns。
总之，传统超快诊断设备因无法同时具备高时间分辨率、高空间分辨率性能，难以满足基础研究及重大科学工程的需求。
另外，传统电子光学电真空超快诊断设备，需要在真空环境下工作，存在空间电荷效应、微通道板增益饱和效应、微通道板渡越时间弥散的问题。
技术实现要素：
为了解决现有超快诊断设备无法同时具备高时间分辨率、高空间分辨率性能的问题，本实用新型提供了一种全光固体超快探测芯片和全光固体超快探测器，突破传统超快诊断技术的瓶颈，实现对信号光的全光超快二维探测。
为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案是：
一种全光固体超快探测芯片，其特殊之处在于：包括沿入射信号光传输方向依次设置的调制光栅、光学膜系、半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构、第一增透膜、基片及第二增透膜，信号光入射调制光栅，探针光入射第二增透膜；所述光学膜系对信号光进行增透、对探针光进行增反；所述半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构用于探测信号光，并经调制光栅调制，在半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构内部形成与信号光相对应的空间分布图样；所述第一增透膜和第二增透膜对探针光进行增透。
进一步地，所述半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构为gaas和algaas两种半导体材料交替生长制成，所述多量子阱结构的响应层厚度为3～6μm。
进一步地，所述调制光栅的材质为al或au，调制光栅的空间分辨率为50～100lp/mm。
进一步地，所述信号光为可见光，光学膜系采用高折射率材料tio2和低折射率材料sio2交替生长制成的膜系，对信号光透射率达到99％，对探针光反射率达到99％。
进一步地，所述信号光为x射线，光学膜系采用金属材料制成，所述调制光栅的厚度大于或等于5μm。
进一步地，所述金属材料为al或cu或au。
进一步地，所述第一增透膜和第二增透膜采用高折射率材料tio2和低折射率材料sio2交替生长膜系；所述基片为石英片。
进一步地，所述半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构与第一增透膜通过粘接胶固定。
本实用新型提供了一种全光固体超快探测器，其特殊之处在于：包括外壳以及设置在外壳内的如上述一种全光固体超快探测芯片；所述外壳的一端设置输入窗口，外壳的另一端设置输出窗口；所述调制光栅位于靠近输入窗口的一端，所述第二增透膜位于靠近输出窗口的一端。
同时，本实用新型还公开了一种利用上述全光固体超快探测器进行全光固体超快探测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)信号光入射外壳的输入窗口；
2)信号光经光学膜系透射后，到达半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构；
3)信号光诱导半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构内部的半导体超快响应材料折射率发生变化，经半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构表面的调制光栅进行调制，在半导体超快响应材料内部形成与信号光相对应的瞬时折射率空间分布图样，并将信号光的相位信息写入半导体超快响应材料，所述相位信息包括时间、空间、强度信息；
4)探针光从外壳的输出窗口入射，依次经第二增透膜、基片、第一增透膜透射，到达半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构，步骤3)中形成的瞬时折射率空间分布图样对探针光的相位信息进行调制，调制后探针光的相位信息映射信号光的相位信息；
5)获得映射信号光的相位信息的探针光，完成对信号光的超快二维探测。
与现有技术相比，本实用新型的优点是：
1、本实用新型全光固体超快探测芯片采用半导体材料作为超快响应材料，通过全光的方式实现探测，具有超高时空分辨能力和大的动态范围；无需在真空环境下工作，有利于设备小型化，也克服了传统电子光学电真空超快诊断设备的空间电荷效应、微通道板增益饱和效应、微通道板渡越时间弥散的问题；
采用gaas/algaas多量子阱结构作为响应材料，芯片响应时间短，响应速度快。
2、本实用新型全光固体超快探测芯片无需在真空环境中使用，抗电磁干扰能力强，探测准确性高。
3、本实用新型采用全光固体超快探测芯片探测相应待测信号，实现光-光的转化，半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构由于光照作用产生非平衡载流子，经芯片表面调制光栅调制，半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构内部形成与入射光相对应的瞬时折射率空间分布图样，然后采用探针光入射半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构，获得映射信号光的相位信息的探针光，完成对信号光的超快二维探测，具有超高时间和空间分辨率的特征，并且可实现从可见光-x射线的探测。
附图说明
图1是本实用新型全光固体超快探测芯片的结构示意图；
图2是本实用新型全光固体超快探测器的结构示意图；
图3是本实用新型全光固体超快探测方法的流程图；
其中，附图标记如下：
1-调制光栅，2-光学膜系，3-半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构，4-粘接胶，5-第一增透膜，6-基片，7-第二增透膜，8-信号光，9-探针光，10-外壳，11-输入窗口，12-输出窗口。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型的内容作进一步详细描述。
如图1所示，一种全光固体超快探测芯片，包括沿入射信号光8传输方向依次设置的调制光栅1、光学膜系2、半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构3、第一增透膜5、基片6及第二增透膜7，探针光9入射第二增透膜7。针对不同入射信号光8，调制光栅1可选用不同材料，当信号光8为可见光时，调制光栅1材料可选用al、au等金属材料，调制光栅的空间分辨率选用50～100lp/mm；当信号光8为x射线时，调制光栅1材料选用au等原子序数高的金属材料，调制光栅的空间分辨率选用50～100lp/mm，调制光栅的厚度大于等于5um。
所述光学膜系2为针对入射信号光8波段及探针光9设计生长的对探针光增反、入射光增透膜系，当信号光8为可见光时，可采用高折射率材料tio2和低折射率材料sio2交替生长制成的膜系，使信号光8透过率达到99％，探针光反射率达到99％；当信号光8为x射线时，可采用金属膜实现，选用al、cu、au等金属材料制成的膜系，达到对信号光增透，探针光增反的效果。
所述半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构3用于探测信号光8，并经调制光栅1调制，在半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构3内部形成与信号光8相对应的空间分布图样；
gaas/algaas多量子阱结构为gaas和algaas两种半导体材料交替生长的结构，具体每层的厚度可根据实际需要进行合理设计，最终形成多量子阱结构即可；采用低温mocvd(金属有机化合物化学气相沉淀)生长于gaas(砷化镓)衬底，响应层厚度3-6μm；本实施例所采用的生长温度是450℃，采用gaas/algaas多量子阱结构作为响应材料，芯片响应时间缩短到2.5ps，芯片响应快。
基片6两面的第一增透膜5和第二增透膜7均为对探针光进行增透的光学膜，可采用高折射率材料tio2和低折射率材料sio2交替生长膜系，使探针光透过率到99％；光学膜系2、第一增透膜5和第二增透膜7采用相同材料，可根据实际需要，设计各层高折射率材料tio2和低折射率材料sio2的厚度，以及交替次数，实现所需要的对探针光、信号光的增透或增反作用。
基片6为与入射信号8光匹配的硬质支撑材料，最好是对入射信号光高透，本实施例中可采用石英片。
半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构3与基片6之间通过粘接胶4固定，本实施例中可采用紫外固化胶在真空环境下固化。
基于上述全光固体超快探测芯片，本实施例提供了一种全光固体超快探测器，如图2所示，包括外壳以及设置在外壳内的上述一种全光固体超快探测芯片；所述外壳10的一端设置输入窗口11，外壳10的另一端设置输出窗口12；所述调制光栅1位于靠近输入窗口11的一端，所述第二增透膜7位于靠近输出窗口12的一端。
如图3所示，本实施例全光固体超快探测器工作原理：采用全光固体超快探测芯片探测入射光信号，实现光-光的转化，当信号光8入射外壳10的输入窗口11，信号光8经光学膜系2透射后，到达半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构3上时，半导体超快响应材料内部因半导体收缩、带系填充及载流子吸收等效应产生非平衡载流子，诱导材料折射率发生变化，经调制光栅1调制，半导体超快响应材料内部形成与入射光相对应的瞬时折射率空间分布图样，将携带信号光8信息的时间-空间-强度信息“写入”半导体超快响应材料中；然后采用探针光9从外壳10的输出窗口12入射，依次经第二增透膜7、基片6、第一增透膜5到达半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构3，对应的瞬时折射率空间分布图样对探针光的相位进行调制，其相位信息映射信号光8的时间-空间-强度信息，获得携带信号光相位信息的探针光，完成对信号光8的超快二维探测。
以上仅是对本实用新型的优选实施方式进行了描述，并不将本实用新型的技术方案限制于此，本领域技术人员在本实用新型主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本实用新型所要保护的技术范畴。
1.一种全光固体超快探测芯片，其特征在于：包括沿入射信号光(8)传输方向依次设置的调制光栅(1)、光学膜系(2)、半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构(3)、第一增透膜(5)、基片(6)及第二增透膜(7)；信号光(8)入射调制光栅(1)，探针光(9)入射第二增透膜(7)，
所述光学膜系(2)对信号光(8)进行增透、对探针光(9)进行增反；
所述半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构(3)用于探测信号光，并经调制光栅(1)调制，在半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构(3)内部形成与信号光(8)相对应的空间分布图样；
所述第一增透膜(5)和第二增透膜(7)对探针光进行增透。
2.根据权利要求1所述的一种全光固体超快探测芯片，其特征在于：所述半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构(3)采用gaas和algaas半导体材料交替生长制成；
所述半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构(3)的响应层厚度为3～6μm。
3.根据权利要求1所述的一种全光固体超快探测芯片，其特征在于：所述调制光栅(1)的材质为al或au，调制光栅(1)的空间分辨率为50～100lp/mm。
4.根据权利要求1所述的一种全光固体超快探测芯片，其特征在于：所述信号光(8)为可见光，光学膜系(2)采用高折射率材料tio2和低折射率材料sio2交替生长制成的膜系，对信号光(8)透射率达到99％，对探针光反射率达到99％。
5.根据权利要求1所述的一种全光固体超快探测芯片，其特征在于：所述信号光(8)为x射线，光学膜系(2)采用金属材料制成，所述调制光栅(1)的厚度大于或等于5μm。
6.根据权利要求5所述的一种全光固体超快探测芯片，其特征在于：所述金属材料为al或cu或au。
7.根据权利要求1所述的一种全光固体超快探测芯片，其特征在于：所述第一增透膜(5)和第二增透膜(7)采用高折射率材料tio2和低折射率材料sio2交替生长制成的膜系；
所述基片(6)为石英片。
8.根据权利要求1至7任一所述的一种全光固体超快探测芯片，其特征在于：所述半导体超快响应材料gaas/algaas多量子阱结构(3)与第一增透膜(5)通过粘接胶(4)固定。
9.一种全光固体超快探测器，其特征在于：包括外壳(10)以及设置在外壳(10)内的如权利要求1至8任一所述一种全光固体超快探测芯片；
所述外壳(10)的一端设置输入窗口(11)，外壳(10)的另一端设置输出窗口(12)；
所述调制光栅(1)位于靠近输入窗口(11)的一端，所述第二增透膜(7)位于靠近输出窗口(12)的一端。
技术总结