Измеритель длительности светового импульса

 

1. ИЗМЕРИТЕЛЬ ДЛИТЕЛЬНОСТИ СВЕТОВОГО ИМПУЛЬСА, содержащий электронно-олтическую камеру, состоящую из расположенного по ходу регистрируемого излучения проекционного объектива, оптической системы переноса изображения на фотокатод электронно-оптического преобразователя , имеющего ось симметрии, который подключен к системе линейного отклонения электронного пучка и оптически связан с устройством запоминания пространственного р&спределения интенсивности изображения, а также устройства обработки изображения , отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности измерений длительности световых импульсов, меньшей абсолютной величины временного разрешения электронно-оптической камеры, в него введены два интерферометра Фабри-Перо, которые установлены перед объективом и имеют равные углы между отражающими поверхнос,тями интерферометров с равными коэффициентами отражения, упомянутые поверхности ориентированы таким образом, что ребра двухгранных углов образованных ими, перпенди кулярны направлению линейного от клонения. электронного пучка в электронно-оптическом преобразователе , ось симметрии которого смещена относительно оптической оси объектива и интерферометров в сторону раскрыва двухгранных углов,а разность оптических расстояний вдол оптической оси между отражающими поверхностями До выбрана из условия , где О - ширина измеряемого светового монош-шульса, С скорость света. 2.Устройство по П.1, о т ли- (Л чающееся тем, что в фокальной плоскости проекционного объектива установлен ослабитель, коэффициент пропускания которого X увелич/ вается от оси оптической системы к периферии по закону X 1 -R , где К - произведение коэффициентов отра- 00 -жения зеркальных поверхностей, о образующих интерферометры, а i 00 00 4:ib X/f tg 2(k- размер вдоль оси, перпендикулярной направлению развертки электронно-опТического преобразователя , f - фокусное расстояние проекционного объектива, X - координата в направлении, перпендикулярном развертке. 3.Устройство по ПП.1 и 2, отличающееся тем, что, с целью измерения длительности световых импульсов без априорных сведений о ее величине, перед двумя интерферометрами установлен третий интерферометр Фабри-Перо, ориенти

СОКИ СОВЕТСКИХ

-СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

4(5ц G 01 В 9/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ COOP

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ (21) 3454119/18-25 (22) 11.06.82

{46) 15.03.85. Бюл. Р 10 (22) В.Г. Клементьев и Г.В. Колесов (53) 535.854 (088.8) (56) 1. Шапиро С. Сверхкороткие световые импульсы.M., "Мир", 1981, с. 116.

2. Бутслов И.И., Степанов Б.M., Фанченко С.Д. Электронно-оптические преобразователи и их применение в научных исследованиях "Наука".

M., 1978, с. 249. (54)(57) 1. ИЗМЕРИТЕЛЬ ДЛИТЕЛЬНОСТИ

СВЕТОВОГО ИМПУЛЬСА, содержащий электронно-оптическую камеру, состоящую из расположенного по ходу регистрируемого излучения проекционного объектива, оптической системы пере-, коса изображения на фотокатод электронно-оптического преобразова- теля, имеющего ось симметрии, который подключен к системе линейного отклонения электронного пучка и оптически связан с устройством запоминания пространственного распределения интенсивности изображения, а также устройства обработки изображения, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности измерений длительности ! световых импульсов, меньшей а6солютной величины временного разрешения электронно-оптической камеры, в него введены два интерферометра

Фабри-Перо, которые установлены перед объективом и имеют равные углы между отражающими поверхностями интерферометров с равными коэффициентами отражения, упомянутые поверхности ориентированы таким образом, что ребра двухгранных углов d.„ образованных ими, перпенди кулярны направлению линейного отклонения. электронного пучка в электронно-оптическом преобразователе, ось симметрии которого смещена относительно оптической оси объектива и интерферометров в сторону раскрыва двухгранных углов,а разность оптических расстояний вдоль оптической оси между отражающими поверхностями Ьц выбрана из условия Ь д L 0 С, где б - ширина измеряемого светового мононмпульса,С скорость света.

2. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что в фокальной плоскости проекционного объектива установлен ослабитель, коэффициент пропускания которого Х, увелич,.вается от оси оптической системы к периферии по закону Х = 1 — В, где е

К - произведение коэффициентов отражения зеркальных поверхностей, образующих интерферометры, а Е.

= Х/f tg 2 А- размер вдоль оси, перпендикулярной направлению развертки электронно-оптического преобразователя, — фокусное расстояние проекционного объектива, Х вЂ” координата в направлении, перпендикулярном развертке.

3. Устройство по пп.1 и 2, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью измерения длительности световых импульсов без априорных сведений о ее величине, перед двумя интерферометрами установлен третий интерферометр Фабри-Перо, орненти1086&84 рованный таким, образом, что ребро ную плоскость объективов помещена двугранного угла образованного непрозрачная заслонка с отверстиями, отражающими поверхностями, перпенди- которые расположены рядами с расстоякулярно ребрам двугранных углов А. нием fg tg 2 g и в каждом ряду с упомянутых интерферометров, при промежутком и 1 tg 2с(., -где Д этом между последними установ- номер рара, равный 0,1,2,. ° .1-, фокусное расстояние объективов, помелены два идентичных объектива с совпадающими оптическими осященньи между первым и вторым интерми и фокусами, в общую фокальферометрами. г

Изобретение относится к измерению параметров светового излучения и предназначено для измерений параметров световых импульсов в установках для генерации ультракоротких 5 лазерных импульсов, а также в установках, применяющик такие импульсы, и может быть. использовано для прямых исследований временнога хода быстро.протекающих процессов.

Известны измерители длительности ультракоротких (порядка нескольких пикосекунд) лазерных импульсов, в которых производится времяпространственное преобразование излучения И в нелинейных оптических средах или в камерах с электронно-оптическими преобразователями (t) .

Недостатком устройств, использующих нелинейно оптические методы из- 20 мерений длительности импульсов, является трудность получения информации о форме импульса, а устройства с электронно-оптическими преобразователями имеют малое временное разрешение.

Наиболее близким к изобретению является измеритель длительности светового импульса,.содержащий электронно-оптическую камеру, состоящую 30 из расположенного по ходу регистрируемого излучения проекционного объектива, оптической системы переноса изображения на фотокатод электронно-оптического преобразователя, имеющего ось симметрии, который подключен к системе линейного отклонения электронного пучка и оптически связан с устройством запоминания пространственного распределе- р ния интенсивности изображения, а также устройства обработки изображения (21 .

Однако такое устройство не обеспечивает возможности измерений длительности световых импульсов, величины которых не превосходят абсолютной величины временного разрешения электронно-оптической камеры, ввиду близости указанных величин по своему абсолютному значению, низкой точности определения временного разрешения камеры и неизвестности длительности измеряемого импульса о порядку величины.

Цель изобретения — обеспечение возможности измерений длительности световых импульсов, меньшей абсолютной величины временного разрешения электронно-оптической каМеры.

Поставленная цель достигается тем, что в измеритель длительности светового .импульса, содержащий электронно-оптическую камеру, состоящую нз расположенного по ходу регистрируемого излучения проекционного объектива, оптической системы переноса изображения на фотокатод электронно-оптического преобразователя, имеющего ось симметрии, который подключен к системе линейного отклонения электронного пучка и оптически связан с устройством запоминания пространственного распределения интенсивности, введены два интерферометра Фабри-Перо, которые .установлены перед объективом и имеют равные углы между отражающими поверхностями интерферометров с равными коэффициентами отражения, упомянутые поверхности ориентированы таким обРазом. что ребра двухгранных

086884!

О

3 1 ,углов ф, образованных ими, ерпендик:лярны направлению линейного отклонения электронного пучка в электронно-оптическом преобразователе, ocb симметрии которого смещена отно. сительно оси объектива и интерферо- метров в сторону раскрыва двухгранных углов, а разность оптических расстояний вдоль оптической оси между отражающими поверхностями выбрана из условия Ьд аС.

Кроме того, в фокальной плоскости проекционного объектива установлен ослабитель, коэффициент пропускания которого X увеличивается от оси оптической системы к периферии по закону Л = 1- К, для измерения

8 длительности световых импульсов без априорных сведений о ее величине перед двумя интерферометрами установ<

Ъ лен третий интерферометр Фабри-Перо, ориентированный таким образом,что ребро двугранного угла g, образованного отражающими поверхностями, перпендикулярно ребрам двугранных углов 4 упомянутых интерферометров, при этом между последними установлены два идентичных объектива с совпадающими оптическими осями и фокусами, в общую фокальную плоскость объективов помещена непрозрачная заслонка с отверстиями, которые уасположены рядами с расстоянием

tg 2 g и в каждом ряду с промежутком и g tg 2 k где n — номер ряда, равный 0,1.,2..., Здесь b,д — разность оптических расстояний. между отражающими поверхностями интерферометров, 0 — ширина измеряемого светового моноимпульса, С вЂ” скорость света, — фокусное расстояние объективов, помещенных между интерферометрами, К вЂ” произведение коэффициентов отражения по- " верхностей, образующих интерферомет- ры (=Х! tg 2д(- размер вдоль оси, перпендикулярной направлению развертки электронно-оптического преобразователя, - фокусное расстояние проекционного объектива, К вЂ” коор«. .дината в направлении, перпендикулярном развертке.

На фиг.1 показанЫ функциональная схема измерителя длительности све.1 товых импульсов, на фиг.2 — вид непрозрачной заслонки, которая используется на фиг.1, на .фиг.3— вид изображения, создаваемого элек25

45 тронно-оптическим преобразователем, на фиг. 4,5 — импульс и его иэображение при работе соответственно прототипа и предлагаемого устройства.

Измеритель длительности импульса содержит интерферометры Фабри"Перо

1 и 2, проекционный объектив 3, ослабитель 4, оптическую схему 5 переноса изображения, созданного проекционным объективом на фотокатоде, электронно-оптический преобразователь 6, систему линейного отклонения пучка 7, устройство запоминания пространственного распре- деления интенсивности 8, интерферометр Фабри-Перо 9, идентичные . объективы 10, 12 и непрозрачную заслонку 11 с отверстиями.

Непрозрачная заслонка 11, показанная на фиг.2 имеет три ряда прямоугольных отверстий и служит фильтром угловых пространственных частот в схеме фиг.1.

Вектор 1; на фиг.3 обозначает линейное отклонение электронного пучка -развертку изображения во времени. Область картины, обозначенная 13, представляет собой изображение группы импульсов, созданных размножением исходного измеряемого импульса в интерферометрах 1 и 2 (фиг.1) и прошед1пих верхний ряд отверстий заслонки 11.

Задержка между импульсами, образующими эту группу, минимальна и определяется разностью толщин интерферометров 1 и 2. Часть картины 14 образует группу изображений импульсов, соответствующих прохожден-.ю через второй ряд отверстий заслонки. Задержка между импульсами при размножении в интерферометрах I и 2 вдвое превосходит задержку, характерную для импульсов группы 13. Группе импульсов .15 соответствует втрое большая задержка между размножаемымн импульсамй по сравнению с задержкой, характерной для.импульсов группы 13.

Эпюры, показанные на фиг.4, характеризуют процесс преобразования светового импульса прямоугольной формы 16 в прототипе, здесь 17 — аппаратная функция электронно-оптической камеры, 18 — эпюра изображения импульса 16, которое создается электронно-оптической камерой и является результатом свертки кривых 16 и 17.

86384

6 10

Фиг.5 характеризует процесс преобразования такого же импульса 19 в предлагаемом измерителе, 20 - импульс, полученный в результате суммирования четырнадцати импульсов вида 19, 21 — результат сверткиsmops изображения, созданного такой жа,как и в прототипе камерой с аппаратной Функцией 17.

При измерениях а помощью прототипа длитеиьности импульса 16 (см. фиг.4) подученный результат существенно отличается от измеряемой величины 6 в то время. как дди нредлагаемого измерителя результат измерения 4. на изображении 21 совпа- . дает с истинной длительностью импульса 20, о котором известно, что он получен известным числом повторенйй измеряемого импульса 19 с известной задержкой.

Измеритель работает следующим образом.

Исследуемое излучение, параметры которого характеризуются как плоская кваэймонохром@тическая волна, отклоняется интерферометрами 1 и 2 в процессе многократньж отражений от их зеркальных поверхностей. . Сиектр пространственных частот исходного излучения преобразуется из оцнокомпонентного в многокомпонентный. е оси. Временной сдвиг между импульсами нри сложении определяется временем пробега световой волной разности промежутков интерферометров 1 и 2 и подбирается с учетом ожидаемого диапазона длительностей измеряемых импульсов так,чтобы составлять часть абсолютной величины временного разрешения камеры.

Для работы измерителя существенно, что длительность регистрируемых световых имцульсов, начиная с некоторого импульса, становится существенно. больше временного разрешения камеры и отличие иэображе" ния этого импульса от оригинала минимиэируется по этому параыетру.

Для того, чтобы сделать заялючение .о длительности короткого светового импульса ио результатам измерения длительности цуга, составленного из этого импульса при его повторении с известной задершой, необходимо знать, перенакладываются ли импульсы при суммировании и,насколько .велико это переналожение.

Если имеются априорные предположения о форме измеряемого импульса и возможном диапазоне его длительностей, то можно получить данные о конкретных величинах, относящихся к измеряемому импульсу из измеренаого с малой погрешностью цуга.

Компоненты пространственного спектра, полученные с пемощью объектива 3, проектируются йа фотокатод электронно-оптического преобразователя 6 с помощью оптической схемы.5 переноса изображения. Компоненты пространственного спектра, благодаря,соответствующей ориентации отражающих поверхностей интерферометров, располагаются перпендикулярно развертке в нреобраэователе. Разрешающий в пространстве спектр корректируется по интенсивности ослабителем 4, чтобы обеспечить регистрацию малоинтенсивных составляющих спектра наравне с интенсивными.

Кащцая составляющая пространственного спектра представляет собой световой импульс, составленный иэ суммы многократно повторенных, сдвинутых во времени исходньм импульсов, длительность которых измеряется.

Чйсло суммируемых импульсов совпадает с номером спектральной составляющей при отсчете от оптической

Если априорные сведения об измеряемом импульсе отсутствуют, то в измеритене используется третий интерферометр 9 (фиг.f) и фильтр пространственных частот 11. Световая волна отклоняется интерферо40 метром 9 в вертикальной ппоскости, интерферометр 1 отклоняет ее в горизонтальной. В фокальной плоскости объектива 1.0 можно наблюдать систему точечных изображений исследуемого источника. Изображения расположены рядами с одинаковыми расстояниями между собой и между рядами. фильтр пространственных частот, помещенный в фокальную 0 плоскость, пропускает первый ряд иэображений полностью, so втором ряду изображения проходят через одно, в третьем " через три и т,д.

Каждыми ряд иэображений в плоскости установки фильтра порождает группу световых квазипрямоугольных импульсов-цугов, поскольку свет от каждого виртуального импульсного

1086884

S0

Измеряется длительность изображений суммарных импульсов Ф. Для этого измеряется полная энергия, содержащаяся в изображении, например, 11 суммирующих импульсов S и энергия Зр, приходящаяся на; известный временной интервал tp который выбран на уыастке постоянисточника размножается интерферометром 2. При этом для данной группы квазипрямоугольных импульсов характерна своя собственная задержка между складываемым измеряемым 5 импульсом при образовании квазипрямоугольников. Первая группа импУльсов представляет собой квазипрямоугольники, которые составлены из исходных импульсов, сложенных с минимальной .задержкой.

Во второй группе импульсов задержка увеличена вдвое, в третьей — втрое.

Отношение амплитуд изображения квазипрямоугольников, полученных для одного и того же числа складываемых нормированных исходных импульсов, несут о себе информацию î их длительности. Так, например, если это отношение равно 1,то при образовании квазипрямоугольников исходные импульсы не перекладываются.

Обработка полученной пространстаевнрй картины производится в следующей последовательности:

Выбйраются.зарегистрированные распределения интенсивности " изОбражения для. тех групп импуль-. 30 сов, длительность которых заведомо Щ)евосходит абсолютную величину временного разрешения фотохронографа. Длительность таких импульсов не . существенно отличается от длитель- д5 ноСти их изображений, создаваемых в известном масштабе фотохронографом. Так, например, если импульс, длительность которого измеряется, представить прямоугольником, а 40 аппаратная функция фотохронографа имамат также прямоугольную форму, то длительности суммарного импульса и его изображения практически совпадают при энергетической оцен- 45 ке (под энергетической оценкой . длительности импульса здесь понимается длительность прямоугольного импульса, совпадающего с измеряемым но энергии и амплитуде). ной амплитуды изображения. Длительность изображения 1, определяется по формуле

1„= 4р 5„(5р (1)

Результаты измерений по нескольким изображениям усредняются.

Определяется длительность короткого импульса 0 Энергия,содержащаяся в изображении 11 просум- мированных импульсов с симметричным распределением интенсивности 3 во времени k3(<) составляет =P» (o), (2) где P — коэффициент передачи интенсивности фотохронографом.

Эта же величина может быть записана в виде

1

: S„= ptn J(e} (1+ К„+... К ) (s) (1Ю где (о) "= 1,2,..., ИЬ(. временная задержка между суммируемыми импульсами.

Из (2) и (3) следует, что

Искомая длительность оценивается в первом приближении непосредственно по формуле (4) с учетом того, что имеются априорные сведения о возможном диапазоне длительностей измеряемого импульса и его форме.Так, например, если измеряются импульсы кривой Гаусса, о которых известно, что длительности, измеренные на половине максимальной интенсивности, находятся в диапазоне 1,0-1,5 от соответственно выбранной временной задержки йТ при суммировании, го с погрешностью, не превышающей 1Х можно считать сумму 1+К +...+ Kp одинаковой во всем диапазоне и равной 1,05.

Если априорные сведения об импульсе отсутствуют, то проводят измерения !(„ ...)(„ Для этого анализируются изображения, принадлежащие разным группам. На этих изображениях измеряется энергия Sp i. приходящаяся на известный временной интервал 1 у выбранный на участке постоянной амплитуды иэображения. Для энергии изображения, 9 принадлежащей первой группе, можно записать, чтб

С учетом кратности задержки между суммируемымн импульсами в группе для энергии изображения некоторой

j ""й группы. можно записать, что

5р "" р (1 (+" ++." п 3

Отношения вида

5 + 1+К „+ К) составляют систему уравнений Для поиска последовательности (Ki,) .

Имеется возможность составить о-1 уравнение вида (5),при m групнах. На практике нет необходимости использовать более трех групп,по- скольку при соответствующем AL член последовательности К .3(Зь 1-) t pro) и все последующие малы по сравнению с 1 и могут не рассматриваться.

Макет устройства включал в себя два интерферометра типа ИТ-51-30, проекционный объектив с фокусным расстоянием 120 см,электроннооптическую камеру типа "Агат СФ" с регистрацией эопограммы на фотопленку и последующим фотометриро.ванием на микрофотометре ИФО .451.

Промежутки межпу отражающими поверхностями интерферометров были

8 мм и 4 йм, у глы между отражающими. новерхностямн выдерживалнсь одинаковыми с помощью автоколлнматора AK-2 и составляли 5 . При этом регистрировалась на эопограмме

Ю86884 10 одна группа импульсов-квазипрямоугольников с минимальной задержкой в отсутствие фильтра пространственных частот 11 (фиг. 1). Группу сос-— тавляли квазипрямоугольники с числом повторений измеряемого импульса от1до18 °

В качестве. источника световых импульсов использовался твердотель1О ный лазер с пассивной синхронизацией мод, который генерировал импульсы длительностью 30-40 пс на длине волны 1,06 мкм. Измерения проведены при отношении длительнос1 ти измеренного импульса к абсолютной величине временного разрешения фотохронографа 0,8 и 0,6. Получено, что предпагаемый измеритель позволяет определить длительность

2а светового импульса, составляющую

0,8 и 0,6 от абсолютной величины временного разрешения фотохронографа с погрешностью 3 и 25Х соответl ственно. При этом результаты нзмере25 ний согласуются с данными, которые получены для таких же импульсов при их оценке с помощью прототипа и превосходят последние в точности измерений.

Измеритель длительности световых импульсов позволяет исключить необходимость .в косвеннык методах измерения длительности короткого свето3S ного импульса" при аттестации фотохронографических камер. Появляется возможность определять длительность ультракороткого светового импульса и реакции на него камеры при одном

40 ходе развертки.

1086884 фи8.5

Составитель

ТехредИ.Надь

Корректор И Лем к

Редактор С. Титова

Тираж 651 Подиисное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР но делам изобретений и открытий

113035, Москвй, Ж-Ç5, Раушская наб. ° д. 4/5

Заказ 1679/2

Филиал 1IIIII "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная,4