Устройство для регистрации оптических сигналов Советский патент 1983 года по МПК H01J31/50 

Изофегение атросится к иамеритвпьной технике. Известна скоростная фотсясронографическая камера, содержащая расположенные по ходу pemcrpkpjneMoro оптическог сигнала входную оптическою систему со щелью и время анализирующий электронно-оптический преобразователь (ЭОП) с линейной разверткой 1. При;; регистрации пикосекундных и более коротких оптических сигналов изо ражение щели на экране ЭОПа получается изогнутым вследствие запаздывания электронно-оптической системе ЭОПа пе риферийных электрон&в по сравнению с центральными, составляющими обамчно 1-2 ПС. Уже при регистрации оптических сигналов пикосекутэдной длительности изгиб изображения значителен, что затрудняет фотометрирование изофажения, зарегистрированного на фотопленку. Для, регистрации суйгакосекундных импульсов необходимо увеличить скорость развертки. При этом изгиб изофажения возрастает, и исследование лространстве ной структуры путем фотометрирования зарегистрированного изображения, полученного на экране ЭОПа, практически невозможно. Таким образом, указанное известное устройство позволяет регистр ровать с последующим фотом утрирование оптические сигналы длительностью, не менее нескольких пикосекунд. Известно устройство для регистрахпга оптических сигналов, содержащее сие-, тему пространственного преобразования афронта регистрируемого .сигнала, фотоэлектрон1ный прибор (ФЭУ) с фотокатодо расположенные по ходу распространения , Недостатком указанного устройства я дается то, что оно позволяет регистриро вать оптические сигналы длительностью не менее десятков пикосекунд. Целью изобретения является увеличение точности измерений и повышение Временного разрешения устройства при обеспечении возможности фотометрирования изображения. Указанная цель достигается тем, что в устройстве для регистрации .оптических сигналов, содержащем систему пространственного преобразования фронта регистрируемого сигнала и также фотоэлектронный прибор с фотокатодом, расположенные по ходу регистрируемого сигнала, система пространственного преобразования фронта регистрируемого сигнала вьтолнена в виде последовательн расположенных анодной фокусирующей лин зы„ диафрагмысо щелью и двух фокусирующих оптических элементов, образующих систему переноса изображения шели на фотркатод фотоэлектронного прибора, при этом упомянутая диафрагма и фотокатод установлены в фокальных плоскостях вьоиеуказанных двух оптических элементов, а расстояние главной плоскости входной линзы от диафрагмы и расстояние между главными плоскостями двух фокусирующих элементов, образующих систему переноса изображения, определёны из соотнощения Q t 0 ( .,. ,...1.F ,t,- --fТ з, где Fjj - фокусное расстояние входной линзы; ,- фокусное расстояние каждого из оптических элементов, образующей систему, переноса изображения; 2п - .продольный размер щели; в - угловая расходимость светового пучка в области между вкодным объективом и диафрагмой; С - скорость света; разность времен падения на фо«токатод центральной и периферийной частей оптического сигнала, определяемая фoтoэлeктpoRa ным прибором. Указанная система пространственного преобразования фронта регистрируемого сигнала дает возможность получить заранее заданные оптические задержки любого знака центральной части регистрируемого сигнала относительно его периферийной части, что позволит увеличить временное разрешение устройства для регистрации оптических сигналов. Например, в устройстве, содержащем входную оптическую систему и время анализирующий ЭСП, замена входной оптической системы предлагаемой системой пространств венного преобразования фронта регистрируемого оптического сигнала позволит скомпенсировать изгиб изофажения. на экране ЭОПа и применить скорость развергкн необходимую для регистрации оптических .сигналов субпикосекундной длительности, при этом будет обеспечена возможность фотометрирования зарегистрированного изображения, необ-. ходимого для исследования пространственной структуры регистрируемого оптического сигнала. На фиг. 1 приведен вариант устройст ва, в котором в качестве фотоэлектронного прибора использован время анализирукшнй ЭОП с плоским фотокатодом; на фиг. 2 схематически показана каустическая поверкность, ограничивающая излучение лазера с устойчивым резонатором в области между системой преобразо вания фронта и ЭОПом. Устройство содержит систему 1 преобразования фронта регистрируемого оптического сигнала, состоящую из входно фокусирующей линзы 2, диафрагмы 3 со щелью 4 и системы 5 переноса изображ НИН, о азованной двумя фокусирукяцими оптическкми :элеме1ггами (линзами или объективами) 6 и 7, а также времяанализируклций ЭОП 8с плоским фотодсатодом 9. В системе переноса изофажений допускается использование фокусирующих оптических элементов с разными фокусными расстояниями. Диафрагма 3 к плоский фотокатод 9 установлены в фокальных плоскостях оптических элемен тов 6 и 7, соответственно. Устройство работает следукяоим офа зом. Система 1 формирует изображение щели 4 на фотокатоде 9 и одновремен. но с атим создает оптическую задержку г (т.е. разность времен падения на фотокатод ЭОПа центральной и перифе- рийной частей регистрируемого оптического сигнала), возможно близкую к запаздыванию периферийных электро.нов, по сравнению с центральными в эле тронно-опти еской системе данного ЭСЯ1 Таким образом, компенсируется изгиб изображения на экране ЭСЯ1а. Система 1, праофазования фронта со дает на фотокаггоде 9 изображение щели . 4 при произвольных расстояниях а и Ъ (фш. 1). При этом поперечный и продольный размеры изофаження щели 4 при лю&ос значениях О и Ь равны соответствующим размерам щели. Поэтому расстояния О И b можно выбрать такими которые обеспечат значение оптической задержки t. Получение: заданной оптической задер ки с помощью системы 1 преофазовани фр01гта основано на следующем. Оптичес кая задержка, т.е. разность BpeivfeH падения на фатокатод осевого и крайнего л;гчей ,свегтового пучка регистрируемого сигнала, равна t-0 Zo-Zp)/2c, И) где 0 - угловая расходимость светового пучка, пересекающего фотокатод; ZQ- координата перетяжкр пучка в указанной области; ф - координата фото катода (ось показана на фиг. 1 и фиг. 2). Знак задержки Z определяется знаком разности Z,,- Zcp . Покажем это на примере для частного случая регистрации импульсов лазера с устойчивым резонатором, излучение которого ограничено каустической поверхностью, схематически показанной на фиг. 2. где показаны также три положения фотокатода 9, соответствукшие случаям Z q «i 2- .(t О, крайние лучн светового пучка падают на фотокатод oceныx)(с О, крайние и осевые лучи пучка приходят на фоачзкатод одновременно), иИф 2 С О, крайние лучи запаздывают по сравнению с, осевыми). Пунктиром показана форма волнового фронта пучка вблизи фотркатода 9. Очевидно, в рассматриваемом случае плоского фотокатода компенсапия нзгиба изображения возможна при О, т.е. при крайнем левом положении фотокатода. Путем рассмотрения хода лучей в системе 1 преобразования фронта можно .показать, что предлагаемая система может . дать положительную оптическую задоржку не превьщ1ающуюзначения лh РЗ / ,0 h т) f) тахпГГ р 2е РЗ где F-, - - фокусное расстояние оитичесг кого элемента 7, 2Н - продольный размер щели 4; - диаметр оптическогх эпемввта 7. . Для увеличения величины (2) следу ет использовать ъ качестве оптического элемента 7 объектив с .максимально во;эможным относительным отверстиемр/В,, Если для данного ЭСШа Ьдд С|,,д го возможна полная компенсация изгиба взофажения, при этом расстояния О1 и b должны составлять a F,-h/6l, (3) cF , F -0,.Гз, (4) где л - фокусное расстояние элемента 6; 0. - угловая расходимость путжа. в области между линзой 2 и диафрагмой 3. Если же для данного ЭОПасзд гпа тх) возможна лишь частичная компенсация изгиба изображения, которая достигается при значении Ь , равном ii-i/ , .1 р h (5) . . Расстояние q по-прежнему определяется формулой (3). Заметим, что формулы (5) и (3) имеют простой физический смысл. Для получения максимальной оптической задержки С линзы 6 и 7 должны йыть отзтановлены на таком расстоянии от ди фрагмы, чтобы продольный размер изоб ражения щели на линзе 7 был в точности равен ее апертуре , а линза 2 долж на быть установлена на таком расс1чэянии от диафрагмы 3, чтобы размер светового nsitHa HB последней был не мень ше продольного размера щели. Для получения прямого изображения на экране ЭСШа можно испояьзовать во нутый фотокатод. Однако методика расчетов электронно-оптической системы и, главное, неточность иэтхзтовления ео элемен1Х)В при больших CKopocTstx ра вертки могут привести к возникновению проггивоположно направленного изгиба изображения . Для компенсации такого изгиба необходимо создание отрицатель ной оптической задержки , соответств щей крайнему правому положению фоток тода (фиг. 2). Получение отрицательной задержки может бьпъ необходимо ir в Других слу чаях, аналогичных случаю устройства, выбранно1Х в качестве прототипа. Путем рассмотрения хода лучей в системе 1 преобразования фронта можно показать, что предлагаемая система может дать отрицательную задержку, абсолютная величина которой/ / не пре|вышает значения П /MFgtf V.. brrmrh . -«-а 1 Г гдеЪ - минимально возможное расстояние между главньп«ги плоскостями гогггических элементов 6 и 7. Если для данно1х ЭОПа с изогнутым фотокатодом/с дд/ / /щох возможна полная компенсация изгиба изображения, при этом расстояния О1 и Ь должны сос.1 тавлять b,f,.b( Если , то возможна лишь частичная компенсация, зиуторая достигается приЬ-bmin)a /QIИз формулы (7) видно, что для получения отрицательных зедержек входная линза 2 должна быть установлена так, чтобы размер светового пятна на диафрагме 3 был в точности равен продольному размеру щели 4. В формулы (3)-(8) входит угловая расходимость 9 ц . В случае лазера с устойчивым резонатором, . (.l/fl,: где 2i - расстояние лазера до линзы 1, rQ,0,Zo - выходнью параметры лазера, т.е. параметры каустики, ограничивасршие световой пучок на выходе лазера с устойчивым резонатором. Б случае , угловую расходимость можно представить в вида , где Г - радиус светового пятна линзе 2 (то же относитяя к случаю лазера с неустойчивым резонатором, а также другого источника световых импульсов). Выше сказанное дает простой и удобный способ подстройки предлагаемой системы для данного конкрютного ЭСЯ1а (с заданнымс эд) и для конкретных условий эксперимента (угловой расходимости в которая определяется выходными параметрами лазера и расстоянием до него). Именно, после установки линзы 2 следуе т убедиться, что пятно на диафрагме полностью покрывает щель. Затем следует установить расстояние между линзами сначала грубо (по формуле (4), (5) или (8), а затем более точное, добиваясь минимизации или исчезновения изгиба изофажения на Э1фане ЭОПа. Приведем пример возможньп: параметров системы. ПриЬ 2,5 мм, Г О,5 мм, 0 1О рад, Р-а, F Р2 3 h 3м, 3i 1/2 из (2), (3) и (5) находим: п«. 17,4 см, а 0,5 см. Максимальная отрицательная задержка приЬ.;р 1 см paBHa/t/ jj 1 пс. При этом Q 5,5 см. При конструировании предлагаемой системы входную линзу 2, диафрагму 3 и оп тический элемент 6 целесоофазно поместить в обш11й корпус, снабженный микрометрическим винтом для небольших сдвигов линзы 2 относительно хшафрагмы 3. Этот Kopiyc должен передвигаться как целое относительно оптического эпемев

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТг РАШИ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, содержащее систему пространственного преоб разовайня ф1ронта регистрируемого сигнала и также фотоэлектронный прибор с фотокбгтодом, расположенные по ходу регистрируемого сигнала, отличающееся Тем, i что, с целью увеличения точности измерений и поылшения временного разрешения при обеспечении возможности фотометрированич изображения, система пространственного преобразования фронта регистрируемого сигнала выполнена в виде последовательно расположенных входной фокусирующей линзы, диафрагмы со щелью и двух фокусирующих оптических элементов, образуй тих систему переноса изображения шели на фотркегтод фотоэлектронного прибора, .при этом упомянутая диафрагма и фотокатод установлены в фокальных плоскостях вышеуказанных двух оптических элемевтов, в расстояние главной плоскости входной линзы от диафрагмы и расстояние между тлавными плоскостями двух фокусирующих элементов, определены из соотношений К ,-0 ItcFl Fl It I Ъ где F - фокусное расстояние входной § линзы; Fn, Р - фокусное расстояние каждого из оптических элементов, образующих систему переноса изо аже;шга; 2 h - продольный размер щели; 0. - угловая расходимость светового пучка в области между входным объективом и диафрагмой; -скорость света; г -разность времени Падения на фотокатод центральной и пери-, ферийной частей оптического сигнала, определяемая фотоэлек4 СЛ тронным прибором.