Измеритель длительности светового импульса Советский патент 1985 года по МПК G01B9/02 

рованный такин. образом, что ребро двугранного угла У образованного отражающими поверхностями, перпендикулярно ребрам двугранных углов сС (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 расположены рядами с расстоянием fi tg 2 УИ в каждом ряду с промежутком tg 2ct, где П номер ряда,;равный 0,1,2,.. Л- фокусное расстояние объективов, поме, щенньгх меайу первым и вторьм интерферометраъш.

1. ИЗМЕРИТЕЛЬ ДЛИТЕЛЬНОСТИ СВЕТОВОГО ИМПУЛЬСА, содержащий электронно-олтическую камеру, состоящую из расположенного по ходу регист- рируемого 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

Изоб1 етение относится к измерению параметров светового излучения и предназначено для измерений параметров световых импульсов в установках для генерации ультракоротких лазерных импульсов, а также в установках , применяющих такие импульсы, и может быть.использовано для прямы исследований времеиного хода быстро. протекающих процессов.

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

Недостатком устройств, использзтощих нелинейно оптические методы измерений длительности импульсов, является трудность получения информации о форме импульса, а устройств с электронно-оптическими преобразователями имеют малое временное разрешение.

Наиболее близким к изобретению является измеритель длительности светового импульса,.содержащий электронно-оптическую 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 распределекия интенсивности изображения, а

также устройства обработки изображения 2.

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

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

Поставленная цель достигается тем, чТо в измеритель длительности светового .импульса, содержащий электронно-оптическую камеру,состоящую из расположенного по ходу . регистрируемого излучения проекционного объектива, оптической системы переноса изображения на фотокатод электро нно-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 имею равные углы между отражающими поверхностями интерферометров с равными коэ4ф1циентами отражения, упомянутые поверхности ориентирован таким образом, что ребра двухгранны

углов (тА), образованных ими, перпендик:лярны направлению линейного отклонения электронного пучка в электронно-оптическом преобразователе, ось симметрии которого смещена относит1вльно оси объектива и интерферр- метров в сторону раскрьша двухгранных углов, а разность оптических расстояний вдоль оптической оси между отражающими поверхностями выбрана из условия д с/ « ас.

Кроме того, в фокальной плоскости проекционного объектива установлен ослабитель, коэффициент пропускания которого X увеличивается от оси оптической системы к периферии по закону X 1- R 1 для измерения длительности световых импульсов без априорных сведений о ее величине перед двумя интерферометрами ус танов- 2о лен третий интерферометр Фабри-Перо., ориентированный таким образом,что ребро двугранного угла f, о.бразованного отражающими поверхностями, перпендикулярно ребрам двугранных углов rf- упомянутьпс интерферометров, при этом между последними устанорлены два идентичных объектива с совпадающими Оптическими осями и фокусами, в о&цую фокальную плоскость . объективов помещена непрозрачная заслонка с отверстиями, которые J acположены рядами с расстоянием ff tg 2 У и в каждом ряду с промежутком nff tg 2с, где И - номер ряда равный О,1,2... Здесь й,с1 - разность оптических расстояний, между отражающими поверхностями интерферометров, О - ширина измеряемого светового моноимпульса, С - скорость света, fi - фокусное расстояние объективов, помещенных между интерферометрами, R - пройзвед ние коэффициентов отражения поверхностей, образуюпщх интерферометры t-X/l tg размер вдоль оси, перпендикулярной направлению разверт ки электронно-оптического преобразователя, t - фокусное расстояние проекционного объектива, X - коор:дината в направлении, перпендикулчрном развертке. На фиг.1 показанЬ функциональная схема измерителя длительности световых импульсов, на фиг.2 - вид непрозрачной заслонки, которая ис-. пользуется на фиг.1, на фиг.З вид изображения, создаваемого электронно-оптическим преобразователем, на фиг. 4,5 - импульс и его изображение 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 прос.транственного распределения интенсивности 8, интерферометр Фабри-Яеро 9, идентичные . объективы 10, 12 и непрозрачную заслонку 11 с отверстиями.

Непрозрачная заслонка 11, по25казанная на фиг.2 имеет три ряда прямоугольных отверстий и служит фильтром 1 угловых пространственных частот всхеме фиг.1. Вектор t на фиг.З 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 прошедйих верхний ряд отверстий заслонки 11. Задержка между импульсами, образующими эту группу, минимальна и определяётся 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 1 и 2 вдвое превосходит задержку, характерную для импульсов группы 13. Группе импульсов. 15 соответствует втрое большая задержка между размножаемыми импульсами 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. Фиг.5 характеризует процесс преобразования такого же импульса 19 в яредлаг емом измерителе, 20 - импульс, полученный в результате сумМ1фоваиия четщрнадцати импульсов вида t9, 21 - результат свертки эпюра изображения, соэда«ного такой же, как и в прототипе камерой с аппаратной функцией П. При измерениях с помощью прототи йа длительности импульса 16 (см. фир.4) полученный результат существенно от1Еичается от измеряемой величины Я, S то время- как для предла гаемого измерителя результат измерения i на изображении 21 совпадает с истинной длительйостью шшул са 20, о котором известно, что он получен известным числом повторений измеряемого импульса 19с известной задержкой. измеритель работает следз/ющим образом. Исследуемое излучение, параметры которого характеризуются как плоская кваэимонозфоматическая волна, отклон чется интерферометрами 1 и 2 в процессе многократных отражений от их зеркальных поверхностей. Спектр пространственных частот исходного излучения преобразуется из ознокомпонентного в многокомпонентный.

Компоненты пространственного сиектра, полученные с помощью объектива 3, проектируются аа фотокатод злектронно-оптического преобразователя 6 с помощью оптической схемы-5 переноса изображения. Компоненты пространственного спектра, благодаря .соответствующей ориентащш отражающих поверхностей инт ферометров, располагаются перйендикулярно развертке в преобразователе. Разрешающий в пространстве спектр корректируется по интенсиййости ослабителем 4, чтобы обеспечить регистрацию малоинтенсивных составляющих спектра наравне с интенсивными. N Каждая составляющая пространственного спектра представляет собой световой импульс, составленный из суммы многократно повторенных.сдвинутых во времени исход|1ых импульсов длите;льность которых измеряется. Число суммируемых импульсов совпадает с номером спектральной составляющей при отсчете от оптической

Если априорные сведения об измеряем эм штульсе отсутствуют, то в измеритйте используется третий интерферометр 9 (фиг.t) и фильтр пространственных частот t1. Световая волна отклоняется интерферометром 9 в вертикальной плоскости, интерферометр 1 отклоняет -ее в горизонтальной В фокальной плоскости объектива 1.0 можно наблюдать систему точечных изображений исследуемого источника. Изображения расположены рядами с одинаковыми расстояншгми между собой и медду рядами. Фильтр пространственных частот, помещенный в фокальную

плоскость, пропускает первьй ряд изображений парностью, во втором ряду изображения проходят через одно, в третьем - через три и т.д. Каждьй ряд изображений в плоскости

установюя фильтра порождает группу световых квазипрямоугольных импульсов-цугов, поскольку свет от каждого виртуального импульсного оси. Временной сдвиг между импульсами при 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 имдульсов, начиная с некоторого.импульса, становится существенно.больше временного разрешения камеры и отличие изображения этого импульса от оригинала минимизируется по этому пара фетру. Для того, чтобы сделать заклзочение о длительности короткого светового импульса по результатам измерения длительности цуга, составленного из этого Ий11:ртьса при его повторении с известной задеряасой, необходимо знать, перенакладываются ЛИ импульсы при суммировании и ,иасколько велико это переналожение. Если имеются априорные предположения о форме измеряемого импульса и возможном диапазоне его длительностей, то можно получить данные о конкретных величинах, относяпщхся к измеряемому импульсу из измеренHo.ro с малой погрешностью цуга. источника размножается интерферометром 2. При этом для данной груп пы квазипрямоугрльных импульсов характерна своя собственная задерж ка между складываемым измеряемым 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 одйого и того же числа складываемых нормированных исходных импульсов, несут о себе информацию о их длительности. Так, нащ)имер, если это отношение равно 1,то при образовании квазипрямо угольников исходные импульсы не перекладываются. 1 брабртка полученной пространственйой картины производится в следующей последовательности: . Выбираются зарегистрированные р-аспредеяения интенсивности из бражения для тех групп импульсов, длительность которых заведомо превосходит абсолютную величину временного разрешения фотохроногра фа. Длительность таких импульсов н существенно отличается от длительности их изображений, создаваемых в известном масштабе фотох онографом. Так, например, если импульс, длительность которого измеряется, представить прямоугольником, а аппаратная функция фотохронографа HMejgT также прямоугольную форму, . то длительности суммарного импульеа и его изображения практически совпадают при энергетической оценке (под энергетической оценкой . длительности импульса здесь пони1 ается длительность прямоугольного импульса, совпадающего с измеряемы :по энергии и амплитуде). Измеряется длительность изображений суммарных импульсов tu ,Ц этого измеряется полная энергия, содержащаяся в изображении, напри мер, П суммирующих импульсов Sn и энергия SP , приходящаяся на : известный временной интервал tp который выбран на унастке постоян ной амплитуды изображения. Длительность изображения iu определяется по формуле и р5„/5р 0) Результаты измерений по нескольким изображениям усредняются. Определяется длительность короткого импульса О- Энергия,содержащаяся в изображении П просуммированных импульсов с симметричным распределением интенсивности J во времени tj() составляет 5„ рпвЗ(о) , (2) где р - коэффициент передачи интенсивности фотохронографом. Эта же величина может быть запис ана в виде S (o)(H-K, + ...K) k-i-ML T/.i L где J(o) L 1,2,...-, ПЛ1 временная задержка мелщу суммируемыми импульсами. Из (2) и (3) следует, что а ...К„)/,ч (4) Искомая длительность оценизвает.ся 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 по- лрвине максимальной интенсивности, находятся в диапазоне 1,0-1,5 от соответственно выбранной временной задержки л L при суммировании, о с погрешностью, не- превышающей 1%, можно считать сумму 1 + К,+ .. .-«-Кп одинаковой во всем диапазоне и равной 1,05. , Если априорные сведения об ийпульсе отсутствуют, то проводят измерения К, ...Кп Для этого анализируются изображения, принадлежащие разным группам. На. этих изображениях измеряется энергия Sp « приходящаяся на известный временной интервал ip, выбранный на участке постоянной амплитуды изображения. Для энергии изображения.

принадлежащей первой группе, моашо записать, чти

s;,ip3(e}(f+v...K)

с учетом кратности задержки между суммируемыми импульсами в группе для энергии изображения некоторой j-и группы можйо записать, что

s;,,...K«)

Отношения вида

(,....К„)

CS)

s;- (...к)

составляют систему уравнений 4ля поиска последовательности (Ki.) .

Имеется возможность составить tti-1 уравнение вида (5).при ht группах. На практике нет необходимости использовать более трех групп,поскольку 1ФИ соответствующем AL член последовательности (3aCj / ) и все последующие малы по сравнению с 1 и мргзпг не рассматриваться.

Макет устройства включал в себя два интерферометра типа HT-5t-30, проекционный объектив с фокусным расстоянием 120 см,электроннооптическую камеру типа Агат СФ с регистрацией эопограммы на фотопленку и последующим фотометрированием на микрофотометре ИФ0.451.

Промежутки между отражающими поверхностями интерферометров были 8 мм и 4 toi, у)глы между отражающими поверхностями вьздерживались одинаковыми с помощью автоколлиматора АК-2 и составляли 5 . При этом регистрировалась на зопограмме

8688410

одна группа импульсов-квазипрямоугольников с мини14альной задержкой в отсутствие фильтра пространственных частот t1 (фиг.1). Группу сос5 тавляли квазипрямоугольники с числом повторений измеряемого импуль. са от Т до 18.

В качестве.источника световых импульсов использовался твердотель10 ный лазер с пассивной синхронизацией мод, который генерировал импульсы длительностью 30-40 пс на длине волны 1,0ff мкм. Измерени:я проведены при отношении длительнос15 ти измеренного импульса к абсолютной величине временного разрешения фотохронографа 0,8 и 0,6. Получено, что предлагаемый измеритель позволяет определить длительность

20 светового импульса, составлякшою 0,8 и 0,6 от абсолютной величины временного разрешения фотохронографа с погрешностью 3 и 25% соотвеТственно. При этом результаты измере25 НИИ 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 косвенных методах измерения длительности короткого светового импульса при аттестации фотохронографических камер. Появляется возможность определять длительность ультракороткого светового импульса и реакции на него камеры при одном ходе развертки.