книги из ГПНТБ / Зубов В.А. Методы измерения характеристик лазерного излучения

§5. Временное разрешение систем

сфотоэлектронным умножителем ц осциллографом

Блок-схема измерения временных характеристик из­ лучения включает оптическую систему, направляющую излучение на приемник (ФЭУ), приемник излучения (ФЭУ), усилитель, линию передачи сигнала, электронно­ лучевую трубку и оптическую систему фотографической регистрации [133].

Временное разрешение системы определяется следую­ щими факторами. Временное разрешение оптических ус­ тройств, используемых в этой системе регистрации, сос­ тавляет Atom—ІО-13—-10—14 сек. При преобразовании све­ товых сигналов в электрические за счет фотоэффекта в катоде фотоумножителя временибе разрешение состав­ ляет также Дікат~10-13—ІО-1'1 сек. Причина этого связана с конечной толщиной фотокатода и конечной скоростью фотоэлектронов. Временибе разрешение системы усиле­ ния сигналов в фотоэлектронном умножителе составляет Д^фэу ~Ю - 8—Ю-9 сек. Причины относительно невысо­ кого временного разрешения связаны с задержкой про­ цесса вторичной электронной эмиссии, которая состав­ ляет Ді~10-12 сек [134], и с отсутствием фокусировки вторичных электронов в процессе умножения [135]. При наличии начального разброса скоростей фотоэлектронов (Ди~10° см/сек) процесс умножения приводит к значи­ тельному разбросу длин путей электронов, а это в свою очередь обуславливает разброс во времени. Таким обра­ зом возникает временное расплывание сигнала на вели­ чину, сравнимую с временем пролета электронов от фото­ катода до анода. Все это и дает указанную величину. Для усилительной системы существенным фактором явля­ ется полоса пропускания усилителя, которая может достигать Дсо~1010 гц. Это дает временибе разрешение Д^уо —10—1° сек. Применение усилителя связано с тем, что при больших ускоряющих напряжениях, необходи­ мых для обеспечения возможности фотографирования с экрана при больших скоростях разверток, на откло­ няющие пластины нужно подавать большие отклоняющие напряжения. Полоса пропускания передающей линии достигает —ІО11—ІО12 гц, что соответствует временному разрешению Діліш~10-11—ІО-12 сек. Временное разреше­ ние развертки электронных пуцков ограничено конечной скоростью развертки на экране трубки и хроматической

130

аберрацией электронного пучка и имеет величину AfpnOT~

— І О -12— І О “13 сек.

Таким образом, наиболее узким местом в рассмотрен­ ной системе регистрации являются фотоумножитель и уси­ литель. Специально разработанные конструкции фото­ электрических приемников с фокусировкой вторичных электронов позволяют улучшить временное разрешение до Діфэу—І О -9—І О -11 сек. Усилитель может быть исклю­ чен из схемы измерения при использовании фотоэлемен­ тов и фотоумножителей с большим током на выходе (ток порядка нескольких ампер). Фотоэлементы (ФЭК) и фото­ умножители (ЭЛУ), удовлетворяющие этим требованиям, рассматривались ранее (см. § 3 гл. 1). Таким образом, можно достичь временного разрешения систем с фото­ электрическим приемником и осциллографом порядка

І О -11 сек.

§6. Временное разрешение систем

сэлектронно-оптическим преобразователем

Для исследования временных характеристик излу­ чения находят широкое применение электронно-опти­ ческие преобразователи (ЭОП) [129]. При исследовании процессов с высоким временным разрешением ЭОП дол­ жен обеспечивать быструю развертку на экране и обла­ дать быстродействующим затвором. Использующиеся в ЭОП системы разверток — обычного типа. Быстродей­ ствующие затворы реализуются по-разиому в различных схемах. В основном находят применение три способа включения ЭОП, обеспечивающих достаточное быстро­ действие: путем подачи на ЭОП короткого импульса ускоряющего напряжения (при этом требуется импульс­

тростатического затвора (эта система требует импульсного напряжения -—2 кв с длительностью —І О -7—10“s сек), с помощью сеточного затвора (эта система требует им­ пульсных напряжений —-100—200 в с длительностью ~10-7- 1 0 - 9 сек) [136, 137, 138].

Схематическое изображение ЭОП с компенсированным электростатическим затвором дано на рис. 37, а. 1 — ка­ тод, 2 — электронная линза для подфокусировки изо­ бражения, 3 — анод, 4 — диафрагма, 5 и 6 — пластины компенсированного электростатического затвора, 7 и 8 —

9* 131

отклоняющие пластины, 9 — люминесцирующий экран. Компенсированный электростатический затвор работает следующим образом. При увеличении разности потен­ циалов между пластинами 5 пучок отклоняется и задер­ живается диафрагмой 4. Изображение на экране исчезает. Размазывание изображения на экране, которое возникает из-за смещения электронного пучка при подаче напряже­ ния на пластины 5, пока не достигнуто полного перекры­ тия пучка диафрагмой, компенсируется за счет подачи напряжения обратного знака на пластины 6. Таким обра-

.зом, меняется только яркость изображения. Отклоняю­ щие пластины используются для развертки изображения [129, 137].

Рис. 37. Схема электронно-оптического преобразователя: а) с ком­ пенсированным электростатическим затвором; б) с сеточным

затвором.

Схематическое изображение ЭОП с сеточным затвором дано на рис. 37, 6 . 1 — катод, 2 — сетка затвора, 3 — электронная линза, 4 — анод, 5 ш 6 — отклоняющие плас­ тины, 7 — люминесцирующий экран. Сетка затвора уста­ навливается вблизи катода. Для .работы затвора при запирании ЭОП на сетке должен быть потенциал на 15— 20 в ниже потенциала катода, при отпирании на сетке должен быть потенциал на 100—120 в выше, чем на катоде. Использование сетки с достаточно мелкими ячейками незначительно' сказывается на разрешающей способности ЭОП. Ограничение быстродействия сеточного затвора обусловлено емкостью, образованной сеткой и фотокато­ дом. Для этой величины получено значение ~5-10-9 сек [139].

Измерительная система с электронно-оптическим пре­ образователем содержит сам ЭОП, оптическую систему, направляющую излучение от источника на катод ЭОП, и регистрирующую фотографическую систему. Времен­ ное разрешение системы определяется рядом факторов. Временнбе разрешение используемых оптических систем,

132

временное разрешение фотокатода, связанное с преобра­ зованием световых сигналов в электрические, и времен­ ное разрешение развертки изображения на экране оце­ нивались выше и составляют соответственно Af011T—ІО-13— ІО“14 сек, Д С ~ 1013- 10-14 сек и Дгразя~10-12— ІО-13 сек.

Временное разрешение электронной оптики требует специального рассмотрения.

Для частиц, масса покоя которых не равна нулю, даже вакуум можно считать диспергирующей средой, а именно, если в каком-то месте частицы имеют различные по величине скорости, то после того, как они пройдут некоторое расстояние, они разойдутся в пространстве и придут в определенное место в различное время. Эта разница времен, связанная с различными скоростями выхода электронов из катода, дает величину временного разрешения электронной оптики Д£эл о. Можно сказать, что в таком случае играет роль хроматическая аберрация электронной оптики [129]. Если принять, что разброс начальных скоростей электронов есть Аѵ=ѵІШКа—ѵтт, то временное разрешение легко определится из выражения для импульса силы mv=Ft (для простоты ускоряющее поле принято однородным):

Некоторое ухудшение временного разрешения дает квантовомеханический эффект, связанный с тем, что све­ товой импульс длительности At дает разброс кинетиче­ ских энергий электронов по соотношению неопределенно­ сти, т. е. связанный с неупорядоченными флуктуациями скоростей электронов, Д1ЕКД£~А [129]. Отсюда легко получается выражение для величины разброса скоростей электронов

Временное разрешение электронной оптики ухудшается на величину, которая определится этим разбросом ско­ ростей:

133

дит к подобным выражениям [141]. Таким образом, раз­ брос начальных скоростей электронов играет сущест­ венную роль.

В случае электронно-оптических преобразователей це­ лесообразно учесть роль кулоновского расталкивания электронов в прикатодной области. В строгой форме это сделать сложно из-за трудностей учета конфигурации электрического поля. Однако оценки показывают, что этот эффект может играть значительную роль [142, 143].

Таким образом, рассмотренная система позволяет получать временное разрешение до величин порядка —ІО-12 сек. Реальные разрешения, полученные для при­ боров такого типа, ~10-11 сек [132, 141, 144, 145]. Сле­ дует указать, что для увеличения временнбго разрешения до предельных величин ( —10~14 сек) [129] разработаны приборы, для которых напряженность ускоряющего поля в области катода доведена до Е —20 ед. СГСЭ и даже Е —200 ед. СГСЭ. Для увеличения возможного диапазона скоростей разверток разработаны системы с штыревыми вводами (резонансные частоты —500—600 Мгц), с коакси­ альными вводами (резонапсные частоты ~1 Ггц) и соз­ даны отклоняющие системы с резонаторами (резонансные частоты выше 10 Ггц) [143]. Для таких приборов можно ожидать предельного временного разрешения.

Для фотографирования процессов со столь малыми временами к электронно-оптическому преобразователю приходится добавлять каскады усиления. Дело в том, что хорошее временное разрешение достигается лишь при малых токах, но при малых токах мала яркость изо­ бражения на экране, а большие токи вызывают наруше­ ние работы. С пятью каскадами усиления яркости было достигнуто предельное усиление, когда каждый вылетев­ ший с катода электрон давал на экране вспышку, доста­ точно яркую для надежного фотографирования [143, 146].

В настоящее время выпускаются электронно-оптиче­ ские преобразователи типов ЗИС с сеточным затвором, ПИМ-3, ПИМ-ЗВ, ПИМ-ЗС с компенсированным электро­ статическим затвором и с напряженностью поля у катода соответственно порядка 2, 20 и 200 ед. СГСЭ, УМИ-92, УМИ-92ПГ, УМИ-93, УИМ-93Ш, УМИ-95, УМИ-95В

434

135

и другие с различным числом каскадов усиления и с раз­ личной напряженностью поля у катода [132].

На основе ЭОП разработаны приборы для изучения временнйх характеристик излучения. Параметры неко­ торых типов отечественных приборов приведены в табл. 19 [147, 148].'

§7. Использование диссектора

Внекоторых случаях, когда при исследовании временных характеристик слабых сигналов возникает проб­ лема значительного их усиления, оказывается целесо­ образным использование диссектора — двойного элек­ тронно-оптического преобразователя (ДЭОП), представ­ ляющего собой сочетание ЭОП с динодной системой

ФЭУ [149]. Схема диссектора приведена на рис. 38. 1 — фотокатод (для различных типов диссекторов катоды изготовляются размером 25x15 мм или диаметром 25—

тройной картины определенный участок (размеры диа­ фрагмы: круглая диаметром ~ 0,1 мм или прямоугольная 6x0,06 мм), 6 — дииодная система, содержащая в разных конструкциях 12 и 14 каскадов усиления, 7 — кол­ лектор, выходной электрод прибора [150]. Система изме­ рения временнйх характеристик излучения с помощью диссектора содержит оптические системы: одна проекти­ рует исследуемое излучение на катод диссектора, другая — экран электронно-лучевой трубки на фотопленку, сам дис­ сектор и линию передачи сигнала с диссектора на элект- ронно-лучёвую трубку.

Временнбе разрешение этой системы определяется временнйм разрешением следующих элементов: опти­ ческой системы (Аіопт —ІО-13—ІО-14 сек), камеры элек­ тронно-оптического преобразователя диссектора (А£кат~

136

~10-13—ІО-14 сек, Д<э, о~10-12 сек, Дірпзв-—ІО-12 сек), камеры ФЭУ диссектора (Д^ДІІІ1—ІО-8 сек), линии передачи (Дідпп~10~12 сек), скоростью развертки и хроматической аберрацией электронно-лучевой трубки (Діразв —ІО-12— —ІО-13 сек).

Имеющиеся в настоящее время системы обеспечивают временное разрешение, доходящее до ІО-8 сек Ц51]. Выпускаются приборы типов ЛИ-601 — ЛИ-604 [150— 153].

§ 8. Измерение длительности световых импульсов на основе нелинейных оптических эффектов

В основе этой группы методов измерения длительности световых импульсов лежит следующая идея. Исходный световой пучок делится на два, между которыми созда­ ется строго контролируемая разность хода. Полученное таким образом излучение направляется в нелинейную среду и наблюдается отклик этой среды. Рассмотрим два варианта таких методов измерений: генерация вто­ рой гармоники и двух- и многоквантовое поглощение с последующей люминесценцией и некоторые их разно­ видности.

Метод, основанный на генерации второй гармоники.

Вариант схемы метода представлен на рис. 39 [154].

Рис. 39. Измерение временнйх характеристик излучения на основе метода генерации второй гармоники в нелинейном кристалле.

Световая волна Е (х, t) падает на делительную плас­ тинку D. Световой пучок 1 проходит через линию опти­ ческой задержки ОЗ, представляющую собой, например, комбинацию стеклянных пластинок и жидкостных кювет, и с помощью зеркала Зг направляется на нелинейный кристалл Кр. Световой пучок 2 направляется зеркалом 32

137

через компенсирующий элемент КЭ на тот же нелинейный кристалл. Компенсирующий элемент вводится для того, чтобы оптическую задержку можно было менять как в положительную, так и в отрицательную сторону. В не­ линейном кристалле появляется вторая гармоника излу­ чения в направлении, определяемом волновым вектором

/С —Ä'i4"Е2■

Определим сигнал, который будет регистрироваться приемником излучения Пр [155]. Поле записывается

вкомплексном виде

Е(я, t) — S (х, t) exp [— Ш + ikx\

Так как взаимодействие происходит фактически в малой

пучками. Поляризация нелинейной среды Р пропорцио­ нальна произведению действительных, реальных полей

Составляющие поля на нулевой частоте создают стати­ ческую поляризацию среды. В данном случае эти состав­ ляющие ие представляют интереса. Интенсивность излу­ чения второй гармоники, которая регистрируется, будет пропорциональна величине

тт

I = у- ^ Eo^Eo^dt = у- ^ Si (t) Si {t) с? 2it 4"x) Si if 4~ x) dt.

о0

Усреднение по времени связано с тем, что приемники излучения не могут следить за частотой светового поля.

Интенсивность зарегистрированного излучения опре­ деляется с точностью до постоянного множителя величи­

ной

т

(т) — уг J S 1it) Si {t) (§2(t “Ь х) S 2 (t 4~ т) di.

о

138

Здесь Т — время регистрации, т — сдвиг фаз между двумя волнами. В эксперименте обычно выполняется

Пусть исследуемое излучение имеет вид одиночного импульса, имеющего максимум при t0. Обозначим

Ряс. 40. Измерение временных характеристик излучения на основе метода генерации второй гармоники при отражении.

время 2tBm.

Таким образом, измерение интенсивности излучения второй гармоники в рассматриваемой схеме в зависимости от сдвига фаз волн позволяет определить длительность импульса.

Некоторая разновидность рассмотренного метода ил­ люстрируется рис. 40 [156]. Поляризованное излучение делительной пластинкой D делится на два пучка, в один из которых вводится пластинка 77в0О, поворачивающая плоскость поляризации на 90°. После прохождения

139