Файл: Зубов В.А. Методы измерения характеристик лазерного излучения.pdf

Г л а в а 3

ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ ОКГ

Измерение временных характеристик имеет наиболь­ шее значение для квантовых генераторов, работающих в импульсном режиме. В этом случае существенно изме­ рение длительности импульсов и изучение развития во времени импульса излучения. Представляет интерес изу­ чение процессов взаимодействия излучения с веществом и их развитие во времени.

Наибольшие трудности встречаются при измерении времен, меньших 10_s сек. Именно эта область времен будет в первую очередь рассматриваться. Оценка предель­ ного временного разрешения, к которому следует стремить­ ся, дает следующее. Если принять длину волны излучения Х=1 мкм, то время распространения света на расстояние по­ рядка длины волны t —У с~ 3 -ІО-15 сек. За предельное время разрешения следует принять время, соответствую­ щее распространению света на расстояние нескольких длин волн, т. е. ~10-14 сек [129].

§ 1. Временное разрешение оптической системы

Оптические системы используются во всех измеритель­ ных схемах, поэтому соответствующие оценки предельных времен разрешения для них имеют общее значение. Вся­ кая оптическая система, например, изображающая объект в плоскости приемного устройства, из-за аберраций вно­

от точки объекта до соответствующей точки изображения. Рассмотрим, например, сферическую аберрацию на зеркале с радиусом кривизныR (рис. 34, а) [129]. Два луча, параллельно падающие на зеркало, — луч 1 на расстоянии h от оси системы, луч 2 по оси, — одновременно при­ ходят в плоскость AD. От этой плоскости до точки В луч 1

121

проходит расстояние AB, луч 2 — расстояние DA' + -|-А 'В . Для разпости оптических путей получается выраже­ ние

Дz = AB — {DA1+ А’В) ~

Рассмотрим сферическую аберрацию линзы. Для упро­ щения расчетов будем рассматривать плоско-выпуклую линзу, имеющую коэффициент преломления стекла п,

Рпс. 34 .-Сферическая аберрация а) зеркала, б) линзы.

радиус кривизны R и диаметр 2h (рис. 34, б). Пусть на линзу падает параллельный пучок лучей. Будем рассмат­ ривать два луча: крайний луч 1, идущий на расстоянии h от оси и отклоняющийся линзой на угол а, и центральный луч 2. К плоской входной поверхности линзы AD оба эти луча проходят одновременно. До точки пересечения В луч 1 проходит расстояние AB, луч 2 — расстояние DA’A- ~\-А’В или, точнее, оптический путьЮА'п-А-А’В. Для раз­ ности оптических путей получаем

bz = {DAln + A'B) — A B ~ - ^ n ( n — l).

Таким образом, и в случае зеркала, и в случае линзы получается некоторый интервал оптических путей, в пре­ делах которого лучи приходят в определенную плоскость. Этот интервал приблизительно одинаков в случае сфери­

122

ческой аберрации для зеркала и для линзы и имеет ве-

личину, A z— Jßß- & соответствии с этим имеется некото­

рый интервал времен прихода светового сигнала в выбран­ ную плоскость. Величина этого временного интервала, или ошибка в измерении временного интервала, составляет

Если принять R = 10 см, h= 2 см, то Аtom ~ ІО-13 сек\ если h = 1 см, то

д*о„т'~ 10-14 сек-

Погрешности, связанные с хроматической аберрацией, рассматривать не следует, так как при практической ра­ боте обычно имеют дело с квазимонохроматическим излу­ чением, для которого хроматическая аберрация не суще­ ственна. Ошибки, связанные с другими аберрациями, того же порядка. Таким образом, если необходимо стре­ миться к получению предельных временных разрешений, следует устранять аберрации путем подбора соответству­ ющих оптических систем или путем уменьшения действую­ щей апертуры.

§ 2. Временное разрешение систем с механической схемой развертки

Система с простым механическим затвором не обеспе­ чивает высокое временное разрешение. Действительно, пусть диаметр светового пучка d ~ 1 мм и время экспо­ зиции, которое желательно получить, At — ІО-7 сек. Это дает для скорости движения затвора величину ѵ — ~106 см/сек. Материал затвора не выдерживает возникаю­ щих напряжений, наступает разрушение. Энергия связи атома в материале W ~ 1 эв=1,6-ІО-12 г-см2/сек2. Кине­ тическая энергия атома должна быть меньше этой величины, чтобы не происходило разрушение, т. е. WK<С W. Это со­

Практические системы с механической разверткой в той или иной степени используют принцип оптического ры­ чага, т. е. развертка изображения осуществляется

123

равномерно вращающимся зеркалом (рис. 35) ИЗО]. В таких системах достигается наилуяшее отношение временного разрешения к механическим напряжениям материалов [129]. На рисунке световой пучок от источника 1 отклоня­ ется вращающимся с частотой шзеркалом 2, имеющим раз­ мер 21. Расстояние от центра зеркала до экрана 3 равно L — длине оптического рычага. Общее соотношение Д<мех== =dlv позволяет оценить временное разрешение такой си­ стемы. В этом выражении d — величина разрешаемого на регистрирующем экране элемента, ѵ — скорость развертки,

ла, шириной дифракцион­ ного пятна. Эта величина находится по аналогии с расче­ том ширины нулевого дифракционного максимума для щели. Условие 1-го минимума 2Zsinw=X дает для малых углов угловое расстояние между двумя 1-ми минимумами 2tp=X/Z, линейное расстояние на экране, или величина раз­ решаемого элемента, равно d=2yL='kLU. Скорость раз­ вертки и определяется угловой скоростью вращения ш (ѵ=шЬ). Для временного разрешения системы с механи­ ческой разверткой получается АZMOX~X/(DZ, или, учитывая, что u)Z= u определяет скорость движения края зеркала, AZ„ex— Таким образом, временное разрешение опре­ деляется временем, за которое край зеркала должен пройти путь, равный длине волны.

По грубой оценке разрушение зеркала начнется, когда кинетическая энергия атома на краю зеркала станет рав­ ной энергии связи атома в веществе. Если обозначить массу атома М, а энергию связи — W, то критерий разру­ шения запишется Ми?12 — W, откуда получается оценка

для скорости движения края зеркала u~\]2W /M и для временного разрешения рассматриваемой системы Д£мех ~

— X\/M/(2W)- Если воспользоваться числовыми значениями; X— 10-і см, М — 5 • ІО“23 г, W ~ 1,6 • ІО-12 г ■см2/см2, то

124

125