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

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