Устройство для прецизионного измерения временных характеристик импульсного оптического излучения
Владельцы патента RU 2452926:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений" (ФГУП "ВНИИОФИ") (RU)
Изобретение относится к области изучения оптического импульсного излучения, в частности к измерению временных параметров оптических импульсов. Источниками импульсного излучения могут быть любые быстропротекающие процессы естественного или искусственного происхождения, сопровождающиеся световой вспышкой. Устройство, наряду с электронно-оптической камерой, состоящей из объектива, электронно-оптического преобразователя с щелевой разверткой изображения и системы записи и обработки изображения, содержит так называемый калибровочный канал, включающий расположенные вдоль оптической оси импульсный лазер, систему выделения одиночного импульса, интерферометр Фабри-Перо для формирования цуга эквидистантных оптических импульсов. Система записи изображения представляет собой твердотельный матричный приемник изображения, подключенный к компьютеру, который имеет программу коррекции коэффициента развертки электронно-оптической камеры, основанную на его сравнении с длительностью временных интервалов между импульсами в цуге. Изобретение позволяет проводить высокоточные измерения временных характеристик импульсного оптического излучения в нано-пикосекундном диапазоне. 3 ил.
Изобретение относится к области изучения оптического импульсного излучения, в частности к измерению временных параметров оптических импульсов. Источниками импульсного излучения могут быть любые быстропротекающие процессы естественного или искусственного происхождения, сопровождающиеся световой вспышкой, в частности лазерное излучение, разряд в атмосфере, взрыв и пр.
Заявляемое в качестве изобретения устройство предназначено для измерения временных характеристик импульсного оптического излучения, к которым относятся длительность импульса на полувысоте; длительность импульса по уровню 0,1; длительность фронта по уровню 0,1-0,9; форма импульса.
Из уровня техники известно устройство, позволяющее измерять временные характеристики оптического излучения [1], состоящее из фотоприемника - фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), подключенного к осциллографу. Работает устройство следующим образом. Исследуемое излучение попадает на фотокатод ФЭУ и вызывает эмиссию электронов, которые бомбардируют диноды, имеющие коэффициент вторичной эмиссии >1. Происходит усиление тока, который попадает на коллектор электронов, а оттуда на вход осциллографа. Электронно-лучевая трубка осциллографа имеет пластины горизонтальной и вертикальной развертки электронного луча. На пластины горизонтальной развертки подают линейно нарастающее напряжение. Под действием этого напряжения луч разворачивается по люминесцентному экрану и вызывает его свечение. Сигнал от ФЭУ подается на пластины вертикальной развертки, которые отклоняют луч в вертикальном направлении. Таким образом, во время действия оптического импульса и импульса развертки на экране воспроизводится входной оптический сигнал, развернутый во времени. Зная скорость развертки электронного луча в осциллографе, легко определить длительность измеряемого оптического импульса.
Описанная выше система используется преимущественно для измерения оптических импульсов длительностью, большей 5×10-8 с. Недостатком этой схемы является ее непригодность для измерения более коротких оптических импульсов, так как они искажаются во время их преобразования в ток ФЭУ, передачи в осциллограф, усиления сигнала в самом осциллографе.
Наиболее совершенным скоростным прибором для измерения временных характеристик ультракоротких оптических импульсов является электронно-оптическая камера, приемником излучения в которой служит электронно-оптический преобразователь (ЭОП) с разверткой изображения [2].
Прибор работает следующим образом. На фотокатод ЭОП с помощью входной оптической системы проецируется изображение регистрируемого объекта, ограниченное узкой щелью шириной ~(50-300) мкм. Под действием света происходит эмиссия электронов, которые фокусируются на люминесцентном экране. В исходном состоянии ЭОП заперт. Синхронно с приходом оптического импульса он отпирается, и электронное изображение с помощью отклоняющих пластин разворачивается по люминесцентному экрану в направлении, перпендикулярном длине щели. При этом происходит пространственно-временное преобразование входного изображения, несущее непрерывную во времени информацию о геометрических размерах и яркости исследуемого объекта. То есть яркость экрана в направлении развертки меняется во времени в соответствии с яркостью объекта. Фотометрирование яркости экрана даст информацию о временных характеристиках входящего излучения характеризующего объект.
Поскольку в ЭОП происходит прямое преобразование пространственной координаты во временную, временное разрешение, достигаемое при измерении временных характеристик ультракоротких оптических импульсов с помощью электронно-оптических камер, превосходит все известные прямые методы измерений временных характеристик оптических импульсов.
Наиболее близким аналогом изобретения является измеритель длительности оптического импульса с помощью электронно-оптической камеры, позволяющий измерять импульсы, длительность которых меньше временного разрешения электронно-оптической камеры [3].
Измеритель содержит расположенные на оптической оси два идентичных объектива, три интерферометра Фабри-Перо, два из которых имеют непараллельные отражающие поверхности, а третий ориентирован относительно угла между гранями первых двух интерферометров, фильтр угловых пространственных частот, ослабитель, электронно-оптическую камеру, состоящую из входного объектива, электронно-оптического преобразователя, системы линейного отклонения пучка, и устройство запоминания пространственного распределения интенсивности.
Работает устройство следующим образом. В интерферометрах в результате многократных отражений спектр пространственных частот преобразуется из однокомпонентного в многокомпонентный, с помощью объективов переносится на фотокатод электронно-оптического преобразователя и располагается в направлении, перпендикулярном временной развертке. При развертке изображения различных компонент спектра каждая компонента сдвигается на разную величину и записывается пространственное распределение интенсивности. Далее по результатам записи производят расчет длительности входного импульса по приведенным формулам, который является сверткой результатов измерений каждой из компонент. Недостаток описанного устройства заключается в том, что сами измерения и расчет полученных результатов достаточно сложны и имеют небольшую точность. Погрешность составляет величину порядка 25% по оценкам самих авторов изобретения. Кроме того, при пространственной фильтрации теряется часть частотного спектра измеряемого импульса, и его форма воспроизводится неточно.
Технический результат, обеспечиваемый настоящим изобретением, состоит в упрощении процесса измерений и повышении точности.
Для достижения этого технического результата предлагается устройство для прецизионного измерения временных характеристик импульсного оптического излучения, функциональная схема которого представлена на Фиг.1. Вдоль оптической оси устройства расположены импульсный лазер 1, система выделения одиночного импульса 2, интерферометр Фабри-Перо 3 в виде плоскопараллельной стеклянной пластины с отражающими покрытиями торцевых поверхностей, ориентированных перпендикулярно оптической оси. Элементы 1, 2 и 3 образуют так называемый калибровочный канал, формирующий цуг эквидистантных оптических импульсов, которые направляются затем на светоделительную пластину 4. Устройство содержит также электронно-оптическую камеру 5, включающую в себя объектив 6, времяанализирующий электронно-оптический преобразователь 7 с щелевой диафрагмой на входе, подключенный к электронным блокам управления 8, обеспечивающим линейное отклонение электронного пучка. Система записи и обработки изображения представляет собой твердотельный матричный приемник изображения 9, выполняющий роль считывающего устройства, и подключенный к нему компьютер 10, причем компьютер имеет программу коррекции коэффициента развертки электронно-оптической камеры, основанную на его сравнении с длительностью временных интервалов между импульсами в цуге. Источник импульсного оптического излучения показан на Фиг.1 в виде элемента 11.
Работает устройство следующим образом. Импульс исследуемого оптического излучения от источника 11 через светоделительную пластину 4 попадает в электронно-оптическую камеру 5, состоящую из объектива 6, времяанализирующего электронно-оптического преобразователя (ЭОП) 7 с щелевой разверткой изображения, подключенного к электронным блокам управления 8, обеспечивающим линейное отклонение электронного пучка. Синхронно с приходом импульса щелевое изображение исследуемого оптического импульса 11 разворачивается по люминесцентному экрану, считывается твердотельным матричным приемником 9 и вводится в компьютер 10. На экране монитора компьютера с высокой точностью воспроизводится зависимость яркости изображения оптического импульса от времени (Фиг.2).
На Фиг.2 приведен временной профиль записанного импульса полупроводникового лазера длительностью 10 нс. Фактически, это оцифрованные результаты фотометрирования изображения на экране ЭОП, которое осуществляет матричный приемник 9.
Предварительно для повышения точности измерений на вход электронно-оптической камеры подаются оптические импульсы от калибровочного канала, который состоит (Фиг.1) из импульсного лазера 1, генерирующего импульсы с частотой следования, задаваемой резонатором лазера, системы выделения одиночного импульса 2, интерферометра Фабри-Перо 3.
Выделенный одиночный импульс запускает развертку электронно-оптической камеры и размножается в интерферометре Фабри-Перо 3. На выходе из интерферометра формируется цуг эквидистантных оптических импульсов, интенсивность которых описывается выражением:
где N - номер импульса, R - коэффициент отражения зеркал, T - коэффициент пропускания стекла интерферометра, Е0 - интенсивность излучения на входе в интерферометр.
Цуг импульсов, полученный в интерферометре, попадает на фотокатод ЭОП 7, разворачивается по люминесцентному экрану, записывается твердотельным матричным приемником 9 и вводится в компьютер 10. На Фиг.3 приведена временная развертка цуга импульсов на экране монитора, следующих с периодом 156,3 пс.
В верхней части Фиг.3 приведен временной профиль записанного импульса.
Интервал между двумя соседними импульсами составляет величину, равную
где L - расстояние между отражающими покрытиями интерферометра;
n - показатель преломления среды между отражающими покрытиями;
с - скорость света в вакууме.
Как следует из формулы (2), временные интервалы между импульсами определяются величиной физических констант и параметрами, которые определяются с очень высокой точностью.
Границы неисключенной систематической погрешности при расчете величины интервала между импульсами в цуге равны 0,03% для доверительной вероятности Р=0,95.
В реальных электронно-оптических камерах коэффициент развертки зависит от множества факторов и, как правило, не бывает линейным. Именно по этой причине погрешность измерения временных характеристик оптических импульсов высока. В прототипе, как указывалось выше, она составляет 25%.
При использовании электронно-оптической камеры без калибровки временной шкалы расстояние между импульсами в цуге на люминесцентном экране будет различным, хотя в действительности они равны.
Использование в изобретении записи изображения с экрана ЭОП твердотельным матричным фотоприемником и ввод полученных результатов в компьютер позволяет осуществить с помощью соответствующей программы коррекцию коэффициента развертки.
Действительно, при развертке изображения импульса по экрану ЭОП происходит преобразование времени в координату.
Изображение с экрана ЭОП переносится на твердотельный матричный приемник - ПЗС (прибор с зарядовой связью), сокращенно ПЗС. Матрица считывающего устройства состоит из множества чувствительных элементов. Современные методы фотолитографии позволяют изготавливать с высокой точностью матрицы с элементами чрезвычайно малого размера (порядка единиц микрон), расположенные в точно заданных координатах.
Таким образом, имея точно заданные с помощью интерферометра Фабри-Перо временные интервалы и точно заданные с помощью твердотельного матричного фотоприемника пространственные интервалы, можно с помощью компьютерной программы осуществить коррекцию коэффициента развертки.
После калибровки и коррекции развертки погрешность определения разности координат, по которым измеряются временные характеристики (характерные времена) оптических импульсов, такие как длительность на уровне 0,5; длительность на уровне 0.1; время нарастания от уровня 0,1 до уровня 0,9, составляет не более 0,9%.
В описанном варианте осуществления изобретения использовались основные компоненты устройства со следующими параметрами.
Импульсный лазер:
частота генерации 82,5 МГц, длительность импульса 40 фс.
Интерферометр Фабри-Перо:
R=0,93, L=15,5 мм, n=1,5.
Твердотельный матричный приемник:
число пикселей 1392×1040, размер пикселя 4,65×4,65 мкм.
Электронно-оптическая камера:
предельное временное разрешение 30 пс, пространственное разрешение 10 пар лин./мм, длина развертки на люминесцентном экране 20 мм.
Литература
1. Новицкий Л.А., Степанов Б.М. «Фотометрия быстропротекающих процессов», справочник, Москва, Машиностроение, 1983 г., с.40-109.
2. Бутслов М.М., Степанов Б.М., Фанченко С.Д. «Электронно-оптические преобразователи и их применение в научных исследованиях». Наука, М.: 1978, с.341-361.
3. В.Г.Клементьев, Г.В.Колесов. «Измеритель длительности светового импульса», А.С. №1086884, опубл. 15.03.1985 г.
Устройство для прецизионного измерения временных характеристик импульсного оптического излучения, содержащее интерферометр Фабри-Перо, электронно-оптическую камеру, состоящую из объектива, времяанализирующего электронно-оптического преобразователя со щелевой разверткой изображения, подключенного к системе линейного отклонения, электронных блоков управления, систему записи и обработки изображения с экрана электронно-оптического преобразователя, отличающееся тем, что перед электронно-оптической камерой расположены светоделительная пластина и калибровочный канал, содержащий расположенные вдоль оптической оси: импульсный лазер, систему выделения одиночного импульса, интерферометр Фабри-Перо в виде плоскопараллельной стеклянной пластины с отражающими покрытиями торцевых поверхностей, ориентированных перпендикулярно оптической оси, формирующий цуг эквидистантных оптических импульсов, при этом система записи изображения представляет собой твердотельный матричный приемник изображения, подключенный к компьютеру, а компьютер имеет программу коррекции коэффициента развертки электронно-оптической камеры, основанную на его сравнении с длительностью временных интервалов между импульсами в цуге.
