Способ регистрации временного профиля фронта светового импульса и устройство для его реализации

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа и устройства регистрации временного профиля фронта светового импульса. Способ заключается в том, что формируют импульсное излучение, направляют его на оптически прозрачную пластину. Отраженную от пластины часть излучения пропускают через измерительный блок. Прошедшую через оптически прозрачную пластину часть излучения пропускают через дополнительный измерительный блок. Излучение в измерительных блоках ослабляют и разделяют на несколько потоков, каждый из которых перемешивают до однородности. Потоки от измерительных блоков по транспортным волокнам передают на фотохронограф с требуемой разновременностью. После выхода светового импульса за экран фотохронографа осуществляют запирание фотохронографа с помощью блока гашения. При этом получают изображения сигналов временной развертки интенсивности светового импульса от дополнительного измерительного блока, который учитывают при восстановлении профиля фронта. Технический результат заключается в увеличении динамического диапазона измерений профиля фронта и расширении диапазона мощностей регистрируемого импульса. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Группа изобретений относится к оптической измерительной технике, в частности к устройствам для определения временных характеристик излучения, которые могут быть использованы для получения информации о быстропротекающих процессах, в частности о мощностном контрасте.

Основной задачей в рассматриваемой области техники, на решение которой направлено изобретение, является регистрация временного профиля фронта светового импульса.

Из существующего уровня техники известно устройство регистрации временного профиля фронта субнаносекундного лазерного импульса, которое позволяет реализовать способ регистрации светового импульса (М.Ю. Кирдяшкин, В.М. Муругов, Г.П. Окутин, А.В. Сеник. Регистрация профиля фронта субнаносекундного лазерного импульса с большим динамическим диапазоном // Квантовая электроника, 19, №10, 1992 г., с. 1032-1033) и которое выбрано в качестве прототипа.

Способ регистрации временного профиля фронта светового импульса включает в себя формирование импульсного светового излучения, которое пропускают по измерительному блоку последовательно через фокусирующую линзу и волоконный световод канала регистрации, с дальнейшей передачей его на времяанализирующую щель фотохронографа, где его ослабляют. На фотохронографе получают изображения сигналов временной развертки интенсивности светового импульса, которую подвергают обработке для восстановления профиля фронта. Устройство регистрации временного профиля фронта светового импульса содержит один измерительный блок, в котором размещены фокусирующая линза и канал регистрации на основе волоконного световода и фотохронограф, снабженный времяанализирующей щелью и связанный с каналом регистрации и блоком обработки данных. На времяанализирующей щели фотохронографа размещен ослабляющий фильтр в виде ступенчатого ослабителя для ранжирования интенсивности. Блок обработки данных представляет собой автоденситометр, сочлененный с ЭВМ.

Недостатком способа и устройства являются недостаточный динамический диапазон регистрации порядка 10⁵ и невозможность увеличить динамический диапазон измерения из-за ограничения по мощности.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей за счет увеличения динамического диапазона регистрации профиля фронта излучения, а также снятия ограничений по мощности регистрируемого светового импульса.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе регистрации временного профиля фронта светового импульса, заключающегося в том, что формируют импульсное световое излучение, которое пропускают по измерительному блоку, ослабляют его и передают на фотохронограф, где получают изображения сигналов временной развертки интенсивности светового импульса, которую подвергают обработке для восстановления профиля фронта, новым является то, что сформированное импульсное световое излучение направляют на оптически прозрачную пластину, отраженную от нее часть излучения пропускают через измерительный блок, где его ослабляют и разделяют на несколько потоков, каждый из которых перемешивают до однородности, а прошедшую через оптически прозрачную пластину часть излучения пропускают через, по меньшей мере, один дополнительный измерительный блок, где также ослабляют и разделяют его на несколько потоков, каждый из которых перемешивают до однородности, потоки с обоих измерительных блоков по транспортным волокнам передают на фотохронограф с требуемой разновременностью, после выхода светового импульса за экран фотохронографа осуществляют запирание фотохронографа с помощью блока гашения, при этом получают изображения сигналов временной развертки интенсивности светового импульса с дополнительного измерительного блока, который учитывают при восстановлении профиля фронта.

Указанный технический результат достигается также тем, что в устройстве регистрации временного профиля фронта светового импульса, включающем измерительный блок, в котором размещены фокусирующая линза, канал регистрации на основе волоконного световода, ослабляющий фильтр и фотохронограф, снабженный времяанализирующей щелью и связанный с каналом регистрации и блоком обработки данных, новым является то, что в измерительный блок включен, по меньшей мере, еще один канал регистрации, выполненный на основе волоконного световода, и каналы объединены общим коллектором, перед которым установлен ослабляющий фильтр, а перед фокусирующей линзой размещена оптически прозрачная пластина, отражающая способность которой меньше пропускной в 20-30 раз, кроме этого по направлению излучения, прошедшего через оптически прозрачную пластину, установлен дополнительный измерительный блок, который также содержит фокусирующую линзу и, по меньшей мере, два канала регистрации, выполненных на основе волоконного световода и объединенных общим коллектором, при этом перед фокусирующей линзой размещено оптически непрозрачное зеркало, а перед коллектором установлен защитный фильтр, причем во всех каналах регистрации, кроме одного из каналов в каждом измерительном блоке, на выходе волоконного световода установлен ослабляющий фильтр и смеситель, в этих каналах - только смеситель, причем смесители каналов регистраций соединены с фотохронографом транспортным волокном, длину которого выбирают с учетом разновременности прихода сигналов на времяанализирующую щель от разных каналов регистрации, а фотохронограф дополнительно снабжен блоком гашения, а количество каналов регистрации N и коэффициенты пропускания ослабляющих фильтров Т в каждом измерительном блоке выбирают с учетом динамического диапазона K фотохронографа из следующих соотношений: D≤K^N, T_i/T_i+1<K, где D - динамический диапазон измерения профиля фронта, T_i - коэффициент пропускания i-го канала регистрации в одном измерительном блоке, T_i+1 - коэффициент пропускания соседнего по ослаблению канала с i-м каналом регистрации.

Кроме этого, между основным и дополнительным измерительными блоками могут быть размещены, по меньшей мере, еще один измерительный блок, который выполнен по аналогии с дополнительным измерительным блоком, но вместо оптически непрозрачного зеркала перед фокусирующей линзой установлено зеркало с меньшей пропускной и большей отражающей способностями, чем пропускная и отражающая способности оптически прозрачной пластины основного измерительного блока. Оптически прозрачная пластина может быть выполнена плоскопараллельной с коэффициентом отражения 4%.

Влияние отличительных признаков патентной формулы способа на технический результат.

Направление сформированного импульсного светового излучения на оптически прозрачную пластину позволяет большую часть энергии пропустить в дополнительный измерительный блок, обеспечивая измерения светового сигнала в условиях оптического пробоя, а малую ее часть (порядка 4%) отразить от нее, что способствует снятию ограничения по мощности регистрируемого импульса и увеличению динамического диапазона.

Пропускание отраженной от оптически прозрачной пластины части излучения через измерительный блок позволяет получить изображение, у которого максимум не находится в насыщении.

Ослабление светового излучения в обоих измерительных блоках необходимо для регистрации ранжированного светового импульса, что позволяет увеличить динамический диапазон измерения.

Разделение светового излучения в обоих измерительных блоках на несколько потоков способствует получению на времяанализирующей щели нескольких сигналов.

Смешивание каждого потока до однородности способствует получению более равномерного пятна излучения, которое также влияет на вышеуказанный технический результат.

Пропускание части излучения, прошедшего через оптически прозрачную пластину, по меньшей мере, через один дополнительный измерительный блок, способствует более детальному восстановлению профиля фронта, тем самым «углубляя» динамический диапазон регистрации.

Передача потоков излучения по транспортным волокнам на фотохронограф с обоих измерительных блоков определяет требуемую задержку сигнала.

Обеспечение в обоих измерительных блоках требуемой разновременности прихода сигналов позволяет убрать насыщенный сигнал из регистрации фотохронографом, что непосредственно ведет к увеличению динамического диапазона.

Осуществление запирания фотохронографа после выхода светового импульса за экран фотохронографа с помощью блока гашения позволяет исключить из полученного изображения «паразитный» фон, получив при этом более качественное изображение.

Получение изображения сигналов временной развертки интенсивности светового импульса с дополнительного измерительного блока, которую учитывают при восстановлении профиля фронта, позволяет увеличить динамический диапазон измерения.

Влияние отличительных признаков патентной формулы устройства регистрации на технический результат.

Включение в измерительном блоке, по меньшей мере, еще одного канала регистрации, выполненного на основе волоконного световода, позволяет получить необходимое количество рангированных сигналов для увеличения динамического диапазона измерения.

Объединение каналов регистраций общим коллектором позволяет создать несколько каналов регистрации.

Установка в основном измерительном блоке перед коллектором ослабляющего фильтра способствует ослаблению поступающего отраженного импульса и регистрации сигнала, в котором максимум не находится в насыщении.

Размещение оптически прозрачной пластины перед фокусирующей линзой с отражающей способностью, меньшей, чем пропускной в 20-30 раз, позволяет не допустить оптический пробой на коллекторе.

Установка дополнительного измерительного блока по направлению излучения, прошедшего через оптически прозрачную пластину позволяет исследовать один световой источник.

Размещение в дополнительном измерительном блоке перед фокусирующей линзой оптически непрозрачного зеркала позволяет отразить все излучение, прошедшее через оптически прозрачную пластину.

Установка защитного фильтра перед коллектором в дополнительном измерительном блоке позволяет защитить коллектор от разрушения, а также не ограничивает мощность регистрируемого импульса.

Размещение во всех каналах регистрации, кроме одного из каналов каждого измерительного блока, на выходе волоконного световода ослабляющего фильтра и смесителя, в этих каналах - только смесителя позволяет организовать правильную последовательность передачи сигналов на времяанализирующую щель фотохронографа, что способствует увеличению динамического диапазона.

Соединение смесителей каналов регистрации с фотохронографом транспортным волокном позволяет выставить требуемую задержку поступления сигнала на времяанализирующую щель фотохронографа.

Выбор длины транспортного волокна с учетом разновременности прихода сигналов на времяанализирующую щель от разных каналов регистрации позволяет зарегистрировать изображение, не находящееся в насыщении.

Дополнительное снабжение фотохронографа блоком гашения позволяет в определенный момент времени произвести запирание электронного потока, что способствует получению более качественного изображения, тем самым повысить динамический диапазон регистрации.

Выбор количества каналов регистрации N в каждом измерительном блоке с учетом динамического диапазона K фотохронографа из следующего соотношения: D≤K^N, где D - динамический диапазон измерения профиля фронта, обеспечивает оптимальное количество каналов, необходимых и достаточных для регистрации светового импульса.

Выбор коэффициента пропускания ослабляющих фильтров Т в каждом измерительном блоке также с учетом динамического диапазона K фотохронографа из следующего соотношения: T_i/T_i+1<K, где T_i - коэффициент пропускания i-го канала регистрации в одном из измерительных блоков, T_i+1 - коэффициент пропускания соседнего по ослаблению канала с i-м каналом регистрации, позволяет регистрировать световые импульсы и выполнить «сшивку» обработанных сигналов с меньшей погрешностью.

Размещение между основным и дополнительным измерительными блоками, по меньшей мере, еще одного измерительного блока, выполненного по аналогии с дополнительным измерительным блоком, но вместо оптически непрозрачного зеркала перед фокусирующей линзой размещение зеркала с меньшей пропускной и большей отражающей способностями, позволяет увеличить динамический диапазон регистрации фронта импульса.

Выбор зеркала промежуточного измерительного блока с меньшей пропускной и большей отражающей способностями, чем пропускная и отражающая способности оптически прозрачной пластины основного измерительного блока, позволяет подавать энергию отраженного светового импульса в каждый последующий измерительный блок большую, чем в предыдущий.

Использование плоскопараллельной оптической прозрачной пластины с коэффициентом отражения 4% позволяет исследовать более мощный световой источник, не допуская разрушения коллектора.

Рассмотрим вариант реализации предлагаемого способа в виде устройства, конструкция которого представлена на фиг. 1, где:

1 - измерительный блок:

1а - основной, 1б - дополнительный;

2 - канал регистрации;

3 - фотохронограф;

4 - блок гашения фотохронографа;

5 - фокусирующая линза;

6 - коллектор;

7 - волоконный световод;

8 - ослабляющий фильтр канала регистрации;

9 - смеситель;

10 - транспортное волокно;

11 - ослабляющий фильтр;

12 - оптически прозрачная пластина;

13 - оптически непрозрачное зеркало;

14 - защитный фильтр.

На фиг. 2 представлены изображения сигналов временной развертки интенсивности (а) и форма профиля фронта после обработки полученных данных (б).

В представленном примере реализации устройство представляет собой два измерительных блока 1, мультищелочной фотохронограф (СЭР5) 3 с фотокатодом S-20 и времяанализирующей щелью, работающим в режиме насыщения. В основном измерительном блоке 1а последовательно размещены: оптически прозрачная пластина 12, фокусирующая линза 5, ослабляющий фильтр 11, коллектор 6 и три канала регистрации 2. В дополнительном измерительном блоке 1б также размещены оптически непрозрачное зеркало 13, фокусирующая линза 5, защитный фильтр 14, коллектор 6 и три канала регистрации 2, выполненных из волоконных световодов 7, диаметр волокна которых составляет 2 мм, а длина - 25 см. При этом каналы регистрации 2 каждого измерительного блока 1 объединены коллектором 6, выполненным на основе световолокон. Во всех каналах регистрации 2, кроме одного из каналов обоих измерительных блоков 1, на выходе волоконного световода установлен ослабляющий фильтр и смеситель, в этих каналах - только смеситель, причем смесители каналов регистрации соединены с фотохронографом транспортным волокном 10, длину которого выбирают с учетом разновременности прихода сигналов на времяанализирующую щель от разных каналов регистрации. В качестве транспортного волокна применено многомодовое волокно, диаметр волокна которого составляет 62.5 мкм, а длина около 50 м. Транспортные волокна 10 каналов регистрации 2 собраны на входной волоконной времяанализирующей щели фотохронографа 3. В качестве блока обработки данных (на фиг. не показан) использован компьютер. В качестве смесителя использован кварцевый стержень, а ослабляющие фильтры выполнены из оптического стекла типа НС. Оптически прозрачная пластина 12 из стекла К8, выполнена плоскопараллельной с коэффициентом отражения 4%. В фотохронографе 3 дополнительно размещен блок гашения 4, выполненный на основе транзисторов КТ683А, работающих в лавинном режиме. Время гашения составляет 100 пс. Количество каналов регистрации N и коэффициенты пропускания ослабляющих фильтров Т в каждом измерительном блоке выбирают с учетом динамического диапазона K фотохронографа из следующих соотношений: D≤Kⁿ, T_i/T_i+1<K, где где D - динамический диапазон измерения профиля фронта, T_i - коэффициент пропускания i-го канала регистрации в одном измерительном блоке, T_i+1 - коэффициент пропускания соседнего по ослаблению канала с i-м каналом регистрации. Кратность ослабления светового импульса в каждом канале регистрации составляет 10² при динамическом диапазоне фотохронографа 10³. В качестве светового источника использован лазер с длиной волны 532 нм.

Заявляемый способ реализуется следующим образом. От светового источника на оптически прозрачную пластину 12 основного измерительного блока 1а подается световой импульс (импульсное световое излучение) с энергией 100 Дж. Далее, от нее меньшая часть энергии (4%) отражается и проходит через фокусирующую линзу 5, ослабляющий фильтр 11 и коллектор 6, где происходит его разделение на три потока излучения, каждый из которых одновременно поступает на свой волоконный световод 7 канала регистрации 2. А большая часть энергии, прошедшая через оптически прозрачную пластину 12, поступает на оптически непрозрачное зеркало 13 дополнительного измерительного блока 1б, от чего она полностью отражается (99%) и проходит через фокусирующую линзу 5, защитный фильтр 14 и коллектор 6, где также происходит ее разделение на три потока излучения, каждый из которых одновременно поступает на свой волоконный световод 7 канала регистрации 2. Потоки излучений после волоконных световодов 7 во всех каналах регистрации 2 поступают на ослабляющие фильтры 8 и смесители 9, кроме одного из каналов регистрации обоих измерительных блоков 1, где он проходит только через смеситель 9. Затем, после смешивания потков в смесителях для более равномерного пятна, осуществляют их передачу на фотохронограф 3 с помощью транспортных волокон 10, причем сигналы на времяанализирующую щель фотохронографа 3 поступают разновременно. После выхода светового импульса за экран фотохронографа осуществляют запирание электронного потока на 3 мс с помощью блока гашения 4, после чего на экране фотохронографа 3 получают временную развертку интенсивности светового импульса. Полученные результаты изображения поступают на блок обработки данных (на фиг. не указан), где происходит восстанавливание профиля фронта импульса путем их прописи и «сшивки» с учетом относительных коэффициентов ослабления и временных задержек каналов.

На предприятии проведена конструкторская проработка и создано работоспособное устройство регистрации с достижением вышеуказанного технического результата. В результате экспериментальных исследований были получены ослабленные и сдвинутые по времени сигналы светового импульса, при обработке которых был восстановлен фронт профиля импульса с контрастом 10¹¹.

1. Способ регистрации временного профиля фронта светового импульса, заключающийся в том, что формируют импульсное световое излучение, которое пропускают по измерительному блоку, ослабляют его и передают на фотохронограф, где получают изображения сигналов временной развертки интенсивности светового импульса, которую подвергают обработке для восстановления профиля фронта, отличающийся тем, что сформированное импульсное световое излучение направляют на оптически прозрачную пластину, отраженную от нее часть излучения пропускают через измерительный блок, где его ослабляют и разделяют на несколько потоков, каждый из которых перемешивают до однородности, а прошедшую через оптически прозрачную пластину часть излучения пропускают через, по меньшей мере, один дополнительный измерительный блок, где также ослабляют и разделяют его на несколько потоков, каждый из которых перемешивают до однородности, потоки с обоих измерительных блоков по транспортным волокнам передают на фотохронограф с требуемой разновременностью, после выхода светового импульса за экран фотохронографа осуществляют запирание фотохронографа с помощью блока гашения, при этом получают изображения сигналов временной развертки интенсивности светового импульса с дополнительного измерительного блока, который учитывают при восстановлении профиля фронта.

2. Устройство регистрации временного профиля фронта светового импульса, включающее измерительный блок, в котором размещены фокусирующая линза, канал регистрации на основе волоконного световода, ослабляющий фильтр и фотохронограф, снабженный времяанализирующей щелью и связанный с каналом регистрации и блоком обработки данных, отличающееся тем, что в измерительный блок включен, по меньшей мере, еще один канал регистрации, выполненный на основе волоконного световода, и каналы объединены общим коллектором, перед которым установлен ослабляющий фильтр, а перед фокусирующей линзой размещена оптически прозрачная пластина, отражающая способность которой меньше пропускной в 20-30 раз, кроме этого по направлению излучения, прошедшего через оптически прозрачную пластину, установлен дополнительный измерительный блок, который также содержит фокусирующую линзу и, по меньшей мере, два канала регистрации, выполненных на основе волоконного световода и объединенных общим коллектором, при этом перед фокусирующей линзой размещено оптически непрозрачное зеркало, а перед коллектором установлен защитный фильтр, причем во всех каналах регистрации, кроме одного из каналов в каждом измерительном блоке, на выходе волоконного световода установлен ослабляющий фильтр и смеситель, в этих каналах - только смеситель, причем смесители каналов регистрации соединены с фотохронографом транспортным волокном, длину которого выбирают с учетом разновременности прихода сигналов на времяанализируюшую щель от разных каналов регистрации, а фотохронограф дополнительно снабжен блоком гашения, а количество каналов регистрации N и коэффициенты пропускания ослабляющих фильтров Т в каждом измерительном блоке выбирают с учетом динамического диапазона К фотохронографа из следующих соотношений: D≤K^N, T_i/T_i+1<K, где D - динамический диапазон измерения профиля фронта, T_i - коэффициент пропускания i-го канала регистрации в одном измерительном блоке, T_i+1 - коэффициент пропускания соседнего по ослаблению канала с i-м каналом регистрации.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что между основным и дополнительным измерительными блоками размещены, по меньшей мере, еще один измерительный блок, который выполнен по аналогии с дополнительным измерительным блоком, но вместо оптически непрозрачного зеркала перед фокусирующей линзой установлено зеркало с меньшей пропускной и большей отражающей способностями, чем пропускная и отражающая способности оптически прозрачной пластины основного измерительного блока.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что оптически прозрачная пластина выполнена плоскопараллельной с коэффициентом отражения 4%.