Устройство для регистрации оптических сигналов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1007145 3150 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ ИОТНРЫТИЙ ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ СТВУ ВТОРСНОМУ ИД фотоэлектронного прибонутая диафрагма и ены в фокальных плосдвух оптических тояние главной плоскоот диафрагмы и расными плоскостями элементов, определе(54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТ;:РАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, содержащее систему пространственного преобразования фронта регистрируемого сигнала и также фотоэлектронный приборс фотокатодом, расположенные по ходурегистрируемого сигнала, о т л и ч а -ю ш е е с я тем, что, с целью увеличения точности измерений и повышения временного разрешения при обеспечении возможности фотометрированияиэображения, система пространственногопреобразования фронта регистрируемогосигнала выполнена в виде последовательно расположенных входной фокусируюшейлинзы, диафрагмы со щелью и двух фокусируккцих оптических элементов, образуюших систему переноса иэображения шефотО като этомфото ка тод установлвышеуказанныхтов, а рассдной линзымеждукусир элемеи сти вх стояни двух фо.сР2- фокусное расс тояние входной где Г Г Г стояние каждого иэментов, образуюереноса иэображе - фокусное расоптических э щих систему- продольный размер- угловая расходимоспучка в области мобьективом и диаф- скорость света;- разность временифатокатод центрферийной частей осигнала,определятронным прибором шели;ть свето ежду входрагмой; падения на альной и периптического мая фотоэле1 10071Изобретение относится к измерительной технике,Известна скоростная фотохронографическая камера, содержащая расположенные по ходу регистрируемого оптического Зсигнала входную оптическую систему сощелью и времяанализирующий электронно-оптический преобразователь (ЭОП)с линейной разверткой ЯПри. регистрации пикосекундных и 1 Фболее коротких оптическйх сигналов изображение щели на экране ЭОПа получается изогнутым вследствие запаздывания вэлектронно-оптической системе ЭОПа пемриферийных электронов по сравнению с Ицентральными, составляющими обычно1-2 пс, Уже при регистрации оптических сигналов пикосекундной длительности изгиб изображения значителен, чтозагрудняет фотометрирование изображения, зарегистрированного на фотопленку.Для, регистрации субпикосекундных импульсов необходимо увеличить скоростьразвертки. При этом изгиб изофажениявозрастает, и исследование пространствен ной структуры путем фотометрированиязарегистрированного изображения, полученного на экране ЭОПа, практическиневозможно, Таким образом, указанноеизвестное устройство позволяет регистри-Эрровать с последующим фотометрированиемоптические сигналы длительностью неменее нескольких пикосекунд.Известно устройство для регистрацииоптических сигналов, содержащее сис-,. тему пространственного преобразования .фронта регистрируемого:сигнала, фото- .электронный прибор (ФЭУ) с фотокатодомрасположенные по ходу распространения 2,Недостатком указанного устройства яв-ется то, что оно позволяет регистрировать оптические сигналы длительностьюие менее десятков пикосекунд.Целью изобретения является увеличение точности измерений н повышениеВременного разрешения устройства приобеспечении возможности фотометриэования изображения.Указанная цель достигается тем,что в стройстве для регистрации оптических сигналов, содержащем системупространственного преобразования фронта регистрируемого сигнала и такжефотоэлектронный прибор с фотокатодом,расположенные по ходу регистрируемогосигнала, система пространственного пре.Яобразования фронта регистрируемогосигнала выполнена в виде последовательнорасположенных входной фокусирующей лин 45 2зыдиафрагмы со щелью и двух фкусирукацих оптических элементов образующих систему переноса изображения щели на фогокатод Фотоэлектронного прибора, при этом упомянутая диафрагма и фото-. катод установлены в фокальных плоскостях вьпцеуказанных двух оптических элементов, а расстояние главной плоскости входной линзы от диафрагмы и расстояние между главными плоскостями двух фокусирующих элементов, образующих систему переноса изображения, опл ределены из соотношения р1 8 гЯ 7 с Г 1 И5=1- -6 -2 2 1где Г - фокусное расстояние входноялинзы;Г Г - фокусное расстояние каждогоиз оптических элементов, образующих систему, переносаизображения;2 6 - ,продольный размер щели;8 - угловая расходимость световогопучка в области между входнымобъективом и диафрагмой;С - скорость света;ь - разность времен падения на фон.токатод центральной и периферийной частей оптического сигнала, определяемая,.фотоэлектройным прибором.Указанная система пространственного преобразования фронта регистрируемого сигнала дает возможность получить заранее заданные оптические задержки любого знака центральной части регистрируемого сигнала относительно его периферийной части, что позволит увеличить временное разрешение устройства для регистрации оптических сигналов. Например, в устройстве, содержащем входную оптическую систему и времяанализирующий ЭОП, замена входной оптической системы предлагаемой системой пространственного преобразования фронта регистр рируемого оптического сигнала позволит скомпенсировать изгиб изображения на экране ЭОПа и применить скорость развертки необходимую для регистрации оптических, сигналов субпикосекундной длительности, при этом будет обеспечена возможность фотометрирования зарегистрированного изображения, необ-. ходимого для исследования пространственной структуры регистрируемого оптического сигнала.На фиг. 1 приведен вариант устройст;- ва, в котором в качестве фотоэлектронЕо - координата перетяжки пучкав указанной области;2,р- координатаффотокагода (ось:псказана на фиг. 1 и фиг, 2).Знак задержки 3 определяется знаком разносги 20- 2 срПокажем это на примере для частного случая регистрации импульсов лазера с устойчивым резонатором, излуче: ние которого ограничено каустической поверхностью, схематически показанной ,на фиг. 2. где показаны также три по; ложения фогокагода 9, сооответствукзаие случаям Е( Х (с ) О, крайние лучи светового пучка падают на фотокатод раньше осевых) с. р = Е (= О, крайние и осевые лучи пучка приходят на фо:окатод одновременно), иКХ (с с ОР ОЭ крайние лучи запаздываюг по сравнению с осевыми)Пунктиром показана форма .волнового фронта пучка вблизи фогокагода 9. Очевидно, в рассматриваемом случае плоского фотокагода комленсвпия изгиба иэображении возможна при сО, т.е. при крайнем левом положении фото- катода.Путем рассмотрения хода лучей в системе 1 преобразования фронта можно. показать, что предлагаемая сисгеиа может, дмЪ положительную опгическую задорж- . ку не превышающую значения где Р - фокусное расстояние оптичес-,кого элемента 7си - продольный размер щели 43 р - диаметр оптического элемента 7,Для увеличения величины(2) слещвег использовать в качестве оптическогоэлемента 7 объектив с .максимально возможным огносительным огверстиемр/Е.Если для данного ЭОПай ьто:ЭЛ л 10 хвозможна полная компенсация изгибаизображения, при этом расстояния Ои Ь должны составлять(3) лЭЛ Ст ХЬ:Г - -8 - , 4)г 1где Г - фокусное расстояние элемента 6;81 - угловая расходимосгь пучка,в области между линзой 2и диафрагмой 3,3 10 б 714 Ьного прибора использован времяанализи-.рукщий ЭОП с плоским фогокагодом;на фиг. 2 схематически показана каусти-ческая поверхность, ограничивакзцая излучение лазера .с устойчивым резонато 5ром в области между системой преобразования фронта и ЭОПом,Устройство содержит систему 1 преобразования фронта регистрируемого оптического сигнала, сосгоящую из входной рфокусирующей линзы 2, диафрагмы 3 сощелью 4 и системы 5 переноса изображения, образованной двумя фокусирующимиоптическими .элементами (линзами илиобъективами) 6 и 7, а также времяанализирующий ЭОП 8 с плоским фотокато- .дом 9. В системе переноса изображенийдопускается использование Фокусирующих оптических элеменгов с разнымифокусными расстояниями. Диафрагма 3 .и плоский фогокатод 9 установлены вфокальных плоскосгях оптических элементов 6 и 7, соответственно.Устройство работает следующим . образом.Система 1 формирует изображениещели 4 на фотокатоде 9 и одновременЛ. но с этим создает опгическую задержкуь (т.е. разность времен падения на фотокагод ЭОПа центральной и перифеЭФрийной частей регистрируемого оптического сигнала), возможно близкую к запаздыванию С ЗЛ периферийных электронов, по сравнению с центральными в электронно-оптической системе данного ЗОПа.Таким образом, компенсируется изгибизображения на экране ЭОПа.Система 1, преобразования фронта создает на фогокатоде 9 изображение щели.4 при произвольных расстояниях О и Ъ(Фиг. 1). При этом поперечный и продольный размеры изображения щели 4при любых значениях С 1 и Ь равны соответствующим размерам щели, Поэтомурасстояния О и Р можно выбрать такими,которые обеспечат значение оптической задержки. 6 .Получение: заданной оптической задержки с помощью сисгемы 1 преобразованияфронта основано на следующем. Оптическая задержка, т.е. разность вреМен падения на фогокатод осевого и крайнеголучей светового пучка регисгрируемогосигнала, равна(0 ) 2 С( ) 55где В - угловая расходимосгь светового пучка, пересекающегофото к аг од 3. формулой (3).3 фо (5) (3) лаах гдеЬщ,п- минимально возможное расстояние между главными плоскостями оптических элементов 6 и 7.Если для данного ЭОПа с изогнутым фОТОКаТОДОМ/ 6//6/и ТО ВОЗ полная компенсация изгйба изобр при этом расстояния д и Ъ до тавлять( 7)Оь:, -- -; -ь"г можнаажения,лжны сос"гф (8Если же для данного ЭОПа с ) с, , то возможна лишь частичная компенсация изгиба изображения, которая достигается при значении о, равномаметим, что рмулы и имеют простой физический смысл. Для получения максимальной оптической задержки о линзы 6 и 7 должны Йють ,установлены на таком расстоянии от див, фрагмы, чтобы продольный размер изобю ражения щели на линзе 7 был в точности равен ее апертуре, а линза 2 должна быть установлена на таком расстоянии от диафрагмы 3, чтобы размер светового пятна на последней был не. мень- Е ше продольного размера щели.Для получения прямого изображения на экране ЭОПа можно использовать вог нутый фотокатод. Однако методика расчетов электронно-оптической системы и, главное, неточность изготовления ео элементов при больших скоростях развертки могут привести к возникновению противоположно направленного изгиба изображения . Для компенсации такого 39 изгиба необходимо создание отрицатель. ной оптической задержки , соответствуюЪшей крайнему правому положению фотокатода (фиг, 2).лПолучение отрицательной задержки с р может быть необходимо й в других случаях, аналогичных случаю устройства,. выбранного в качестве прототипа.Путем рассмотрения хода лучей в системе 1 преобразования фронта можно щ . показать, что предлагаемая система может дать отрицательную задержку, абсолютная величина которой/не превышает значения1(Гсм Максимальная отрицательниЪп., = 1 см равнаИВри этомо = 5,5 см.1 яахПри конструировании предлагаемой системы входную линзу 2, диафрагму 3 и оптический элемент. 6 целесообразно поместить в общий корпус, снабженный микрометрическим винтом для небольших двигов линзы 2 Относительно диафрагмы 3. Этот корпус должен передвигаться как целое относительно оптического элемеиая задержка= 1 пс пр П Если же/ э(э , то возможна лишь частичная компенсация, кОторая достигается при Ъ= 0 п 1, а = Г д /6Из формулы (7) видно, что для получения Отрицательных эедержек входная линза 2 должна быть установлена так, чтобы размер светового пятна на диаф-рагме 3 был в точности равен продольному размеру щели 4.В формулы (3)-(8) входит угловая расходимость 8 .В случае лазера с устойчивым резонатором,О Л О / 7 где 2, - расстояние лазера до линзы 1,го,а, Ео выходные параметры лазера,т.е. параметры каустики, ограничивающие ,световой пучок на выходе лазере с устойчивым резонатором, В случае 2 А 1 Г, угловую расходимость можно представить в виде 6 =и/Г, где Г - радиус светового пятна линзе 2 (то же относитяя к случаю лазера с неустойчивым резонатором, а также другого источника световых импульсов).Выше сказанное дает простой и удобный способ подстройки предлагаемой системы для данного конкретного ЭОПа (с заданным ссц) и.для конкретных условий эксперимента (угловой расходимости 6, которая определяется выходными параметрами лазера и расстоянием до него). Именно, после установки линзы 2 следует убедиться, что пятно на диафрагме полностью покрывает щель, Затем следует установить расстояние между линзами сначала грубо (по формуле (4), (5) или (8), а затем более точное, добиваясь минимизации или исчезновения изгиба изображения на экране ЭОПа.7 Фиг. ГСост ави В, Александровепер Корректор Л. Бокш Редактор Н, П Заказ 2146/7 ненкова Техред Тираж 701ВНИИПИ Государств по делам изобр113035, Москва, Ж Подписноенного комитета ССтений и открытий35, Раушская наб.,илиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная,7 1007148 8та 7 по оптической скамье, снабженной с использованием имеющейся фотометрилинейкой ческой аппаратуры, в то время как изПредлагаемое устройство устраняет вестные устройства такой возможности изГиб изображения, вызванный неизохрон- не дают. Аналог позволяет регистрироностью электронного изображения, .и темвать с последукацим фотометрированием самым дает возможность регистрации изооражения оптического сигнала длиоптических сигналов длительностью по- тельностью не менее нескольких пикосерядка 10 фс последующим фотометрирова- кунд, известное устройство же позволяет нием изображения, необходимым для ис- регистрировать сигналы длительностью в следования пространственной структуры, й десятки пикосекунд.