5.5. Регистрация формы лазерных импульсов электронно-оптической камерой

Современные время-анализирующие электронно-оптические камеры теоретически обладают временным разрешением вплоть до ~ 0,5 фс [3]. В этих приборах импульсное оптическое излучение с помощью фотокатода с внешним фотоэффектом преобразуют в электронный импульс. Пучок электронов в вакуумированной колбе электронно-оптического преобразователя с помощью элементов электронной оптики фокусируют на люминесцентный экран и разворачивают во времени поперечным относительно оси пучка электрическим полем так, как это делается в электронном осциллографе. Для повышения интенсивности изображения в современных электронно-оптических камерах используют усилители электронного изображения на микроканальных пластинах.

Дебройлевская длина волны электронов с энергией в несколько десятков килоэлектронвольт соответствует сотым и тысячным долям нанометра. Это означает, что в пучке электронов в принципе может быть достигнуто временное разрешение, на несколько порядков превышающее период оптических колебаний.

На практике минимально достижимое временное разрешение ЭОП ограничено существованием разброса времени пролета электронов от фотокатода до экрана. Этот разброс связан с различием начальных скоростей фотоэлектронов, кулоновским взаимодействием электронов в пучке и аберрациями элементов электронной оптики прибора: фокусирующих электроны линз и отклоняющих систем.

Повышение точности временных измерений достигается компьютерной обработкой развернутых во времени фотоэлектронных изображений.

Опыт использования в нашей лаборатории электронно-оптической камеры «Агат» с временным разрешением в несколько пикосекунд показал, что высокого временного разрешения для успешного применения камеры недостаточно. Экспериментальной проблемой становится синхронизация начала развертки камеры с исследуемым ультракоротким процессом. Такая синхронизация может осуществляться электронными методами с максимальными точностями порядка долей наносекунды. Этой точности недостаточно для регистрации одиночных пикосекундных процессов. Поэтому процесс регистрации необходимо проводить многократно ожидая удачного случайного совпадения начала развертки с исследуемым процессом.

В случае использования квазинепрерывных лазеров, генерирующих периодическую последовательность ультракоротких импульсов, ситуация с синхронизацией развертки облегчается, так как ее в этом случае можно вообще не осуществлять. Однако возникает другая проблема – паразитная засветка экрана непрерывным лазерным излучением. Время срабатывания затвора, перекрывающего луч непрерывного лазера, и защищающего ЭОП от паразитной засветки также определяется возможностями электроники, а это в лучшем случае наносекунды.

Таким образом, получение качественных экспериментальных данных с помощью пикосекундной электронно-оптической камеры превращается в далеко не простую задачу и не всегда возможно.

Рис. 8.15. Осциллограмма излучения гелий-неонового лазера ЛГ-79, зарегистрированная с помощью стробоскопического осциллографа. Период следования импульсов равен 5 нс.

Рис.8.16. Развертка того же излучения, полученная с помощью электронно-оптической камеры «Агат».

Рис. 8.17. Результат фотометрирования развертки рис.8.16.

Для измерений формы моноимпульсного излучения твердотельных лазеров широко используют специальные коаксиальные вакуумные фотоэлементы ФЭК. В таких фотоэлементах поток электронов возникает при облучении фотокатода мощным моноимпульсом. Форма фотоприемной области прибора выбирается такой, чтобы она электрически согласовывалась со стандартным с электрическим кабелем, имеющим волновое сопротивлений 50 или 75 Ом. Таким образом, импульсный фототок не порождает паразитных импульсов, неизбежной возникающих из-за электрического рассогласования элементов регистрирующей системы, и может достигать долей Ампера. Однако, так как волновая нагрузка стандартного кабеля (50 или 75 Ом) невелика, чувствительность коаксиальных фотоэлементов оказывается низкой, хотя сигнал ФЭКа достаточен для прямого наблюдения одиночных или периодических сигналов нано- и субнаоносекундной длительности с помощью осциллографа бегущей волны. Усиление электрических сигналов с шириной спектра более Гигагерца малоэффективно.