RU2079941C1 - Устройство для определения характеристик однократных сверхкоротких импульсов лазерного излучения - Google Patents

Abstract

Использование: Изобретение относится к области измерительной лазерной техники, связанной с регистрацией, анализом и определением характеристик лазерного излучения, в частности, зависимости интенсивности от времени для однократных сигналов лазерного излучения малой длительности, до 10^-10 - 10^-14 C. Устройство выполнено в виде трехмерной объемной структуры. Оно содержит два канала управляющих сигналов с ячейками - затворами, причем ячейки - затворы установлены так, что их открывание происходит во взаимно перпендикулярных направлениях, и канал исследуемого сигнала, направление распространения излучения в котором происходит перпендикулярно плоскостям ячеек - затворов. В каналах управляющих сигналов перед ячейками - затворами установлены астигматические телескопические системы расширения пучков, в канале исследуемого сигнала стигматическая телескопическая система. На выходе расположена двумерная система регистрации фотографическая или фотоэлекрическая с матричным приемником для функции корреляции пятого порядка. 3 ил.

Description

Изобретение относится к области измерительной лазерной техники, связанной с регистрацией, анализом и определением характеристик лазерного излучения, в частности, зависимости интенсивности от времени для однократных сигналов лазерного излучения малой длительности, до 10^-13 10^-14 с.

Известные устройства для определения характеристик однократных сверхкоротких импульсов лазерного излучения основаны на измерении корреляционных функций второго порядка или подобных им функций и анализ их структуры для получения информации о длительности импульса. Для измерения этих функций используются различные физические методы. Один из вариантов заключается в использовании схемы двухлучевого интерферометра с формированием на выходе второй оптической гармоники в нелинейном оптическом кристалле с соответствующим типом синхронизма. Регистрируемый отклик описывается функцией корреляции второго порядка

где τ разница во времени задержек сигналов в каналах интерферометра,
I₁(t), I₂(t) интенсивности сигналов в каналах интерферометра;
t_s полная длительность исследуемого сигнала.

Интервал времен τ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(2)}}{\text{I}}$ , в котором функция корреляции отлична от нуля, позволяет определить длительность анализируемого импульса излучения

([1] с. 36 37).

Другой вариант включает регистрацию свечения люминесценции, осуществляемой при встречном распространении сверхкоротких оптических сигналов в ячейке с красителем, обеспечивающим возбуждение люминесценции при двухквантовом поглощении. Регистрируемый отклик описывается функцией
Ψ(τ) = I⁽²⁾(0)(1+r²)+I⁽²⁾(τ)4r,
где I⁽²⁾(τ) функция корреляции второго порядка,
r отношение интенсивностей сигналов, соответствующих прямому и обратному распространению излучения.

Интервал времен τ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(2)}}{\text{Ψ}}$ , в котором функция J(τ) отлична от фонового значения I²(O) (I + r²), позволяет определить длительность импульса
τ_pul= τ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(2)}}{\text{Ψ}}$ /2
([1] с. 37 44).

Третий вариант схемы основан на использовании скоростных оптических затворов. Для затворов, работающих на линейном электрооптическом эффекте, регистрируется отклик, описываемый функцией корреляции второго порядка

Для затворов на квадратичном электрооптическом эффекте, отклик описывается вырожденной функцией корреляции третьего порядка

зависящей только от одного аргумента и потому не содержащей дополнительной информации по сравнению с функцией корреляции второго порядка. Интервал времен τ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(2)}}{\text{I}}$ или τ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(3)}}{\text{I}}$ , в котором соответствующая функция отлична от нуля, позволяет определить длительность анализируемого импульса
τ_pul= τ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(2)}}{\text{I}}$ /2 или τ_pul=τ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(3)}}{\text{I}}$ /2
([1] стр. 57 61).

Недостатки этих систем заключаются в том, что они не позволяют провести однозначную интерпретацию результатов без привлечения дополнительной информации. Из-за симметричности функции корреляции второго порядка нельзя получить информацию об ассимметрии сигнала. В спектральном представлении распределения интенсивности нельзя получить информацию о фазах спектральных компонент.

Большие возможности открывает применение зависящих от двух аргументов τ₁ и τ₂ корреляционных функций третьего порядка.

для которых разработаны методы обработки, позволяющие определить структуру сверхкоротких оптических сигналов в виде зависимости интенсивности сигнала от времени и отмечены возможности снижения роли случайных аддитивных помех ([2] с. 162 163).

Известны измерительные устройства для определения характеристик сверхкоротких импульсов лазерного излучения с трехлучевым коррелятором интенсивности, в которых в итоге на выходе регистрируется функция корреляции третьего порядка. Один из вариантов трехлучевого коррелятора интенсивности содержит на выходе нелинейный кристалл для формирования оптической гармоники на частоте 3ω(ω- частота исходного оптического сигнала), на частоте третьей оптической гармоники ([2] c. 164 165). Пример такой системы представляет собой трехлучевой интерферометр Майкельсона. За счет смещения зеркал в двух каналах интерферометра на выходе формируются три сигнала с временными задержками 0, τ₁ и τ₂. Сигналы направляются на нелинейный кристалл, в котором осуществляется генерация третьей оптической гармоники, выделяемой фильтром. В результате на выходе для набора различных комбинаций задержек τ₁ и τ₂, при использовании одинаковых повторяющихся импульсов можно получить последовательность отсчетов, описывающих функцию третьего порядка, на основании анализа которой можно восстановить структуру анализируемого сигнала.

Другой вариант схемы содержит два нелинейных кристалла. В первом кристалле формируется оптический сигнал на частоте 2ω на частоте второй гармоники. Во втором кристалле формируется гармоника на суммарной частоте (2ω+ω).

Недостаток указанных схем заключается в том, что для регистрации требуется использовать достаточно большой набор повторяющихся одинаковых по структуре сигналов и невозможность использования их для анализа однократных оптических сигналов.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту прототипом является устройство для измерения длительности сверхкоротких импульсов лазерного излучения, в основе которого лежит схема двухлучевого коррелятора с электрооптическим затвором [3] (фиг. 1). На этой и дальнейших фигурах, а также в тексте приняты следующие обозначения:
1 делитель светового пучка,
2 зеркало,
3 астигматическая телескопическая система,
4 стигматическая телескопическая система,
5 поляризатор затвора,
6 электрооптическая ячейка затвора,
7 изображающая оптическая система,
8 выходная плоскость или плоскость регистрации.

Индексы у цифр указывают порядковый номер соответствующего элемента при использовании в устройстве нескольких однотипных элементов. Рассматриваемая схема содержит на выходе электрооптическую ячейку 6, работающую в качестве скоростного затвора [3] Делительная пластинка 1 и зеркало 2₁ направляют в один канал интерферометра мощный управляющий сигнал E₁(t), распространяющийся по электрооптической ячейке 6, выполняющей роль затвора. В другой канал интерферометра с помощью зеркала 2, направляется слабый сигнал E₂(t), играющий роль исследуемого. Этот сигнал расширяется телескопической системой 4 и также проходит через электрооптическую ячейку. Скрещенные поляризаторы 5₁ и 5₂ являются частью электрооптического затвора. При прохождении управляющего сигнала по ячейке в определенных местах, смещающихся во времени вместе со смещением сигнала, создается эффект двойного лучепреломления, что приводит к открыванию затвора. Исследуемый сигнал в каждый момент времени пересекается с управляющим сигналом в определенной точке затвора с определенным сдвигом во времени. Таким образом, на выходе регистрируется развертка по координате временной картины, определяемой функцией корреляции второго порядка для структуры исследуемого сигнала и функции пропускания затвора, задаваемой в свою очередь интенсивностью управляющего сигнала. Регистрация выполняется для однократного оптического сигнала. Полученная картина с помощью оптической системы 7 регистрируется в выходной плоскости 8 либо фотоэлектрически линейным многоэлементным или матричным приемником, либо фотографически. Недостатком прототипа, как и других устройств, формирующих функцию корреляции второго порядка, является невозможность получить однозначный результат для изменения интенсивности сигнала во времени: симметрия функции корреляции второго порядка не позволяет определить ассимметрию сигнала, в спектре интенсивности сигнала нельзя получить информацию о фазах.

Целью изобретения является создание устройства для получения информации о структуре однократного сверхкороткого лазерного сигнала, определяемой распределением во времени интенсивности сигнала, без привлечения какой-либо дополнительной информации.

Это достигается формированием в процессе регистрации двумерной корреляционной функции третьего порядка или вырожденной двумерной функции корреляции пятого порядка для одиночного сверхкороткого сигнала излучения независимо от его структуры. В основе оптической схемы устройства лежит трехлучевой коррелятор с объемной трехмерной структурой.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что схема для определения длительности однократных сверхкоротких сигналов лазерного излучения на основе измерения корреляционной функции второго порядка, содержащая два канала: (канал исследуемого сигнала с астигматической телескопической системой и канал управляющего сигнала с ячейкой-затвором), согласно изобретению скомпонована в виде объемной трехмерной структуры и в нее дополнительно введен второй канал управляющего сигнала с ячейкой затвором. Отметим, что оба канала с управляющими сигналами содержат астигматические телескопические системы, а канал исследуемого сигнала содержит стигматическую телескопическую систему. Существенное отличие предлагаемой системы от всех известных заключается в том, что в результате использования трехканальной схемы с трехмерной структурой и скоростных оптических затворов, открывание которых происходит во взаимно перпендикулярных направлениях, а исследуемый сигнал распространяется перпендикулярно плоскостям ячеек-затворов, в выходной плоскости формируется и регистрируется двумерная функция корреляции третьего порядка или вырожденная двумерная функция корреляции пятого порядка для анализируемого сигнала при использовании затворов, работающих на линейном или квадратичном электрооптическом эффекте соответственно, причем информация регистрируется для однократного оптического сигнала произвольной формы. При использовании затворов, работающих на линейном электрооптическом эффекте и дающих при регистрации двумерную функцию корреляции третьего порядка, используется известный метод обработки ([2] с. 163 164, [4]). При использовании затворов, работающих на квадратичном электрооптическом эффекте и дающих при регистрации вырожденную двумерную функцию корреляции пятого порядка, использован дополнительно рассмотренный в заявке метод обработки, позволяющий однозначно получить структуру сигнала в виде зависимости интенсивности от времени.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется фиг. 2, на которой представлена оптическая схема коррелятора с объемной трехканальной структурой. Пунктирные линии подчеркивают объемную структуру схемы. Предлагаемая схема для формирования трех каналов в объемной структуре содержит делители световых пучков 1₁ 1₂, выполненные в виде полупрозрачных зеркал или делительных кубиков и зеркала 2₁ 2₆.

Делители световых пучков выполнены так, что они обеспечивают большую интенсивность управляющих сигналов E₁(t) и E₂(t) и малую интенсивность исследуемого сигнала E₃(t). В двух каналах с управляющими сигналами установлены астигматические телескопические системы 3₁, 3₂, осуществляющие расширение световых пучков в одном направлении с помощью цилиндрической оптики и формирующие плоские пучки, направляемые в ячейки-затворы 6₁, 6₂ во взаимно перпендикулярных направлениях. Ячейки-затворы могут работать на линейном электрооптическом эффекте (эффект Поккельса( [5] на квадратичном электрооптическом эффекте (эффект Керра) [3, 6] или на основе эффекта насыщающегося поглощения [7 9] Для работы затворов на основе электрооптических эффектов в систему введены поляризаторы 5₁ 5₃, причем поляризаторы 5₁ и 5₃ параллельны, а 5₂ им перпендикулярен. Для затворов, работающих на основе насыщающегося поглощения поляризаторы не требуются. В канале с исследуемым сигналом E₃(t) установлена стигматическая телескопическая система 4, осуществляющая расширение пучка для освещения всей площади ячеек-затворов с помощью сферической оптики. Исследуемый сигнал направляется перпендикулярно плоскости ячеек-затворов. Оптическая система 7 дает в выходной плоскости 8, являющейся плоскостью регистрации, изображение структур ячеек-затворов, проэкспонированное за все время регистрации t_s. Регистрация может выполняться либо в простейшем случае фотографически, либо фотоэлектрически на матричном приемнике.

Схема работает следующим образом. Исследуемый импульс излучения
E(t) = ε(t)•cos[ωt]
двумя делительными пластинками 1₁, 1₂ и зеркалами 2₁ 2₆ направляется в три канала интерферометра, причем два сигнала
E₁(t+τ₁) = ε₁(t+τ₁)•cos[ω(t+τ₁)]
и
E₂(t+τ₂) = ε₂(t+τ₂)•cos[ω(t+τ₂)]
предназначены для управления ячейками-затворами 6₁, 6₂ и характеризуются высокими напряженностями полей и временными задержками, связанными с их распространением в плоскостях ячеек
τ₁=x/ν_x, τ₂=y/ν_y,
где
ν_x x и ν_y y скорости распространения световых сигналов в ячейках. Третий сигнал
E₃(t)=ε₃(t)•cos[ωt] является анализируемым. Он характеризуется малым значением напряженности поля и практически не вызывает электрооптического эффекта. Управляющие сигнала E₁(t+τ₁) и E₂(t+τ₂) с помощью астигматических телескопических систем 3₁ и 3₂ превращаются в широкие плоские пучки, распространяющиеся во взаимно перпендикулярных направлениях в плоскостях двух электрооптических ячеек 6₁ и 6₂. Третий сигнал E₃(t) расширяется стигматической телескопической системой 4 и проходит последовательно через ячейки-затворы 6₁ и 6₂ перпендикулярно плоскостям ячеек. На выходе коррелятора распределение интенсивности в анализируемом световом пучке оптической системой 7 фокусируется в плоскость регистрации 8 и регистрируется фотоэлектрически на матричном приемнике или фотографируется. Схема сконструирована таким образом, что оптические пути световых пучков трех каналов коррелятора выровнены для середин ячеек-затворов. Это приводит к тому, что задержки сигналов τ₁ и τ₂ изменяются при регистрации как в положительную, так и в отрицательную стороны.

Рассмотрим действие схемы с электрооптическими ячейками, работающими на основе линейного электрооптического эффекта (ячейки Поккельса). Управляющие сигналы E₁(t+τ₁) и E₂(t+τ₂) вызывают в ячейках 6 двойное лучепреломление. Различия в показателях преломления Δn₁ и Δn₂ существующие между показателями для необыкновенных n_e1, n_e2 и обыкновенных n_o1, n_o2 лучей, равны соответственно

где r₁ и r₂ электрооптические постоянные, n₁ и n₂ начальные показатели преломления материалов ячеек.

Рассмотрим действие первой ячейки-затвора. Анализируемое поле представляется в виде двух составляющих, соответствующих обыкновенному и необыкновенному лучам

где γ угол между направлением первого поляризатора 5₁ и ориентацией вектора напряженности электрического поля для обыкновенного луча. Это иллюстрируется на фиг. 3, на которой представлено формирование составляющих электрического поля анализируемого светового сигнала в электрооптической ячейке для двойного лучепреломления, вызываемого полем E₁(t+τ₁). Действие первой электрооптической ячейки 6₁ вносит фазовые сдвиги
ΔΦ_1o=(ω/c)l₁n_1o, ΔΦ_1e=(ω/c)l₁n_1e,
где l₁ толщина ячейки в направлении распространения анализируемого сигнала. Ячейка должна быть достаточно тонкая, чтобы за время распространения анализируемого светового сигнала через ячейку затвор не происходило заметного изменения показателя преломления за счет управляющего сигнала, то есть не происходило снижения временного разрешения. В частности, для временного разрешения δt толщина ячейки должна быть не более l = δt c/n, где n
показатель преломления материала ячейки, то есть для

с толщина l≈0,2 мм. После второго поляризатора 5₂, скрещенного с первым, с учетом малости изменений показателей преломления имеет место

где постоянные А₁ и α₁ равны

Полученное поле можно представить как результат воздействия на анализируемое излучения с амплитудой ε₃(t) затвора с изменяющимся во времени пропусканием T₁(t+τ₁), пропорциональным E₁(t+τ₁).

Аналогично для поля

рассматривается действие второй электрооптической ячейки затвора 6₂. Составляющие

, соответствующие обыкновенному и необыкновенному лучам во второй ячейке 6₂, имеют вид

где γ угол между направлением второго поляризатора 5₂ и ориентацией вектора напряженности электрического поля обыкновенного луча и равный углу g, определенному выше. Действие второй ячейки затвора 6₂ вносит фазовые сдвиги
Dv_2o= (ω/c)l₂n_2e, ΔΦ_2e= (ω/c)l₂n_2o,
где l₂ размер ячейки в направлении распространения анализируемого сигнала. После третьего поляризатора 5₃, скрещенного со вторым, имеет место

где постоянные А₂ и α₂ имеют вид
A₂= 2r₂n $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{3}}{\text{2}}$ A₁•sinγ•cosγ•(ωl₂/2c),
α₂=α₁+(ω/c)l₂(n_2o-n_2e)/2.
Дополнительно к воздействию затвора, работающего на первой ячейке 6₁, в данном случае имеет место воздействие второго затвора, работающего на второй ячейке 6₂, с амплитудным пропусканием T₂(t+τ₂), пропорциональным E₂(t+τ₂).

На выходе распределение интенсивности сформированного сигнала регистриурется фотоэлектрически с последующей обработкой на ЭВМ или фотографически с последующим фотометрированием и обработкой. Регистрируемое распределение интенсивности имеет вид

Соотношения интенсивностей сигналов I₁(t), I₂(t) и I₃(t) в каналах схемы можно описать коэффициентами r₁, r₂ и r₃
I₁(t)=r₁I(t), I₂(t)=r₂I(T), I₃(t)=r₃I(t).

Получаем, что на выходе регистрируется функция корреляции третьего порядка для распределения во времени интенсивности исследуемого сигнала. Анализ полученной картины, представляющей функцию корреляции третьего порядка для ячеек затворов с линейным электрооптическим эффектом, выполняется с использованием известных методов [2] с. 163-164. [4] В зарегистрированной картине для

осуществляется переход к спектральному представлению

Анализ зависимости I $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(3)}}{\text{ω}}$ (ω₁, ω₂) от ω₁ при условии ω₂=0 позволяет получить информацию о модуле спектра сигнала

Амплитуды спектральных компонент сигнала определяются с точностью до постоянной I_ω(0), которая в конечном итоге задается шкалой, в которой измеряется интенсивность.

Анализ поведения мнимой части производной I $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(3)}}{\text{ω}}$ (ω₁, ω₂) по ω₂ при выполнении ряда условий ω₂=0 начало отсчета фазы определяется выражением ψ(0)=0, начало отсчета времени t₀, описывается выражением ψ′(0)=t_o=0 дает

Это позволяет определить ψ′(ω₁) и, следовательно ψ(ω). На основании величин модуля спектры

и фаз спектральных компонент j(ω) рассчитывается зависимость интенсивности сигнала от времени в виде обратного преобразования Фурье.

Таким образом, в результате обработки полученной информации известными методами однозначно получается структура исследуемого однократного сверхкороткого оптического сигнала в виде зависимости интенсивности от времени. Кроме того при определенных условиях (средняя величина сигнала помех равна нулю <N>=0 и/или симметричная структура плотности вероятности p(N) распределение помех)) снижается роль случайных аддитивных помех, чего не было при работе с устройствами, в которых формировались функции корреляции второго порядка [2] с. 162-163).

В рассматриваемой схеме, как отмечалось могут использоваться в качестве затворов электрооптические ячейки, работающие на основе квадратичного электрооптического эффекта. В этом случае аналогичный анализ дает следующее.

Различия в показателях преломления Δn₁ и Δn₂ между показателями для необыкновенных n_el, n_e2 и обыкновенных n_o1, n_o2 лучей равны соответственно

где λ длина волны используемого излучения, B₁ и B₂ - электрооптические постоянные материалов ячеек.

Для анализируемого сигнала Е₃(t) имеет место воздействие двух ячеек для затворов с изменяющимися во времени пропусканиями T₁(t+τ₁) и T₂(t+τ₂), пропорциональными E $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{1}}$ (t+τ₁) и E $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{2}}$ (t+τ₂) соответственно. Регистрируемое распределение интенсивности, несущее полезную информацию о структуре сигнала, с учетом малости изменений показателей преломления с точностью до несуществующих постоянных множителей описывается выражением

При введении коэффициентов r₁, r₂ и r₃, описывающих соотношения интенсивностей сигналов I₁(t), I₂(t) и I₃(t) в каналах схемы, распределение интенсивности имеет вид, близкий по структуре к функции корреляции пятого порядка

при выполнении условий

то есть описывается вырожденнной двумерной функцией корреляции пятого порядка.

Обработка результатов по сравнению с функцией корреляции третьего порядка в этом случае несколько усложняется. Переход к спектральному представлению для I⁽⁵⁾(τ₁,τ₂,τ₃,τ₄) дает

С учетом вида интегралов, описывающих преобразование Фурье для интенсивности I(t+τ_k), и условий τ₁=τ₂, τ₃=τ₄, что приводит к соотношениям ω₁=ω₂, ω₃=ω₄, получаем

Анализ зависимости I $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(5)}}{\text{ω}}$ (ω₁, ω₃) от ω₃ при выполнении условия ω₃=-ω₁ и с учетом эрмитовости выражения для спектра позволяет получить распределение амплитуд в спектре сигнала

где

определяется по измеренному распределению интенсивности для функции корреляции I⁽⁵⁾(τ₁, τ₃), a I_ω(0) определяется шкалой измерения интенсивности спектральных компонент.

Анализ поведения мнимой части производной I $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(5)}}{\text{ω}}$ (ω₁, ω₃) по ω₃ при выполнении условия ω₃=-ω₁ с учетом начала отсчета фазы ψ(0)=(0), начала отсчета времени t_o(ψ′(0)=t_o=0) и эрмитовой сопряженности при описании спектра, дает

и

где

определяются по измеренному распределению интенсивности в функции корреляции пятого порядка I⁽⁵⁾(τ₁, τ₃). Структура сигнала I(t) при вычисленных амплитудах

и фазах ψ(ω)) спектральных компонент определяется обратным преобразованием Фурье.

Анализ роли аддитивных случайных стационарных помех может быть выполнен аналогично тому, как это рассмотрено выше для корреляционной функции третьего порядка.

В варианте схемы с затворами с насыщающимся поглощением не требуется применение поляризаторов. Пропускание затворов определяется действующими интенсивностями излучения и описывается формулами

где α_o/ коэффициент поглощения материала затвора без действия излучения, I_s интенсивность излучения, обеспечивающая насыщение поглощения, и, следовательно, предельное открывание затвора. Следует подчеркнуть, что в данном случае рассматривается пропускание фильтров - затворов для интенсивности излучения, а не для поля, как это делалось ранее. Регистрируемое распределение интенсивности, рассчитанное подобно тому, как это рассмотрено выше, имеет вид

Результат описывается более сложной функцией, чем в предыдущих вариантах схемы, но общий характер соответствует корреляционной функции третьего порядка для I₃(t), T_II(t+τ₁) и T₁₂(t+τ₂).
Выражение для I(τ₁, τ₂) может быть упрощено с учетом того, что управляющие сигналы I₁(t) и I₂(t) имеют интенсивность значительно меньшую, чем интенсивность I_s насыщения поглощения. В этом случае можно воспользоваться разложением в ряд по малому параметру I₁(t)/I_s или I₂(t)/I_s. С учетом коэффициентов r₁, r₂ и r₃, описывающих соотношения интенсивностей сигналов в каналах интерферометра, и ограничиваясь членами второго порядка малости, пропускания фильтров затворов будут описываться формулами

Регистрируемое распределение интенсивности с точностью до членов второго порядка малости и несуществующих постоянных коэффициентов будет описываться формулой

Переход к спектральному представлению в выражении для интенсивности I(τ₁, τ₂) с учетом спектрального представления корреляционных функций второго и третьего порядков дает

Исключим из рассмотрения области с ω₁, ω₂=0, тогда с точностью до несущественных постоянных множителей видим, что спектральное распределение интенсивности I_ω(ω₁, ω₂) совпадает со спектральным распределением для функции корреляции третьего порядка и описывается выражением

Анализ зависимости функции I_ω(ω₁, ω₂) от ω₁ при выполнении условия ω₂= -ω₁ позволяет определить амплитуды спектральных компонент сигнала подобно тому, как это описано выше

где

определяется из зарегистрированного распределения интенсивности

Анализ зависимости мнимой части производной I_ω(ω₁, ω₂) по ω₂ при выполнении условия ω₂=-ω₁, как и выше, позволяет определить фазы спектральных компонент сигнала. С учетом условия ψ(0)=0, характеризующего начало отсчета фазы, и принимая за начало отсчета времени t₀, определяемое условием ψ′(0)=0, получаем

где

Величины

определяются из зарегистрированного распределения интенсивности I(τ₁, τ₂). Структура I(t) при вычисленных амплитудах

и фазах j(ω))( спектральных компонент определяется обратным преобразованием Фурье.

Нужно отметить некоторую непоследовательность в расчетах

, связанную с указанным выше исключением из рассмотрения области w₁, ω₂=0 для функции I_ω(ω₁, ω₂). Дело в том, что условие ω₂ = -ω₁ с необходимостью включает значение функции I_ω(ω₁, ω₂) в точке ω₁=ω₂=0. Это обстоятельство оказывается не слишком существенным, если величина

пренебрежимо мала или равна нулю. Следует отметить, что это не относится к функции I_ω(ω), описывающей спектр сигнала, то есть деление на I_ω(0) не приводит к обращению в бесконечность величины

.

Оценка роли помех, естественно, совпадает с той, которая была сделана выше для корреляционной функции третьего порядка.

Временное разрешение устройства определяется быстродействием затвора, работающего на электрооптической ячейке ([10] с. 87-89).

Приведем некоторые численные оценки для рассмотренной схемы с затворами, работающими на основе квадратичного электрооптического эффекта. Временное разрешение dt определяемое временем срабатывания затвора t_cel имеет для жидкостного затвора на основе CS₂ величину порядка 10^-12 с при мощности управляющего оптического сигнала порядка 100 МВт ([10] с. 86-92). и для затворов на основе стекол оценивается величиной менее 10^-14 с при мощности, оцениваемой на основе величины нелинейного показателя преломления, на два порядка больше [11] ). Аналогичные оценки имеют место и для электрооптических кристаллов с квадратичным эффектом [12] Для полной длительности исследуемого сигнала t_s=10^-10 с и временного разрешения dt=10^-12 с размеры рабочей области 2х₀, 2y₀ в ячейках должны быть больше (c/n)t_s=2см и рабочая толщина области, l_z менее (c/n)dt=0,2 мм. Регистрация должна выполняться c разрешением не хуже 0,2 мм. Для временного разрешения dt порядка 10^-14 с толщиной рабочей области ячейки l_z должна быть менее 0,002 мм и разрешение также лучше 0,002 мм.

Для затворов, работающих на основе линейного электрооптического эффекта и насыщающегося поглощения, оценки носят характер близкий к тому, который приведен выше для стекол и кристаллов [5]

Claims (1)

1. Устройство для определения характеристик однократных сверхкоротких импульсов лазерного излучения, включающее канал исследуемого сигнала с телескопической системой, канал управляющего сигнала с ячейкой-затвором и систему регистрации для функции корреляции, отличающееся тем, что устройство выполнено в виде трехмерной объемной структуры, дополнительно содержит второй канал управляющего сигнала с ячейкой-затвором, ячейки-затворы в управляющих каналах установлены так, что их открывание происходит во взаимно перпендикулярных направлениях, направление распространения исследуемого сигнала перпендикулярно плоскостям ячеек-затворов, в каналах управляющих сигналов перед ячейками-затворами установлены астигматические телескопические системы расширения пучков, при этом система регистрации для функции корреляции выполнена двумерной.

Images