Приборы и техника эксперимента, 2021, № 1, стр. 142-145

ВВЕДЕНИЕ

Хронографические электронно-оптические камеры (э.о.к.) с линейной разверткой (стрик-камеры) находят широкое применение в исследованиях световых быстропротекающих процессов, поскольку позволяют проводить их прямые временные измерения [1]. Существенное значение приобретает время срабатывания камеры, особенно при регистрации однократных процессов [2]. В данной работе на примере э.о.к. PS-1/S1, разработанной в ИОФ РАН и широко используемой в физическом эксперименте [1, 3], описана методика измерения ее времени срабатывания для нескольких длительностей развертки.

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Время срабатывания э.о.к. – это интервал между моментом прихода запускающего электрического импульса и моментом появления развертки на экране камеры. Момент появления развертки можно установить, например, с помощью зарегистрированного в начале развертки светового короткого импульса, что и даст возможность оценить время срабатывания камеры.

Авторами работы [2] для определения времени срабатывания э.о.к. применена ртутная лампа-вспышка ДРШ350-2. Эта лампа-вспышка формирует световой импульс с длительностью фронта ~300 нс [2], что вносит большую неопределенность в отсчет момента появления импульса на экране камеры, особенно на коротких развертках (≤10 нс), и, как следствие, большую погрешность в измерения времени срабатывания э.о.к.

Источником импульсов света с более коротким фронтом могут быть, например, полупроводниковые лазерные диоды. Современные серийно выпускаемые лазерные диоды имеют длительность фронта 0.1–1 нс.

В нашей работе для измерения времени срабатывания э.о.к. используется лазерный диод и генераторы импульсов И1-11 и Г5-78. На рис. 1 представлена схема измерения времени срабатывания камеры PS-1/S1 для длительностей разверток 0.2, 2, 10, 20 нс. В данной схеме генератор И1-11 работает в режиме внутреннего однократного запуска и формирует электрические импульсы длительностью 0.1–10 мкс с длительностью фронта ≤1 нс, амплитудой ≥20 В на нагрузке 50 Ом. Генератор Г5-78 формирует электрические импульсы длительностью 1–300 нс с длительностью фронта 0.5–50 нс, амплитудой 0–5 В на нагрузке 50 Ом и запускает лазерный диод с длиной волны излучения 635 нм и выходной мощностью 5 мВт.

Генератор И1-11 формирует выходной импульс и синхроимпульс, запускающие соответственно развертку э.о.к. (точка А) и генератор Г5-78. Сигнал в точке А регистрируется каналом C1 осциллографа. Выходной импульс генератора Г5-78 поступает на лазерный модуль. Резистор R₁ обеспечивает согласование выходного тракта генератора Г5-78, а резистор R₂ формирует рабочий ток лазерного диода. Сигнал, полученный на резисторе R₂ (точка Б), регистрируется каналом C2 осциллографа.

Сфокусированное линзой 4 излучение лазерного диода попадает на фотокатод э.о.к. Величина задержки выходного синхроимпульса генератора Г5-78 подбирается таким образом, чтобы изображение лазерного импульса появлялось на экране камеры в начале развертки. Это изображение считывается и обрабатывается п.з.с.-камерой и записывается на компьютере.

Для определения времени срабатывания э.о.к. были проведены: измерения задержки электрического импульса пуска лазерного диода, расчет и измерение времени срабатывания лазерного диода (методика описана в [4, 5]), расчеты и измерения оптической задержки лазерного импульса и задержки изображения оптического импульса на экране э.о.к. относительно начала установленной развертки. Кроме того, (это важно для коротких разверток длительностью ≤1 нс) необходимо учитывать разность задержек измерительных трактов каналов C1 и C2 осциллографа и длин соединительных кабелей (10  и 11 на рис. 1).

Таким образом, исходя из вышесказанного можно записать формулу для расчета времени срабатывания t_ср э.о.к.:

Здесь t_з.л.д. – задержка электрического импульса пуска лазерного диода относительно пускового импульса камеры; t_ср.л.д. – время срабатывания лазерного диода; t_о.з. – оптическая задержка лазерного импульса в воздухе и линзе; t_к.ос. – разность времен срабатывания каналов C1 и C2 осциллографа; t_р – задержка изображения лазерного импульса на экране э.о.к. относительно начала установленной развертки.

Задержка между электрическими импульсами t_з.л.д. измерялась осциллографом в точках А и Б (см. рис. 1) в момент появления изображения лазерного импульса в начале развертки э.о.к. Порог срабатывания пуска э.о.к. PS-1/S1 равен 2 В. На рис. 2 представлены осциллограммы импульсов пуска развертки э.о.к. и лазерного диода, полученных при работе камеры на развертке длительностью 2 нс. Задержка t_з.л.д между импульсами составила 44.444 нс. Время срабатывания лазерного диода t_ср.л.д. измерялось и рассчитывалось по методике, описанной в [4, 5], и составило 1.150 нс. Оптическая задержка лазерного импульса в воздухе и линзе t_о.з. рассчитывалась по измеренной длине оптического пути лазерного импульса от диода до фотокатода э.о.к. с учетом показателя преломления материала фокусирующей линзы и ее толщины и составила 0.25 нс. Поскольку канал С1 срабатывает на 0.335 нс раньше канала С2, в вышеприведенной формуле t_к.ос. вычитается. Время t_р определяется из полученного на экране э.о.п. развернутого изображения зарегистрированного лазерного импульса по формуле:

где L_и, мм – расстояние между точками, соответствующими началу развертки и значению амплитуды лазерного импульса, измеренной по уровню 0.1; L_р, мм – длина развертки на экране э.о.к.; T_р, нс – длительность установленной развертки.

Погрешность измерения длительностей разверток э.о.к. и их нелинейность, как правило, составляют ~10% каждая. Погрешность измерения расстояний L_и и L_р зависит от системы считывания и обработки изображений и в нашем случае меньше 1%. Таким образом, результирующая погрешность измерения задержки лазерного импульса на экране камеры равна ~11%.

Для повышения точности определения t_р была проведена калибровка длительностей разверток э.о.к. Излучение фемтосекундного лазера Tsunami (длина волны 800 нм, длительность импульса 30 фс, частота повторения 75.3 МГц) пропускалось через установленную перед камерой пару зеркал с коэффициентом отражения ~99% каждое при известном расстоянии между ними (аналог интерферометра Фабри–Перо). По полученным таким образом калибровочным меткам можно измерить длительность и нелинейность конкретной развертки. Зарегистрированное изображение меток считывалось и обрабатывалось п.з.с.-камерой и запоминалось на компьютере (рис. 3а).

Далее, для выбранной развертки эопограмму с изображением меток необходимо совместить с ранее зарегистрированным и обработанным изображением импульса лазерного диода (рис. 3б) так, чтобы начало разверток совпадало (рис. 3в). В этом случае задержку светового импульса относительно начала развертки можно вычислить по формуле (рис. 4):

где t_к – период калибровочных меток; n – число полных периодов калибровочных меток от начала развертки.

При таком измерении задержки лазерного импульса относительно начала развертки погрешность установления длительностей разверток э.о.к. и их нелинейность практически сводятся к минимуму и точность определения t_p зависит от погрешности системы считывания. Для развертки 2 нс, представленной на рис. 3a и 3б, величина t_p = 0.685 нс. Необходимо отметить, что основной вклад в погрешность измерения t_p и соответственно t_ср вносит нестабильность времени срабатывания (джиттер) э.о.к., которая для камеры PS-1/S1 лежит в пределах ±15 пс [1].

Таким образом, рассчитанное и измеренное время срабатывания э.о.к. PS-1/S1 с учетом всех выше перечисленных компонентов для разверток 0.2, 2, 10, 20 нс составило соответственно 25.1, 46.2, 136.8, 223.0 нс.

Кроме того, устанавливая генератором Г5-78 соответствующую задержку выходного импульса, при которой фронт оптического импульса лазерного диода появляется в начале и в конце развертки э.о.к., можно измерять длительность развертки как разность задержек импульсов, измеренных в точке Б.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная методика измерения времени срабатывания хронографических э.о.к. с использованием серийного лазерного диода и генераторов И1-11, Г5-78 позволяет измерять время срабатывания как на коротких (≤0.5 нс), так и на длинных развертках (≥1 мкс).