DE3926945A1 - Vorrichtung zum messen der dauer einzelner kurzer optischer strahlungsimpulse - Google Patents
Vorrichtung zum messen der dauer einzelner kurzer optischer strahlungsimpulseInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Vorrichtung
zum Messen der Dauer einzelner kurzer optischer Strah
lungsimpulse, insbesondere Laserstrahlungsimpulse,
mittels Autokorrelation und Mehrphotonen-, insbesondere
Zweiphotonenionisation, mit
- - einer Strahlteilereinrichtung, die aus dem Lichtstrah lungsimpuls zwei kohärente Teilimpulse erzeugt, welche sich längs zweier Teilstrahlengänge ausbreiten, die beide durch einen Meßbereich gehen,
- - einem im Meßbereich angeordneten Photoioni sationsdetektor, der eine Kollektorelektrodenanordnung und eine Gegenelektrodenanordnung enthält, an denen ein elektrisches Ausgangssignal zur Verfügung steht, das von der Anzahl der Ladungsträger abhängt, die durch die Strahlung im Meßbereich erzeugt wird und
- - einem an die Elektrodenanordnungen angeschlossenen Meßsystem.
Eine solche Vorrichtung ist aus der Veröffentlichung
von Bourne et al, Rev. Sci. Instrum. 57 (12), Dezember
1986, S. 2979 bis 2982 bekannt. Bei dieser bekannten
Vorrichtung werden die beiden Teilimpulse mit entgegenge
setzten Richtungen kollinear durch einen Zweiphotonen-
Ionisationsdetektor geleitet und erzeugen in diesem
eine Ladungsverteilung, die eine gute Repräsentation
der Autokorrelationsfunktion des Intensitätsprofils
der beiden Teilimpulse darstellt. Der Ionisationsdetektor
bildet eine Art von Drift-Röhre, längs der ein elek
trisches Feld erzeugt wird, das die Elektronen aus
der Ladungsverteilung zu einer Kollektorelektrode
transportiert, an der dadurch ein elektrisches Signal
entsteht, dessen zeitlicher Verlauf der räumlichen
Ladungsverteilung und damit der Autokorrelationsfunktion
des Intensitätsprofils des Strahlungsimpulses entspricht.
Der Meßbereich ist nach oben durch die Länge der Drift
röhre auf etwa 600 ps und nach unten durch die effektive
beschränkt.
Aus der Veröffentlichung von Janszky et al, Optics
Communications, Band 23, No. 3, Dezember 1977, S. 293
bis 298 ist es bekannt, die Dauer von einzelnen Piko
sekunden- und Subpikosekunden-Lichtimpulsen durch
Erzeugung der zweiten Harmonischen mittels nicht-kol
linearer, sich schneidender Strahlen in einem einaxialen,
nichtlinearen Kristall zu messen. Dieses Meßverfahren
läßt sich nicht für Strahlung im UV-Bereich verwenden,
da hierfür keine geeigneten nichtlinearen optischen
Materialien zur Verfügung stehen.
Aus der Veröffentlichung von Szatmäri et al, Optics
Communications, Band 68, No. 3, 1. Oktober 1988,
S. 196 bis 202 ist es bekannt, die Dauer von Subpiko
sekunden- Laserstrahlungsimpulsen durch Autokorrelation
und Zweiphotonenionisation eines Gases, nämlich NO,
zu messen. Hierfür werden mittels eines Michelson-Inter
ferometers zwei Versionen des Eingangsimpulses erzeugt,
die dann in einer Ionisationszelle einander überlagert
werden. Durch Verschiebung eines Spiegels des Interfero
meters läßt sich die zeitliche Lage der beiden Impulse
in Bezug aufeinander ändern, und man kann dadurch
die Autokorrelationsfunktion aufzeichnen. Bei diesem
Verfahren bestehen zwar keine prinzipiellen Beschrän
kungen hinsichtlich der Wellenlänge und der Dauer
der Impulse; für die Messung der Dauer einzelner Licht
impulse ist dieses Verfahren jedoch nicht geeignet,
da für die Gewinnung der Autokorrelationsfunktion
eine größere Anzahl von Lichtimpulsen benötigt wird.
Als Meßgase für die Photoionisation, insbesondere
Zweiphotonenionisation (TPI), stehen für die verschiedenen
Wellenlängen unterschiedliche Meßgase zur Verfügung,
zum Beispiel ternäre Amine, wie Trimethylamin (Bourne
et al., 1. c.) und Triethylamin, NO (Szatmäri et al.,
1. c.), 1,4-Diazabicyclo-(2.2.2)octan u. a. m.
Die vorliegende Erfindung löst durch die kennzeichnen
den Merkmale des Patentanspruchs 1 die Aufgabe, eine
gattungsgemäße Vorrichtung dahingehend weiterzubilden,
daß die Dauer und gewünschtenfalls das Profil von
Lichtimpulsen mit weniger Beschränkungen hinsichtlich
der Dauer und der Wellenlänge gemessen werden können
als bisher.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der
erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand von
Unteransprüchen.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung erlaubt die Messung
der Dauer von optischen Strahlungsimpulsen, insbesondere
Laserstrahlungsimpulsen bis herunter in den Femtosekunden
bereich und ist auch für Wellenlängen im UV-Bereich
geeignet. Die Vorrichtung ist sehr empfindlich, so
daß nur ein Bruchteil der Energie des Lichtimpulses
für die Messung abgezweigt zu werden braucht. Durch
Änderung des Winkels zwischen den beiden Teilstrahlen
läßt sich der Zeitbereich mindestens von etwa 50 fs
bis etwa 50 ps erstrecken. Bei Verwendung geeigneter
Meßgase ist die vorliegende Vorrichtung z.B. für
Wellenlängen im Bereich von etwa 200 nm bis 500 nm
geeignet.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Vorrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer prinzipiellen
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrich
tung;
Fig. 2 eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines
Photoionisations-Detektors gemäß der Erfindung;
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer elektronischen Schaltung
für die Verarbeitung der Ausgangssignale des
in Fig. 2 dargestellten Detektors;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer bevorzugten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
und
Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf eine Kollektor
elektrodenanordnung eines erfindungsgemäßen
Photoionisations-Detektors, der bei der Vorrichtung
gemäß Fig. 4 verwendet werden kann.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen der Dauer
einzelner kurzer optischer Strahlungsimpulse mittels
Autokorrelation und Mehrphotonenionisation, insbesondere
Zweiphotonenionisation (TPI), besteht im wesentlichen
aus einer optischen Einrichtung, die aus einem impuls
förmigen, also in Ausbreitungsrichtung relativ eng
begrenzten Eingangslichtbündel zwei kohärente Teilbündel
erzeugt, die sich in einem vorgegebenen Bereich zeitlich
und örtlich überlappen, und aus einem am Ort der Über
lappung angeordneten Photoionisations-Detektor.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der
vorliegenden Vorrichtung ist die die beiden sich überlap
penden Teilbündel erzeugende optische Einrichtung
ein Interferometer, und zwar im speziellen ein "dejustier
tes" Mach-Zehnder-Interferometer, welches einen ersten,
als Bündelteiler wirkenden, halbdurchlässigen Spiegel
BS1, zwei möglichst vollständig reflektierende Spiegel
M1, M2 und einen zweiten halbdurchlässigen Spiegel
BS2 enthält. Das aus einem kurzen Lichtimpuls 10 bestehen
de Eingangslichtbündel fällt längs eines Eingangsstrahlen
ganges 12 auf den halbdurchlässigen Spiegel BS1, der
ein erstes Teilbündel 14 und ein zweites Teilbündel
16 erzeugt, die sich längs entsprechender Teilbündel-
Strahlengänge 18 bzw. 20 ausbreiten. Die Spiegel BS1,
M1, M2, BS2 sind, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist,
so angeordnet, daß der durch den teildurchlässigen
Spiegel BS2 gehende Teil 18a des Teilstrahlenganges 18
sich mit dem vom halbdurchlässigen Spiegel BS2 reflektier
ten Teil 20a des Teilstrahlenganges 20 in einer Meßzone
22 unter einem kleinen Winkel α schneiden. Insbesondere
bildet der Eingangsstrahlengang 12 mit dem Spiegel
BS1 einen Winkel, der etwas kleiner als 45 Grad ist,
und mit dem Spiegel M2 einen Winkel, der etwas größer
als 45 Grad ist. Die Spiegel BS1 und M1 sind parallel.
Der Spiegel BS2 bildet mit dem einfallenden Abschnitt
des Teilstrahlenganges 20 einen Winkel, der gleich
oder geringfügig kleiner als 45° ist. Die Meßzone
befindet sich in einer Kammer 24 eines Photoionisations-
Detektors, welche mit einem Meßgas gefüllt ist und
ein Elektrodensystem mit einer segmentierten Meß
elektrodenanordnung 26 enthält, die unter Bezugnahme
auf Fig. 2 noch näher erläutert werden wird.
Die Verwendung eines Mach-Zehnder-Interferometers
hat gegenüber einem Michelson-Interferometer, wie
es sonst bei Vorrichtungen der vorliegenden Art verwendet
wird, den Vorteil, daß es weniger Komponenten enthält
und daß die Verhältnisse (Anzahl der Reflexionen,
Brechungen usw.) für die beiden Teilbündel leicht
gleich gemacht werden können. Andererseits ist es
bei Verwendung eines Mach-Zehnder-Interferometers
für Autokorrelationsmessungen nicht so einfach wie
bei einem Michelson-Interferomter, die relative zeitliche
Lage der beiden Teilbündel zu verändern, was beim
Michelson-Interferometer einfach durch Verschieben
eines Spiegels in einem der beiden Arme des Interfero
meters durchgeführt werden kann. Beim Mach-Zehnder-Inter
ferometer kann die relative zeitliche Lage der beiden
Teilbündel in Bezug aufeinander durch synchronisierte
Bewegungen mindestens zweier Spiegel erreicht werden.
Am einfachsten läßt sich dies dadurch bewerkstelligen,
daß man einen teildurchlässigen Spiegel und einen
reflektierenden Spiegel im einen Arm des Interferometers
zusammen um eine vorgegebene Achse dreht, ohne die
Relativlage dieser beiden Elemente in Bezug aufeinander
zu verändern, also zum Beispiel BS1 und M1. Dies kann
einfach dadurch geschehen, daß man BS1 und M1 auf
einem gemeinsamen, in Fig. 1 nur schematisch dargestellten
Halter 28 montiert, der um eine Achse 30 drehbar ist,
die symmetrisch in der Mitte zwischen den spiegelnden
Flächen von BS1 und M1 liegt. Eine kleine Drehung
des Halters 28 um einen Winkel α hat dann eine Weglängen
änderung gleichen Vorzeichens an beiden Komponenten
zur Folge, während die Richtung des Ausgangsabschnittes
18a des Teilbündelstrahlenganges 18 unverändert bleibt
und dieser nur geringfügig um eine Strecke Δs verschoben
wird. Die Weglängendifferenz
D = Δd - Δs = L sin Φ - L (1 - cos Φ) (1)
wobei L die Weglänge zwischen dem Bündelteiler BS1
und dem Spiegel M1 ist. Aus Gleichung (1) ist ersicht
lich, daß die Weglängendifferenz D eine Funktion des
Winkels Φ ist. Bei kurzen Lichtimpulsen, insbesondere
ultrakurzen Laserstrahlungsimpulsen, für die die vorlie
gende Vorrichtung in erster Linie bestimmt ist, ist
die erforderliche Weglängenänderung D klein im Vergleich
zu L (beispielsweise D/L etwa gleich 3×10-3, der Wert
von Φ daher in der gleichen Größenordnung). Man kann
dann Δd und Δs wie folgt annähern:
Δd ≅ LΦ, (2)
daher
D ≅ Δd (4).
Die praktische Bedeutung der Gleichung (4) besteht
darin, daß die Weglängendifferenz D, d.h. die zeitliche
Verzögerung der beiden Teilbündel in Bezug aufeinander,
eine lineare Funktion der Einstellung einer geeignet
angeordneten, insbesondere senkrecht zur Längsrichtung
des Halters 28 wirkenden Mikrometerschraube (nicht
dargestellt) ist, durch den die Halterung 28 für das
Spiegelpaar BS1, M1 drehbar ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines Photoionisations-
Detektors 32, der hauptsächlich auf Zweiphotonenionisation
anspricht, ist in Fig. 2 etwas vereinfacht dargestellt.
Der Photoionisations-Detektor 32 enthält einen
transparenten Kolben 34, der die Kammer 24 umschließt
und mit irgendeinem geeigneten Meßgas gefüllt ist.
Die Art des Meßgases hängt von der Wellenlänge der
zu messenden Strahlung ab, und man kann irgendeines
der bekannten Meßgase mit üblichen Drücken und Konzen
trationen verwenden.
Der wesentliche Teil des Photoionisations-Detektors
32 ist ein Elektrodensystem, welches eine segmentierte
Kollektorelektrodenanordnung 36 und eine Gegenelektroden
anordnung 38 enthält. Die Kollektorelektrodenanordnung
enthält ein Array aus einer vorgegebenen Anzahl, im
vorliegenden Falle sechzehn streifenförmigen Kollektor
elektroden, die in einer parallel zur Ausbreitungsrichtung
der Teilbündel 18a, 20a verlaufenden Ebene liegen.
Die Kollektorelektroden haben bei dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel jeweils eine Abmessung von 20×1 mm
und sind durch Zwischenräume von 0,25 mm voneinander
elektrisch getrennt. Die Kollektorelektrodenanordnung
36 bedeckt eine Fläche von etwa 20×20 mm2, die
von einer 7 mm breiten, rechteckigen Schutzringelektrode
40 mit Abstand umgeben ist. Dies hat den Zweck, ein
gut definiertes elektrisches Feld in der Meßzone zu
erzeugen.
Die Gegenelektrodenanordnung 38 besteht bei dem Ausfüh
rungsbeispiel gemäß Fig. 2 aus einer einzigen drahtför
migen Feldelektrode, die mit Abstand parallel zur
Ebene der Kollektorelektrodenanordnung 36 und senkrecht
zur Längsrichtung der streifenförmigen Kollektorelektroden
verläuft. Der Abstand der die Gegenelektrodenanordnung
38 bildenden Feldelektrode von der Kollektorelektroden
anordnung (36) beträgt 2,5 mm. Die Kollektorelektroden
anordnung und die Schutzringelektrode sind auf einem
Keramikplättchen oder einem anderen geeigneten
isolierenden Träger angeordnet und elektrisch über
Durchführungsdrähte 44 mit Sockelstiften 46 verbunden,
die zum Anschluß einer in Fig. 2 dargestellten Signal
verarbeitungselektronik dienen.
Der Kolben 34 hat Ansätze 34a, 34b, die durch Fenster
48a, 48b abgeschlossen sind. Der Kolben 34 kann ferner
mit nicht dargestellten Leitungsanschlüssen oder einem
Pumpstutzen zur Evakuierung und Füllung mit dem Arbeits
gas versehen sein.
Wie Fig. 2 schematisch zeigt, ist jede streifenförmige
Kollektorelektrode der Kollektorelektrodenanordnung
36 mit einem eigenen Arbeitswiderstand 42, der einen
Widerstandswert von 44 Megohm haben kann und einem
als Impedanzwandler dienenden Vorverstärker 50 verbunden.
Die Feldelektrode 38 wird im Betrieb auf einer Gleichspan
nung von -250 Volt gehalten. Die Längsrichtung der
streifenförmigen Kollektorelektroden der Kollektorelek
trodenanordnung 36 verläuft parallel zur Ebene, die
den Winkel zwischen den beiden Teilbündeln 18a, 20a
halbiert. Die drahtförmige Feldelektrode verläuft
in der Mitte der Kollektorelektrodenanordnung 36 parallel
zu dieser und senkrecht zur Längsrichtung der streifen
förmigen Kollektorelektroden. Die Verwendung einer
drahtförmigen Feldelektrode hat den Vorteil, daß in
diesem Falle die Feldstärke ein Maximum an der Feldelek
trode gerade in der Mitte der Kollektorelektrodenanord
nung aufweist. Es werden daher hauptsächlich diejenigen
Elektronen gesammelt, die in Längsrichtung gesehen
in der Mitte der Kollektorelektrodenanordnung erzeugt
werden, also in der Meßzone 22, was die Empfindlichkeit
der Einjustierung der Richtung der Kollektorelektroden
bezüglich der Strahlungsbündel verringert. Bei der
auch möglichen Verwendung einer flächig ausgedehnten
Feldelektrode ist die Einjustierung des Detektors
kritischer, andererseits ist die Empfindlichkeit gegen
räumliche Inhomogenitäten der Strahlung geringer.
Auf dies Problem wird weiter unten noch näher eingegangen.
Die Anzahl der Kollektorelektroden der Kollektorelek
trodenanordnung 36 wird durch die Kanalzahl eines
in der Verarbeitungselektronik 52 (Fig. 3) enthaltenen
Multiplexers 54 bestimmt und ist hier gleich 16. Das
Problem, das sich durch die auf 16 beschränkte Anzahl
der Meßpunkte für die Autokorrelationskurven ergibt,
läßt sich durch geeignete Anpassung der Breite der
Autokorrelationskurve an das Zeitfenster für die Messung
beherrschen. Das Zeitfenster T ist die Zeitspanne,
während der sich die beiden Lichtimpulse der Teilstrahlen
gänge in der Meßzone 22 überlagern. Es kann gezeigt
werden, daß das Messungs-Zeitfenster durch die folgende
Gleichung bestimmt ist:
wobei c die Lichtgeschwindigkeit, l die Breite der
Kollektorzone gemessen in Richtung der drahtförmigen
Gegenelektrode 38 und α der Winkel zwischen den beiden
Teilbündelstrahlengängen 18a, 20a ist. Das Zeitfenster
T kann also durch Änderung des Winkels α kontinuierlich
geändert werden.
Ein Beispiel für typische Betriebsbedingungen ist
in Fig. 6 dargestellt. Hier ist die Autokorrelations
breite Δτ ungefähr gleich 1/3 des Zeitfensters, was
für eine vorgegebene Lichtimpulsdauer durch geeignete
Wahl des Zeitfensters T erreicht werden kann. Für
das optimale Verhältnis T ≅ 3 Δτ und einen Impuls,
der durch eine Autokorrelationsbreite Δτ charakterisiert
ist, ist der optimale Wert von α:
Die elektronische Schaltung zur Verarbeitung der Signale
von der Kollektorelektrodenanordnung 36 ist in Fig. 3
dargestellt. Es war bereits erwähnt worden, daß jede
der sechzehn Kollektorelektroden der Kollektorelek
trodenanordnung 36 mit einem Arbeitswiderstand 42
und dem Eingang eines Vorverstärkers 50 verbunden
ist. Die Vorverstärker sind Operationsverstärker mit
JFET-Eingang, sie arbeiten als nichtinvertierende
Impedanzwandler mit dem Verstärkungsfaktor 1. Die
Vorverstärker bestehen hier aus vier integrierten
Schaltkreisen TL084, die jeweils vier Verstärker enthalten
und so nahe wie möglich bei der Kollektorelektrodenan
ordnung 36 angeordnet sind (also z.B. an der Unterseite
des Substrats der Kollektorelektrodenanordnung 36),
um die Kopplungskapazitäten sowie die Empfindlichkeit
gegen elektromagnetische Störungen klein zu halten.
Die Ausgänge der Verstärker sind mit einem etwa 2 m
langen Kabel, das auch die Versorgungsleitungen enthält,
mit der Verarbeitungselektronik 52 verbunden. Die
Photoionisationsdetektoranordnung kann dadurch unabhängig
von der Verarbeitungselektronik bewegt werden und
es ist ein sehr niedriger Störpegel gewährleistet.
Die Ausgänge der Verstärker 50 sind über das Kabel
56 mit den Eingängen des 16-Kanal-Multiplexers 54
(CMOS-Analogmultiplexer ADG 506 AKN) verbunden. Die
vier binären Adresseneingänge des Multiplexers sind
mit einem Binärzähler 58 gekoppelt. Der Binärzähler
58 wird durch einen Auslöseimpuls gestartet, der ihm
über ein Verzögerungsglied 60 von der Lichtimpulsquelle
zugeführt wurde, die im vorliegenden Falle aus einem
KrF-Excimer-Laser bestand. Der verzögerte Auslöseimpuls
und das die zeitlich verschachtelte Ausgangssignal
vom Multiplexer 54 werden einer Anzeigeeinrichtung
in Form eines Speicheroszillographen 62 zugeführt.
Vor dem Beginn der Autokorrelationsmessungen wird
die Vorrichtung so justiert, daß sich die beiden Teilbün
del in der Meßzone vollständig zeitlich überlappen.
Dies wird mit einer Lochblende geprüft, die ein 0,8 mm
großes Loch hat und in der Mitte des Eingangsstrahlungs
bündels direkt vor dem Interferometer angeordnet wird.
Genauere Untersuchungen zeigen, daß das räumliche
Auflösungsvermögen des Photoionisations-Detektors
bei dem üblichen Abstand d=2,5 mm der Feldelektrode
38 von der Kollektorelektrodenanordnung 36 sich nicht
wesentlich ändert, wenn eine etwas kleinere Feldelektro
denspannung als U=-250 Volt verwendet wird. Etwas
mehr hängt das Auflösungsvermögen vom Abstand der
durch die Lochblende begrenzten Meßstrahlungsbündel
von der Feldelektrode 38 ab. Die Auflösung nimmt ab,
wenn die Meßstrahlungsbündel an die Feldelektrode
angenähert werden. Dies ist besonders ausgeprägt bei
größeren Abständen der Feldelektrode von der Kollektor
elektrodenanordnung 36. Ein Elektrodenabstand d=2,5 mm
hat sich als zweckmäßig erwiesen, da hier dieser Effekt
am kleinsten ist.
Ein Problem, das bei der einfachen Ausführungsform
gemäß Fig. 1 auftritt, ist die Abhängigkeit der Form
der Autokorrelationskurve von der Intensitätsverteilung
im Strahlungsbündel. Zwei Maßnahmen, die zur Verringerung
dieser Abhängigkeit beitragen, sind in Fig. 4 und
5 dargestellt.
Fig. 4 zeigt in Seitenansicht eine bevorzugte Ausführungs
form der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die der Ausfüh
rungsform gemäß Fig. 1 im Prinzip entspricht, sich
jedoch in zwei Merkmalen von dieser unterscheidet.
Erstens ist im Eingangsstrahlengang 12 eine Zylinderlinse
70 vorgesehen, welche das Strahlungsbündel in vertikaler
Richtung, also senkrecht zur Ebene der Kollektorelek
trodenanordnung 36 so fokussiert, daß die ganze Strah
lung durch den Zwischenraum zwischen der Kollektorelek
trodenanordnung 36 und der im Abstand über dieser
angeordneten Gegenelektrodenanordnung 38 hindurchgeht.
Die einzelnen Kollektorelektroden integrieren dadurch
die Intensität über die ganze Höhe des Strahlungsbündels
während bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 nur ein
2,5 mm hoher Bereich der insgesamt etwa 8 mm hohen
Strahlungsbündel erfaßt wurde. Hierdurch werden also
Ungleichmäßigkeiten der Strahlintensität in vertikaler
Richtung weitgehend unschädlich gemacht.
In horizontaler Richtung läßt sich der unerwünschte
Einfluß von Ungleichmäßigkeiten der Strahlintensität
durch die in Fig. 5 dargestellte abgewandelte Geometrie
der Detektoranordnung wesentlich verringern. Angenommen,
die von der Kollektorelektrodenanordnung 36 eingenommene
Fläche ist ganz im Überlappungsbereich der beiden
Teilbündel 18a, 20a, und die zeitliche Relation der
beiden Lichtimpulse ist so, daß sich das Maximum der
Autokorrelationsfunktion in der Mitte der Kollektorelek
trodenanordnung ergibt. Nimmt man ferner an, daß das
Eingangslichtbündel eine Stelle erhöhter Intensität
("heiße Stelle") enthält, dessen Lage in den beiden
Teilbündeln durch gestrichelte Linien dargestellt
ist, so resultiert ein entsprechendes Maximum des
elektrischen Signals von der mit X bezeichneten Kollektor
elektrode, wenn die Sammlung der Elektronen in einer
Ebene A stattfindet, also dort eine einzige drahtförmige
Feldelektrode angeordnet ist.
Wenn man andererseits die Elektronen in einer Ebene
B sammelt, d.h. eine drahtförmige Feldelektrode dort
angeordnet, so ändert sich die Position der Stellen,
an denen ein erhöhtes elektrisches Signal infolge
der "heißen Stellen" in den Teilbündeln auftritt,
während das Maximum der Autokorrelationsfunktion unver
ändert in der Mitte der Kollektorelektrodenanordnung
verbleibt. Wenn man also mehrere getrennte Feldelektroden
38a, 38b, 38c (Fig. 4) vorsieht, die unabhängig
voneinander eingeschaltet werden können, kann man
eine räumliche Integration der Intensitätsverteilung
quer über die Strahlungsbündel erreichen, ohne daß
die zeitliche Auflösung beeinträchtigt wird. Bei Anwendung
dieser Maßnahme muß gewährleistet sein, daß die Längs
richtung der Kollektorelektroden der Kollektor
elektrodenanordnung 36 genau parallel zur Winkel
halbierenden zwischen den Teilbündeln 18a, 20a verläuft.
Der maximale Abstand der zusätzlichen Feldelektroden
von der Ebene A ist durch die begrenzte räumliche
Kohärenz der Strahlung bestimmt.
Bei einer praktischen Ausführungsform zur Messung
der Dauer von ultrakurzen Laserstrahlungsimpulsen
einer Wellenlänge von 248 nm und einer Dauer von etwa
450 fs wurde als Meßgas NO bei einem Druck von etwa
1,33×105 Pa (100 Torr) verwendet. Der Winkel α betrug
etwa 5 Grad.
Die Genauigkeit der vorliegenden Vorrichtung wurde
durch Vergleich mit Mehrschuß-Wellenlängenmessungen
geprüft und hat sich als zufriedenstellend erwiesen.
Messungen im Wellenlängenbereich zwischen 200 nm und
500 nm wurden mit geeigneten bekannten Gasen mit Erfolg
durchgeführt. Durch Anderung des Winkels zwischen
den beiden Teilbündeln konnte die Dauer von Laserstrah
lungsimpulsen im Bereich von 50 fs bis 50 ps gemessen
werden.
Die Auflösung läßt sich durch Verwendung von mehr
als sechzehn Kollektorelektroden und eines Multiplexers
mit mehr als sechzehn Kanälen erhöhen.
Claims (16)
1. Vorrichtung zum Messen der Dauer einzelner kurzer
optischer Strahlungsimpulse, insbesondere Laserstrahlungs
impulse, mittels Autokorrelation und Mehrphotonen
ionisation, mit
- - einer Strahlteilereinrichtung (BS1, BS2, M1, M2), die aus einem Eingangs-Lichtstrahlungsimpuls (10) zwei kohärente Teilimpulse (14, 16) erzeugt, welche sich längs zweier Teilstrahlengänge (18, 20) ausbrei ten, die jeweils einen durch einen Meßbereich (22) gehenden Abschnitt (18a, 20a) enthalten,
- - einem den Meßbereich (22) enthaltenden Photoioni sationsdetektor, der eine Kollektorelektrodenanord nung (36) und eine Gegenelektrodenanordnung (38) enthält, an denen ein elektrisches Ausgangssignal zur Verfügung steht, das von der Anzahl der im Meßbe reich erzeugten Ladungsträger abhängt, und
- - einem an die Elektrodenanordnungen (36, 38) angeschlos senen Meßsystem (42, 50, 52, 62),
dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektrodenanord
nung (36) eine Anzahl paralleler, streifenförmiger,
voneinander elektrisch getrennter Kollektorelektroden
enthält, die in einer zu den beiden Teilstrahlengang
abschnitten (18a, 20a) im Meßbereich (22) im wesentlichen
parallelen Ebene liegen und in Längsrichtung im wesent
lichen in Richtung der durch den Meßbereich (22) gehenden
Teilstrahlengangabschnitte (18a, 22a) verlaufen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Strahlteilereinrichtung so ausgebildet ist,
daß sich die Teilstrahlengangabschnitte (18a, 20a) im Meßbereich (22) unter einem spitzen Winkel schneiden, und
daß die Längsrichtung der Kollektorelektroden im wesentlichen parallel zur Winkelhalbierenden des Winkels zwischen den beiden sich schneidenden Abschnitten der Teilstrahlengänge ist.
daß die Strahlteilereinrichtung so ausgebildet ist,
daß sich die Teilstrahlengangabschnitte (18a, 20a) im Meßbereich (22) unter einem spitzen Winkel schneiden, und
daß die Längsrichtung der Kollektorelektroden im wesentlichen parallel zur Winkelhalbierenden des Winkels zwischen den beiden sich schneidenden Abschnitten der Teilstrahlengänge ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Gegenelektrodenanordnung (38) min
destens eine Feldelektrode enthält, welche im Meßbereich
(22) im Abstand von der Kollektorelektrodenanordnung
(36) und im wesentlichen parallel zu dieser verläuft.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Feldelektrode drahtförmig ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Feldelektrodenanordnung (38) mindestens zwei
parallel zueinander verlaufende, drahtförmige Feldelek
troden (38a, 38b) enthält.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gegenelektrodenanordnung eine drahtförmige
Feldelektrode (38b) enthält, die in der Schnittebene
(A, Fig. 5) der beiden Abschnitte (18a, 20a) der Teil
strahlengänge im Meßbereich angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gegenelektrodenanordnung min
destens eine drahtförmige Feldelektrode (38a, 38c)
enthält, die im Abstand von der Schnittebene (A, Fig. 5)
der beiden Abschnitte Teilbündel (18a, 20a) der Teil
strahlengänge angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch eine Zylinderlinse (70), welche
die Strahlung der Teilimpulse im Meßbereich (22) in
Richtung senkrecht zur Ebene der Kollektorelektrodenanord
nung (36) fokussiert.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zylinderlinse (70) im Strahlengang (12) vor
der Strahlteilereinrichtung angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilereinrichtung
nach Art eines Mach-Zehnder-Interferometers mit zwei
halbdurchlässigen Spiegeln (BS1, BS2) und zwei vollreflek
tierenden Spiegeln (M1, M2) ausgebildet ist, wobei
die Spiegel so angeordnet sind, daß sich die austretenden
Abschnitte (18a, 20a) Teilstrahlengänge (18, 20) im
Meßbereich (22) unter einem spitzen Winkel schneiden.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß ein teildurchlässiger Spiegel und ein vollreflek
tierender Spiegel auf einem gemeinsamen, drehbar gelager
ten Träger (28) angeordnet sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß auf dem gemeinsamen Träger (28) der in Ausbreitungs
richtung des Strahlungsimpulses erste teildurchlässige
Spiegel (BS1) und der vollreflektierende Spiegel (M1),
der in dem von diesem teildurchlässigen Spiegel reflek
tierten Teilstrahlengang (18) liegt, angeordnet sind.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsystem einen Multi
plexer (54) enthält; daß die Kollektorelektroden der
Kollektorelektrodenanordnung (36) mit entsprechenden
Eingängen des Multiplexers (54) gekoppelt sind, und
daß der Ausgang des Multiplexers mit einem Wiedergabegerät
(62) gekoppelt ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kollektorelektroden über Impedanzwandler (50)
mit den Eingängen des Multiplexers gekoppelt sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch
gekennzeichnet, daß der Multiplexer durch eine Steuer
einrichtung (58) gesteuert ist, welche durch ein verzöger
tes Signal von einer den Lichtimpuls liefernden Lichtquel
le ausgelöst ist.
Priority Applications (3)
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DE3926945A DE3926945A1 (de) | 1989-08-14 | 1989-08-14 | Vorrichtung zum messen der dauer einzelner kurzer optischer strahlungsimpulse |
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