175784. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és berendezés pikoszekundumok időtartamának mérésére
175784 ke a 17 felharmonikuskeltő anyag pl. kristály, optikai tulajdonságaiból esetenként meghatározható az alábbi összefüggés segítségével , ne/X (2) 9 2 arc cos 5 (A) ahol nc és n0 a felharmonikuskeltő anyag pl. kristály, extraordinárius és ordinárius törésmutatói az adott (2, illetve hullámhosszon. A 17 felharmonikuskeltő anyag — pl. kristály — optikai tengelye merőleges a 10 9 szög felezőjére. A 17 felharmonikuskeltő anyagként alkalmazhatunk LiJ03 egytengelyű felharmonikuskeltő kristályt is. Ugyancsak alkalmazhatunk felharmonikuskeltő anyagként küvettába zárt felharmonikuskeltő gázt vagy 15 festéket. A 4. ábra a 19 ernyőn vagy a 20 fotoelektromos érzékelőn megjeleníthető felharmonikus folt vázlatát láthatjuk, amely egy ellipszis, Hx nagy- és Hz kistengelyek definíciójával. Levezethető, hogy a fényimpulzus idő- 20 tartama az alábbi összefüggés segítségével kiszámítható AHZHX Ÿ Hx2—BHZ2 A ^2 SÍn u0(X) B=l-[n0(X)]2sin2 9/2 ahol is UH(X) és nG(X) a X hullámhosszú ordinárius alap- 30 harmonikus fénysugár csoportsebessége és törésmutatója az egytengelyű 17 felharmonikuskeltő anyagban pl. kristályban. Mivel A és B mennyiségek adott kristály és adott hullámhossz esetén egyértelműen meghatározott számok, ezért ezek a berendezéshez táblázatban előre 35 megadhatók. A gyakorlati megvalósítás precizitásától függően (fényutak, felületek finomsága, foltméret meghatározásának pontossága stb.) az eljárás néhány tized psec-től a kristály méreteitől függően mintegy 100psec-ig ter- 40 jedő tartományban használható időtartammérésre +10%, illetve a fenti tartomány középső részén ennél jobb pontossággal. Hx <scHz (rövid impulzusok) esetén t=AHz és a mérésnek az előbb bemutatott képlet érvényességi tartományán belül csak a Hz meghatározásá- 45 ban elkövetett hiba szab határt. Az eljárás kontrasztossága a kélfotonos fluoreszcencia módszernél elérhető maximális 3-rnal szemben esetünkben legalább ^-szeres, vagyis négy nagyságrenddel jobb. A 4. ábrán egy konkrét berendezésen konkrétan mért 50 impulzusokból származó eredménnyel mutatjuk be az eljárás használhatóságát. Nd-üveg lézer és LiJ03 kristály esetén X= 1,06 ji,, nQ= 1,860, u0= 1,588 x 108 m/sec, 9 = 39° 36', így Á = 30,2 psec/cm, B=0,603. A 13 nyalábkiterjesztő után 5 mm átmérőjű nyaláb használatá- 55 val két impulzus vizsgálatakor kapott felvétel jól egyezik a 4. ábrán látható ellipszissel. Az eljárás alkalmas a 4. ábra kiértékelésére, ahol is Hx=0,5 cm, Hz=0,33, amiből a fenti adatokkal t=11,7 psec. Más mérésekkel ellenőrizve (kétfotonos fluoreszcencia), itt az impulzushossz t= 11 psec-nalc adódott, ami adott hibahatáron belül van. Megjegyezzük, hogy a találmány 65 szerinti eljárás a pontosabb, tehát a t=11,7 ±1 psec tekinthető a pontos értéknek. Ha a kapott folt kör alakú, vagyis ha Hx — Hz 0,5, ez az a határeset, ahol a módszer már nem alkalmazható (adott nyalábátmérő mellett). Ebből csak annyit mondhatunk, hogy t> 30 psec. (Más mérésből t 150 psec adódik, ami a korlátokat világosan mutatja.) Ugyanezt az impulzust nagyobb, ~2,5 cm-rc kiterjesztett nyalábbal már szintén pontosan mérhetjük. A mérés a következő lépésekben végezhető cl: 1. A készülék alaphelyzetének beállítása: próbaméréseket végzünk a 13 nyalábkiterjesztőn, a bejövő 1 fénysugár kör alakú nyalábátmérőjét addig változtatjuk, míg a 18 irányú felharmonikus sugárzás ellipszis alakú nem lesz. Készülékünk ekkor működik a mérendő impulzusnak megfelelő nagyságrend tartományban. 2. A mérés: a mérendő fénysugarat így beállított készülékbe vezetjük és leolvassuk, vagy egyéb módon megmérjük a keletkezett ellipszis Hx és Hz tengelyeit. Ezek után a készülékhez és az adott lézerhullámhosszhoz megadott A és B mennyiségek ismeretében kiszámítjuk, vagy az adatfeldolgozó berendezéssel kiszámíttatjuk a fényimpulzus időtartamát. A találmány szerinti eljárás és berendezés előnye hogy jórészt hagyományos elemeket tartalmaz, melyek, még a felharmonikuskeltő kristály is, kereskedelemben beszerezhetők. Egy adott lézerhullámhossz esetén lezárhatóan stabilan megépíthető és kivitelezhető, úgy, hogy csak a 13 nyalábkiterjesztő kíván külső beállítást. A berendezés pontossága megközelíti a streak kamerák pontosságát az 1—100 psec-os tartományban, ugyanakkor ára nagyságrendileg a kétfotonos fluoreszcencia módszer költségeivel mérhető össze. Az eredmény kiértékelése nemlaboratóriumi körülmények között sem komplikált, de az elektronikus kiegészítő egységeket teljesen automatizálva, mint egy detektáló berendezés alkalmazható. Mérési pontossága abba a praktikus nagyságrendbe esik, mely kb. megegyezik a kaloriméterek pontosságával, tehát a nagyon precíz tudományos kísérleteket kivéve, a gyakorlatban a fényintenzitás megbecslésére kielégítően alkalmazható. A találmány szerinti berendezés használható minden olyan módusszinkronizációs lézer kiegészítő berendezéseként, mely az impulzus időtartamra az adott tartományon belül nem igényel 10%-nál nagyobb pontosságot. Szabadalmi igénypontok 1. Eljárás pikoszekundumos fényimpulzusok időtartamának mérésére, azzal jellemezve, hogy a kör keresztmetszetű fénynyalábban haladó mérendő fényimpulzust két részre osztjuk és egyforma optikai utakon ejtjük egy felharmonikuskeltő anyag felületére úgy, hogy az anyag belsejében törés után a két fénynyaláb egymáshoz képest 9 szöget zár be, ahol , ne/X (2) 9 = 2 arc cos -' MA)- 90 ahol is ne, nQ a felharmonikuskeltő anyag extraordinárius és ordinárius törésmutatói az adott X/2, illetve X hullámhosszon, ezáltal egy ellipszis alakú felharmonikus sugárzást hozunk létre, melynek kis Hz és nagy Hx ten-3
