CA2100266C - Camera ultrarapide pour visualiser le profil d'intensite d'une impulsion laser - Google Patents
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Abstract
L'invention se réfère à une caméra ultrarapide pour visualiser le profile d'intensité d'une impulsion laser. Cette caméra comporte dans une enceinte sous vide une photocathode, une grille d'extraction, des électrodes de localisation, des plaques de dé- flexion et un écran de visualisation. Selon l'invention, l'émetteur d'électrons est constitué d'au moins une pointe métallique (3,12) et de moyens (9,10) pour envoyer ladite impulsion laser (13) dans une zone située en face de cette pointe.
Description
Caméra ultrarapide pour visualiser le profil d'intensité d'une impulsion laser L'invention se réfère à une caméra à balayage de fente ultra rapide (streak camera) pour visualiser le profil d'intensité
d'une impulsion laser.
Pour l'étude des phénomènes transitoires, on sait générer des impulsions laser d'une durée très brève de l'ordre de 10 10 sec. La connaissance exacte du profil d'intensité de cette impulsion y est très importante. On l'obtient jusqu'ici par une caméra à balayage de fente qui comporte dans une enceinte sous vide une photocathode, une grille d'extraction, des élec-trodes de focalisation, des plaques de déflexion et un écran de visualisation. L'impulsion laser à analyser est appliquée à
travers un substrat transparent de la photocathode, qui, en réponse, émet des électrons. Ceux-ci sont alors soumis au champ électrique appliqué entre la cathode et la grille d'ex-traction. Ils sont accélérés, passent à travers un trou dans une anode de focalisation et sont enfin défléchis par des plaques de déflexion, qui reçoivent une tension en dent de scie. Sur l'écran, on peut alors visualiser la distribution temporelle des photons de l'impulsion laser qui frappent la photocathode.
Une photocathode du type semi-conducteur qui est illuminée par de la lumière et qui émet des électrons en réponse est décrite dans le document US-A-4 868 380.
Dans le document Appl. Phys. Lett. 45(4), 15 août 1984, p. 307 à 309, on décrit une photocathode métallique sur laquelle on
d'une impulsion laser.
Pour l'étude des phénomènes transitoires, on sait générer des impulsions laser d'une durée très brève de l'ordre de 10 10 sec. La connaissance exacte du profil d'intensité de cette impulsion y est très importante. On l'obtient jusqu'ici par une caméra à balayage de fente qui comporte dans une enceinte sous vide une photocathode, une grille d'extraction, des élec-trodes de focalisation, des plaques de déflexion et un écran de visualisation. L'impulsion laser à analyser est appliquée à
travers un substrat transparent de la photocathode, qui, en réponse, émet des électrons. Ceux-ci sont alors soumis au champ électrique appliqué entre la cathode et la grille d'ex-traction. Ils sont accélérés, passent à travers un trou dans une anode de focalisation et sont enfin défléchis par des plaques de déflexion, qui reçoivent une tension en dent de scie. Sur l'écran, on peut alors visualiser la distribution temporelle des photons de l'impulsion laser qui frappent la photocathode.
Une photocathode du type semi-conducteur qui est illuminée par de la lumière et qui émet des électrons en réponse est décrite dans le document US-A-4 868 380.
Dans le document Appl. Phys. Lett. 45(4), 15 août 1984, p. 307 à 309, on décrit une photocathode métallique sur laquelle on
- 2 -dirige un rayon pulsé pour extraire des électrons.
Enfin, le document EP-A-0 127 735 décrit un photodétecteur en forme d'une pluralité d'aiguilles métalliques qui reçoit la lumière et en produit un courant de cathode.
Aucun des dispositifs cités ci-dessus est capable de visualiser le profil d'intensité de l'impulsion lumineuse et notamment d'une impulsion ultracourte.
L'invention a pour but de proposer une caméra permettant d~analyser des impulsions d'une durée inférieure à 10 lOsec, c'est-à-dire ayant une réponse temporelle d'une picoseconde et même moins.
Ce but est atteint selon l'invention en remplaçant la photocathode de type semi-conducteur par au moins une pointe métallique et en envoyant l'impulsion laser dans une zone située en face de cette pointe.
La présente invention se réfère à une caméra ultrarapide pour visualiser un profil d'intensité d'une impulsion laser, comprenant dans une enceinte sous vide une photocathode, une grille d'extraction, des électrodes de focalisation, des plaques de déflexion et un écran de visualisation, la photocathode étant disposée en opposition à l'écran de visualisation et à la grille d'extraction, les électrodes de focalisation et les plaques de déflection étant disposées entre la photocathode et l'écran de visualisation, caractérisée en ce que la photocathode est constituée d'au moins une surface métallique d'émission ayant au moins une pointe métallique (3, 12), des moyens (9, 10) étant prévus pour envoyer ladite impulsion laser Caméra ultrarapide - 2a -(13) dans une zone située en face de ladite au moins une surface métallique d'émission.
La présente invention se rapporte également â une méthode de mise en oeuvre de la caméra, caractérisée en ce que la tension électrique d'extraction appliquée entre la grille d'extraction et ladite au moins une pointe est une impulsion électrique qui définit une fenêtre autour de l'impulsion laser à visualiser, une amplitude de l'impulsion électrique étant choisie légèrement inférieure à celle nécessaire pour causer toute seule une émission d'électrons.
L'invention sera décrite ci-après plus en détail à l'aide d'un exemple de réalisation et des dessins annexés.
La figure 1 montre schématiquement et en coupe axiale une caméra selon l'invention.
La figure 2 représente une variante de l'émetteur d'électrons selon la figure 1.
Sur la figure 1, on voit une enceinte 1, qui est susceptible d'être mise sous vide d'environ 10 8 Torr et qui comporte, centrés sur un axe 2, une aiguille métallique 3, une grille
Enfin, le document EP-A-0 127 735 décrit un photodétecteur en forme d'une pluralité d'aiguilles métalliques qui reçoit la lumière et en produit un courant de cathode.
Aucun des dispositifs cités ci-dessus est capable de visualiser le profil d'intensité de l'impulsion lumineuse et notamment d'une impulsion ultracourte.
L'invention a pour but de proposer une caméra permettant d~analyser des impulsions d'une durée inférieure à 10 lOsec, c'est-à-dire ayant une réponse temporelle d'une picoseconde et même moins.
Ce but est atteint selon l'invention en remplaçant la photocathode de type semi-conducteur par au moins une pointe métallique et en envoyant l'impulsion laser dans une zone située en face de cette pointe.
La présente invention se réfère à une caméra ultrarapide pour visualiser un profil d'intensité d'une impulsion laser, comprenant dans une enceinte sous vide une photocathode, une grille d'extraction, des électrodes de focalisation, des plaques de déflexion et un écran de visualisation, la photocathode étant disposée en opposition à l'écran de visualisation et à la grille d'extraction, les électrodes de focalisation et les plaques de déflection étant disposées entre la photocathode et l'écran de visualisation, caractérisée en ce que la photocathode est constituée d'au moins une surface métallique d'émission ayant au moins une pointe métallique (3, 12), des moyens (9, 10) étant prévus pour envoyer ladite impulsion laser Caméra ultrarapide - 2a -(13) dans une zone située en face de ladite au moins une surface métallique d'émission.
La présente invention se rapporte également â une méthode de mise en oeuvre de la caméra, caractérisée en ce que la tension électrique d'extraction appliquée entre la grille d'extraction et ladite au moins une pointe est une impulsion électrique qui définit une fenêtre autour de l'impulsion laser à visualiser, une amplitude de l'impulsion électrique étant choisie légèrement inférieure à celle nécessaire pour causer toute seule une émission d'électrons.
L'invention sera décrite ci-après plus en détail à l'aide d'un exemple de réalisation et des dessins annexés.
La figure 1 montre schématiquement et en coupe axiale une caméra selon l'invention.
La figure 2 représente une variante de l'émetteur d'électrons selon la figure 1.
Sur la figure 1, on voit une enceinte 1, qui est susceptible d'être mise sous vide d'environ 10 8 Torr et qui comporte, centrés sur un axe 2, une aiguille métallique 3, une grille
- 3 -d'extraction 4, une anode de focalisation 5 ayant un trou central, des plaques de déflexion 6 et enfin un écran de visualisation 7, en phosphore, par exemple. Les différents organes sont reliés à des sources de tension électrique adé-quats pour assurer leurs fonctions conventionnelles respec-tives. En particulier, l'aiguille 3 est connectée à un généra-teur 8 d'une impulsion électrique qui est synchronisée avec l'impulsion optique à analyser. Cette dernière provient d'un laser 9 placé hors de l'enceinte 1 et dirigeant son faisceau 13 à travers une fenètre 10 vers une zone située en face de l'aiguille 3. L'amplitude de l'impulsion électrique fournie par le générateur 8 est choisie légèrement inférieure à un seuil auquel se produit une émission spontanée d'électrons de l'aiguille.
Cette émission n'est enfin obtenue que par l'application si-multanée de cette impulsion électrique et du faisceau optique provenant du laser 9, l'émission d'électrons correspondant alors assez fidèlement au profil temporel de l'impulsion opti-que. La réalisation directe, à partir d'un laser seul, d'un champ électrique, d'une intensité telle qu'il se produit un effet tunnel et une émission d'électrons, nécessiterait des puissances importantes de l'ordre de 1,3.1O11W/cm2 alors que l'action conjointe de l'impulsion électrique et de l'impulsion optique fait qu'une puissance optique du faisceau de l'ordre de lOSW/cm2 suffit pour déclencher l'effet tunnel. L'invention permet donc de réduire la puissance du faisceau laser â analy-ser et donc d'améliorer la résolution temporelle de l'analyse.
La figure 2 représente une variante par rapport à l'aiguille 3 de la figure 1. On y voit en effet un substrat 11 en métal bon conducteur qui est relié comme précédemment au générateur 8 à
travers la paroi de l'enceinte 1. Ce substrat comporte une surface d'émission 12 ayant une certaine rugosité microscopi-que du substrat, de sorte qu'il y a une pluralité de pointes 2~.~~r~~~
Cette émission n'est enfin obtenue que par l'application si-multanée de cette impulsion électrique et du faisceau optique provenant du laser 9, l'émission d'électrons correspondant alors assez fidèlement au profil temporel de l'impulsion opti-que. La réalisation directe, à partir d'un laser seul, d'un champ électrique, d'une intensité telle qu'il se produit un effet tunnel et une émission d'électrons, nécessiterait des puissances importantes de l'ordre de 1,3.1O11W/cm2 alors que l'action conjointe de l'impulsion électrique et de l'impulsion optique fait qu'une puissance optique du faisceau de l'ordre de lOSW/cm2 suffit pour déclencher l'effet tunnel. L'invention permet donc de réduire la puissance du faisceau laser â analy-ser et donc d'améliorer la résolution temporelle de l'analyse.
La figure 2 représente une variante par rapport à l'aiguille 3 de la figure 1. On y voit en effet un substrat 11 en métal bon conducteur qui est relié comme précédemment au générateur 8 à
travers la paroi de l'enceinte 1. Ce substrat comporte une surface d'émission 12 ayant une certaine rugosité microscopi-que du substrat, de sorte qu'il y a une pluralité de pointes 2~.~~r~~~
- 4 -susceptibles d'émettre des électrons. On a observé que le seuil d'émission est bien plus bas lorsque la surface est rugueuse, car le champ électrique local au sommet d'une pointe aiguë est d'un facteur B plus grande que le champ microscopi-que moyen autour de cette pointe, le facteur B pouvant at-teindre 104.
L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation dé-crit ci-dessus. Ainsi, il n'est pas obligatoire que le fais-seau laser intersecte l'axe 2 à 90°. En choisissant par ex-emple un angle de 45° avec la surface d'émission rugueuse, on obtient une émission de champ impulsionnel accompagnée d'une photoémission. On peut en outre remplacer le générateur d'im-pulsions 8 par une source de tension continue, mais dans ce cas il faut réduire cette tension pour éviter des décharges involontaires avant que l'impulsion laser soit déclenchée.
1 pi C. ~ . L~,~ç
~'~édvâ~
~ ~ _i .. ,e,~.v9. s' ~~
L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation dé-crit ci-dessus. Ainsi, il n'est pas obligatoire que le fais-seau laser intersecte l'axe 2 à 90°. En choisissant par ex-emple un angle de 45° avec la surface d'émission rugueuse, on obtient une émission de champ impulsionnel accompagnée d'une photoémission. On peut en outre remplacer le générateur d'im-pulsions 8 par une source de tension continue, mais dans ce cas il faut réduire cette tension pour éviter des décharges involontaires avant que l'impulsion laser soit déclenchée.
1 pi C. ~ . L~,~ç
~'~édvâ~
~ ~ _i .. ,e,~.v9. s' ~~
Claims (3)
1. Caméra ultrarapide pour visualiser un profil d'intensité d'une impulsion laser, comprenant dans une enceinte sous vide une photocathode, une grille d'extraction, des électrodes de focalisation, des plaques de déflexion et un écran de visualisation, la photocathode étant disposée en opposition à l'écran de visualisation et à la grille d'extraction, les électrodes de focalisation et les plaques de déflection étant disposées entre la photocathode et l'écran de visualisation, caractérisée en ce que la photocathode est constituée d'au moins une surface métallique d'émission ayant au moins une pointe métallique (3, 12), des moyens (9, 10) étant prévus pour envoyer ladite impulsion laser (13) dans une zone située en face de ladite au moins une surface métallique d'émission.
2. La caméra selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface métallique d'émission comprend une pluralité
de pointes définissant une surface d'émission rugueuse (12).
de pointes définissant une surface d'émission rugueuse (12).
3. Méthode de mise en oeuvre de la caméra selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la tension électrique d'extraction appliquée entre la grille d'extraction et ladite au moins une pointe est une impulsion électrique qui définit une fenêtre autour de l'impulsion laser à visualiser, une amplitude de l'impulsion électrique étant choisie légèrement inférieure à celle nécessaire pour causer toute seule une émission d'électrons.
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