DE3926945A1 - Vorrichtung zum messen der dauer einzelner kurzer optischer strahlungsimpulse - Google Patents

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.

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.