DE4440968A1

DE4440968A1 - Meßanordnung zur Erfassung der Orts- und Zeitstruktur von Lichtpulsen mit hoher Zeitauflösung

Info

Publication number: DE4440968A1
Application number: DE19944440968
Authority: DE
Inventors: Heinrich Spiecker; Peter Andresen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-11-17
Filing date: 1994-11-17
Publication date: 1996-05-30

Description

Meßanordnung zur Erfassung der Orts- und Zeitstruktur von Lichtpulsen mit hoher Zeitauflösung dadurch gekennzeichnet, daß das zu untersuchende Licht auf einen Pikosekundenbildverstärker in getrennte Bereiche mit unterschiedlich langen bildleitenden Lichtleitern abgebildet wird. Ziel der erfindungsgemäßen Anordnung ist es, ähnlich einem kurzem Film, simultan die Orts- und Zeitstruktur von Lichtpulsen mit hoher Zeitauflösung (Subnanosekundenbereich) zu erfassen. Die Meßanordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß das zu untersuchende Licht aufgeteilt wird und auf einen Bildverstärker mit Öffnungszeit im Subnanosekundenbereich in getrennte Bereiche mit unterschiedlich langen bildgebenden Optiken abgebildet wird. Der Vorteil der Anordnung ist der einfache Aufbau, mit dem flächige Erscheinungen zeitaufgelöst vermessen werden können. Die Zeitauflösung wird aufgrund der unterschiedlichen Lichtlaufstrecken erzielt, indem der Bildverstärker nur sehr kurz geöffnet wird und damit von den Signalen in den unterschiedlichen Bereichen unterschiedliche Zeitfenster detektiert. das auf der Kamera registrierte Licht hat eine Orts- und Zeitabhängigkeit, die sich allgemein durch die Intensität I (x, y, t) beschreiben läßt. In der erfindungsgemäßen Anordnung wird nun das Licht auf verschiedene abbildende optische Elemente aufgeteilt, die den entsprechenden (bekannten) Anteil α_iI(x, y, t) mit einer bekannten Lichtlaufzeit Δt_i auf einen Pikosekundenbildverstärker in örtlich voneinander getrennte Bereiche abbilden. Somit liegt dort die Intensität α_iI(x, y, t - Δt_i) an. Die Gesamtheit der abbildenden Laufzeitelemente soll in der Folge Verzögerungseinheit genannt werden. Der Pikosekundenbildverstärker hat nun die Eigenschaft, daß man ihn sehr schnell öffnen und schließen kann und damit ein zeitliches Integral der anliegenden Intensität über ein sehr kurzes Zeitintervall messen kann. Das bedeutet, daß die Bildinformation zu festen Zeitpunkten t₀-Δt_i meßbar wird. Die erfindungsgemäße Anordnung ist somit in der Lage, einen kurzen "Film" simultan aufzunehmen und die Einzelbilder des Filmes auf einem Bild parallel darzustellen. Die Meßanordnung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das vom Bildverstärker verstärkte Licht mit einer CCD-Kamera aufgenommen, mit einem Computer dargestellt und ausgewertet werden kann. Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Anordnung besteht in der simultanen Vermessung der (zweidimensionalen) Orts- und Zeitstruktur schneller Lichtpulse. Es wird auf einfache Weise ein kurzer "Film" mit Bildabständen im Subnanosekundenbereich aufgezeichnet. Diese Eigenschaft der erfindungsgemäßen Anordnung wird von keiner der im folgenden Abschnitt beschriebenen Anordnungen erreicht und besitzt ein erhebliches Potential bei der Untersuchung von Lichtausbreitungseffekten.

Bis zum heutigen Zeitpunkt sind im wesentlichen vier Verfahren zur Vermessung der Zeitstruktur von Lichtpulsen bekannt, die mit dem zu patentierenden Gerät in Konkurrenz stehen:

Photodioden in Verbindung mit Oszilloskopen

Bei dieser Methode wird der Lichtpuls mit einer schnellen Photodiode in ein elektrisches Signal umgesetzt. Dieses kann dann mit einem Oszilloskop oder Transientenrekorder aufgenommen und dargestellt werden. Diese Anordnung erlaubt nur ortsintegrale Messungen. Das bedeutet, daß die Ortsstruktur des zu untersuchenden Lichtes nicht in einem einzelnen Meßvorgang vermessen werden kann, sondern nur in einem Rasterverfahren in einer Reihenmessung gewonnen werden kann. Gerade eine von Meßvorgang zu Meßvorgang veränderliche Ortsabhängigkeit ist aber für viele Lichtsignale von entscheidender Bedeutung.

Streakkameras

Streakkameras sind in der Lage, einen sehr schnellen zeitlichen Verlauf eines Lichtpulses und eine Ortsdimension aufzuzeichnen. In der zeitlichen Auflösung sind sie dem erfindungsgemäßen Verfahren um einen Faktor 20-50 überlegen. Ein Nachteil ist die auf eine Ortsdimension beschränkte Messung. Außerdem ist der technische und finanzielle Aufwand sehr hoch.

Framingkameras

Framingkameras sind Bildverstärkerröhrengeräte, bei denen, ähnlich der erfindungsgemäßen Anordnung, ein kurzer Film aufgenommen wird. Der zeitliche Abstand zwischen zwei Bildern ist allerdings bei derzeitigen Geräten ca. um einen Faktor 1000 größer. Damit ist die Zeitauflösung nicht mehr ausreichend für viele Anwendungen, z. B. für die Vermessung der von Lasern oder Blitzlampen induzierten Emissionen.

Mehrkamerasysteme

In diesem Verfahren werden zur Aufzeichnung des kurzen Filmes mehrere Kameras mit schnell schaltbaren Bildverstärkern parallel betrieben. Durch zeitlich getrenntes Öffnen der Bildverstärker vor den einzelnen Kameras kann ebenfalls ein kurzer Film aufgenommen werden. Jedes Bild des kurzen Filmes wird hierbei von einer der Kameras aufgezeichnet. Man benötigt also zum Aufzeichnen eines Filmes bestehend aus 8 aufeinanderfolgenden Bildern 8 Bildverstärker mit Ansteuerung und 8 Ausleseeinheiten (CCD-Kameras). Dieses Verfahren ist extrem aufwendig. Die erfindungsgemäße Anordnung stellt demgegenüber eine wesentliche Reduktion des Aufwandes dar, da nur eine Kamera und ein Bildverstärker verwendet wird. Gegenüber den konkurrierenden Verfahren erlaubt die erfindungsgemäße Anordnung eine vergleichsweise einfache und wenig störanfällige Messung des Zeit- und 2D-Ortsverhaltens schneller Ereignisse.

Aus der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich eine Vielzahl von Anwendungen und weitere Meßverfahren, die in der Folge beschrieben werden sollen. Als erstes sei die Verwendung als Laserstrahlanalysegerät genannt. Es ist möglich, das Strahlprofil gepulster Laser (z. B. Excimerlaser, Dyelaser, Festkörperlaser, OPO (Optical Parametric Oszillator) quantitativ orts- und zeitaufgelöst zu vermessen, und darüber eine Optimierung der Strahleigenschaften vorzunehmen. Weiterhin kann unter Verwendung eines Etalons die Zeitabhängigkeit der Linienbreite der Laserstrahlung u. U. gleichzeitig untersucht werden. Teilt man den Laserstrahl auf und verwendet mehrere Verzögerungseinheiten parallel, so können mehrere Eigenschaften der Strahlung parallel zeitaufgelöst in einem einzigen Laserpuls vermessen werden. Hierzu können vor die einzelnen Verzögerungseinheiten z. B. Polarisationsfilter, Prismen, Etalon und optische Filter in den Strahlengang gebracht werden, um die einzelnen Eigenschaften zu selektieren. Die erfindungsgemäße Anordnung ist somit sehr einfach zu handhaben und erfüllt eine Vielzahl von Meßaufgaben in der Laserstrahlanalytik. Man kann z. B. den zeitlichen Verlauf des Festkörperlaserpulses, welcher einen OPO (Optical Parametric Oszillator) pumpt und den vom OPO ausgehenden Strahl in einem einzigen Puls untersuchen und die Korrelationen von beiden ortsaufgelöst bestimmen. Das wäre mit den zur Zeit bestehenden Verfahren nur mit einem Mehrkamerasystem möglich, wobei eine sehr große Anzahl von Kameras benötigt würden. Für Laserstrahlen mit geringer Divergenz können als Verzögerungseinheiten auch Lichtlaufstrecken mit konventioneller Optik (Spiegel, Strahlteiler, Prismen) verwendet werden. Ein Beispiel für eine solche Optik mit 4×5 Zeitpunkten befindet sich in Abb. 1. Die x-y-Verzögerungseinheit 1, 2 besteht aus je zwei planparallelen Spiegeln von denen einer teildurchlässig 8 ist. Die aus der ersten Verzögerungseinheit ausgekoppelten Anteile des einfallenden Strahls 3 gelangen auf die zweite. Die dort ausgekoppelten durch die Optik 4 auf den Picosekundenbildverstärker 5. Die Laufzeitdifferenz an der x-Verzögerungseinheit 1 ist i · Δt, mit i=0, . . . , 4. An der y-Verzögerungseinheit 2 ist sie j · nΔt mit j=0, . . . , 4. Somit ergibt sich für die Gesamtlaufzeitdifferenz t_i+jn+1=(i+jn) · Δt für die t_k-t_k-1=Δt gilt. Auf der CCD-Kamera 6 ergibt sich eine rechteckige Bildaufteilung 7. Eine solche Optik läßt über eine geeignete Verschiebe- und Kippanordnung für die Spiegel und Strahlteiler auch einen variablen zeitlichen Bildabstand zu. Verwendet man für die Verzögerungseinheit Einzellichtleiter oder ungeordnete Bündel, so kann auf sehr einfache Weise zumindest das Zeitverhalten des Laserpulses ortsintegral vermessen werden. Diese Messung entspricht der Messung mit einer schnellen Photodiode in Verbindung mit einem Oszillographen, allerdings in einem Zeitbereich der von heutigen Oszillographen kaum erreicht wird. Die Reduktion auf eine rein zeitliche Messung eröffnet die Möglichkeit, sehr große zeitliche Dynamik zu erzielen, da man sehr viele Einzelfasern getrennt ausmessen kann. Abb. 2 zeigt den zeitlicher Verlauf der Intensität zweier Lichtpulse eines pulsverkürzten raman-verschobenen KrF*-Lasers bei 268 nm. Der Zeitverlauf wurde mit einem Array von 40 Lichtleitern aufgenommen, deren Länge jeweils entsprechend der Lichtlaufzeit von 25 ps inkrementiert ist.

Verwendet man einen Pikosekundenbildverstärker mit VUV-durchlässigem Eingangsfenster, so kann das Meßverfahren auf den VUV-Wellenlängenbereich ausgedehnt werden. Eine geeignete Beschichtung der Eintrittsfläche der Verzögerungseinheit mit Konverterschichten (schnelle Szintillatoren, Phosphoren, Welenlängenschiebern) kann die Anwendung auf Röntgen- und Infrarotstrahlung erweitern.

Als zweite prinzipielle Anwendung sei auf die Analyse sehr kurzer Leuchterscheinungen eingegangen. Als Beispiel seien die von kurzen Laserpulsen stimulierten Emissionen genannt. Mit Hilfe der laserinduzierten Fluoreszenz können viele Eigenschaften von festen, flüssigen und gasförmigen Medien untersucht werden. Die Fluoreszenzlebensdauer stellt hierbei eine charakteristische Meßgröße dar. Hat man es nun mit sehr schnell veränderlichen Bedingungen zu tun (z. B. turbulent Medien, Schockwellen), so müssen die Fluoreszenzlebensdauern im Einzelpulsexperiment bestimmt werden. Hier eröffnet die erfindungsgemäße Anordung die Möglichkeit, die Zeitverläufe extrem schneller Fluoreszenzen zu untersuchen. Verwendet man zwei bildgebende Verzögerungseinheiten, so kann der anregende Laser- bzw- Blitzlampenpuls mit vermessen werden. Dadurch werden auch Lebensdauern bestimmbar, die in der Größenordnung der Länge des anregenden Lichtpulses liegen. Zur Trennung der Fluoreszenz von dem anregenden Lichtpuls müssen dann verschiedene Filter vor die Verzögerungseinheiten gesetzt werden. Abb. 3 zeigt Rohdaten von der orts- und zeitaufgelösten Fluoreszenz einer Farbstoffschicht, die mit einem Festkörperlaser bei 416 nm beleuchtet wurde. Die Zahlenangaben zu den Einzelbildern entsprechen der relativen Verzögerung in Nanosekunden.

Bei der Wechselwirkung von gepulster Laserstrahlung mit Festkörpern treten ebenfalls Leuchterscheinungen auf, die zur Charakterisierung der Wechselwirkung verwendet werden. Die erfindungsgemäße Anordnung kann zur schnellen und einfachen Analyse dieser Erscheinungen verwendet werden.

Des weiteren besteht die Möglichkeit der Registrierung zeitaufgelöster Spektren. Hierzu muß die Eintrittsebene der bildleitenden Lichtlaufstrecken in die Austrittsebene eines Spektrographen gebracht werden. Zusätzlich zur spektralen Dimension kann prinzipiell eine Ortsdimension bei der Verwendung abbildender Spektrographen aufgenommen werden. Bei der Verwendung eines abbildenden Spektrographen wird der Eintrittsspalt in die Austrittsebene scharf abgebildet. So ergibt sich in der Austrittsebene ein Bild in dem für jeden Punkt des Eintrittsspaltes ein Spektrum parallel dargestellt ist. Teilt man nun das Licht aus der Austrittsebene auf die verschiedenen bildgebenden Lichtlaufstrecken auf und bildet sie nebeneinander auf den Pikosekundenbildverstärker ab, so erhält man zeit-, orts- und spektralaufgelöste Information über das Licht, welches in den Eintrittsspalt fällt. Diese Eigenschaften könnten mit den bisherigen Verfahren nur mit einem Mehrkamerasystem mit sehr großem Aufwand erreicht werden. Die Kombination aus zwei oder mehr Verzögerungseinheiten erlaubt in diesem Fall wieder die Aufnahme des anregenden Laserpulses und des zeitaufgelösten Spektrums.

Wird eine faseroptische Verzögerungseinheit vor einem Spektrographen verwendet (siehe Abb. 4), wobei die Enden der verschiedenen langen Fasern 1 an verschiedene Punkte des Eintrittsspaltes 2 gebracht werden, so können auf einfache Weise mit dem Pikosekundenbildverstärker in der Austrittsebene 3 Spektren zeitaufgelöst mit Hilfe der Optik 4 von einem Objektpunkt 5 aufgenommen werden.

Verwendet man einen kurzen Laserpuls und untersucht die Rückstreuung aus einem Medium zeit- und ortsaufgelöst mit der erfindungsgemäßen Anordnung, so erhält man 3-D-Ortsinformation über die Rückstreuintensitäten mit hoher Auflösung in Laserstrahlrichtung. Hierbei werden die Lichtlaufstrecken entlang des Laserstrahls und die unterschiedlich langen Laufstrecken des rückgestreuten Lichtes durch die Verzögerungseinheit kompensiert, so daß das rückgestreute Licht aus verschiedenen Ebenen senkrecht zur Strahlrichtung des Lasers gleichzeitig den Pikosekundenbildverstärker (nebeneinander) erreicht, und somit in einem Bild aufgenommen werden kann. Diese Anordnung entspricht prinzipiell dem LIDAR-Verfahren, hat allerdings wesentlich höhere Auflösung in Richtung des Laserstrahls ( 1 cm), und ist somit geeignet für Messungen in großen Brennräumen, die sonst schwer abbildbar sind.

Zuletzt sei auf eine Anwendung aus der digitalen Signalverarbeitung eingegangen. Hat man digitale Lichtsignale mit bekannter Taktrate, wie sie in fiberoptischen Datenleitungen verwendet werden, so ist der zeitliche Abstand zweier aufeinander folgender Lichtpulse mit einer durch die Gruppengeschwindigkeit des transmittierenden Wellenleitermodus für monomodige Leiter) vorgegebenen Lichtlaufstrecke Δl_F in der Faser korreliert. Fertigt man nun unter Verwendung faseroptischer Strahlteiler eine Verzögerungseinheit aus Einzelfasern, deren Lichtlaufstrecken eine Äquidistanz von Δl_F aufweisen, so wird die digitale Information in dem aufgenommenen Bild parallel dargestellt und ist somit weiter verarbeitbar. Da der entstehende Signalkontrast aufgrund der digitalen Kodierung sehr gut ist und das Auswerten des Bildes wieder nur digitale Ergebnisse liefern muß, ist die in einem Einzelbild aufgenommene Informationsmenge prinzipiell nur durch die Raumfrequenztransferfunktion des Pikosekundenbildverstärkers und im Grenzfall durch die Pixeldichte der CCD-Kamera bestimmt. Bei einer leistungsfähigen Ausleseelektronik könnte der Takt für die Aussteuerung des Bildverstärkers so weit heraufgesetzt werden, daß das digitale Lichtsignal vollständig ausgelesen wird. Anstelle der Verzögerungseinheit kann entsprechend Abb. 1 auch eine klassische Optik treten, die dann mit einem digital modulierten Laser beschickt werden muß.

Da das Auslesen der CCD-Kamera mit hoher Dynamik erfolgt, können Datenflüsse, die mehrwertig in Lichtimpulse unterschiedlicher Helligkeit umgesetzt worden sind von der erfindungsgemäßen Anordnung analysiert werden. Des weiteren kann das Licht aus mehrwertigen Datenflüssen auf dem Pikosekundenbildverstärker überlagert und ausgelesen werden. Damit ist die erfindungsgemäße Anordnung ein paralleles Rechenwerk für mehrwertige Addition.

Claims

1. Meßanordnung zur Erfassung der Orts- und Zeitstruktur von schnell veränderlichen Lichterscheinungen mit hoher Zeitauflösung dadurch gekennzeichnet, daß das zu untersuchende Licht auf einen Bildverstärker mit Öffnungszeiten im Subnanosekundenbereich in getrennten Bereichen mit unterschiedlichen Lichtlaufstrecken abgebildet wird.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Lichtlaufstrecken mit bildleitenden Lichtleiterbündeln realisiert sind.

3. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Anordnung mehrerer Verzögerungseinheiten kausal zusammenhängende Lichtausbreitungsphänomene orts- und zeitaufgelöst in einer einzelnen Messung mit Zeitauflösungen im Subnanosekundenbereich untersucht werden können.

4. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Orts- und Zeitstruktur in der Bildebene eines Spektrometers analysiert wird.

5. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur zeitaufgelösten Messung von Spektren eine Verzögerungseinheit mit Einzelfasern vor einem Spektrometer verwendet wird und der Pikosekundenbildverstärker in der Austrittsebene verwendet wird.

6. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß kurze Folgen von Lichtpulsen parallelisiert und zeitaufgelöst registriert werden.

7. Meßanordnung nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelisierten Lichtpulse auf dem Pikosekundenbildverstärker überlagert werden.

8. Meßanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignete Beschichtung der Bildleitereintritte mit schnellen Konversionsschichten auch VUV- oder Röntgen- oder Infrarotlicht analysiert wird.

9. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus einem Medium zurückgestreute Licht eines kurzen Lichtpulses zeit- und ortsaufgelöst untersucht wird und damit dreidimensional ortsaufgelöste Information über das Medium gewonnen wird.