JP2948621B2

JP2948621B2 - ストリーク管

Info

Publication number: JP2948621B2
Application number: JP13232090A
Authority: JP
Inventors: 勝之木下; 良雄磯部
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1990-05-22
Filing date: 1990-05-22
Publication date: 1999-09-13
Anticipated expiration: 2014-09-13
Also published as: JPH0425727A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は高速度で変化する光の時間的な明るさの変化
を、数10フェムト秒（fs）のオーダで計測できるストリ
ーク管に関する。

〔従来の技術〕

ストリーク装置は、被測定光の時間的な強度分布を出
力面上の空間的な強度分布に変換する装置であり、ピコ
秒（ps）台の時間分解能が得られるので超高速光現像の
解析に用いられている。

まず、従来のストリーク装置の構成および動作を簡単
に説明する。

第８図は従来のストリーク管の構成を示し、同図
（ａ）の右図は管軸を含み偏向電極に平行な平面で切断
して示した断面図、左図は光電面と光学像の関係を示す
略図である。また、第８図（ｂ）の右図はストリーク管
の管軸を含み、偏向電極に垂直な平面で切断して示した
断面図、左図は光電面と光学像の関係を示す略図であ
る。ストリーク管の真空気密容器３の一端面には、解析
しようとする光学像が結像させられる入射光透過窓（以
下、入射窓と略す。）１が設けられ、他端面には処理さ
れた光学像を形成する出力窓２が設けられている。この
真空気密容器３の管軸に沿って、入射窓１と出力窓２と
の間に順次に光電面４、メッシュ状の加速電極５、集束
電極６、アパーチャ電極７、偏向電極８および螢光面９
が配設されている。そして、集束電極６、メッシュ電極
５、アパーチャ電極７には、この順序で光電面４に対し
てより高い電圧を加え、さらに螢光面９にアパーチャ電
極７と同一の電位を与えておく。

いま、入射窓１を経て光電面４にその中心を通る線上
に光学像4aが投影されたとする。光電面４は光学像に対
応した電子像を放出し、放出された電子はメッシュ電極
５により加速され、集束電極６により集束され、アパー
チャ電極７を通過して偏向電極８の間隙に入射させられ
る。この線状の電子像が偏向電極８の間隙を通過する期
間、偏向電極８に傾斜状の偏向電圧を加える。この電圧
によって生ずる電界の方向は、管軸および線状の電子像
に垂直（第８図（ａ）の断面図において紙面に垂直、第
８図（ｂ）では紙面に平行）であり、その強さは偏向電
圧に比例する。そして、偏向電極８の偏向電界により偏
向され、螢光面９に入射させられる。

第８図（ｂ）に偏向の方向を矢印120で示してある。
螢光面９上には線状の電子ビームがその線状の方向と垂
直に走査されることにより、最終的に螢光面９上に、光
電面４に投影された線状の光学像をその線の方向と垂直
に時間的に順次配列した光学像、いわゆるストリーク像
が形成される。

したがって、出力面上の掃引方向は時間軸と見なすこ
とができ、ストリーク像の掃引方向の輝度変化は、光電
面４に入射した光学像の強度の時間的変化を表わすこと
になる。また、ストリーク装置では１個の光だけでな
く、複数個の光の強度変化を測定できる。すなわち、第
８図の光学像4aは線状像として表わされているが、この
代りに、この方向に沿って複数個の光を並べれば、その
ような計測が可能となる。例えば、被計測光として分光
器を用いて、波長λ₁,λ_２の２つの光を前述のように光
電面に並べれば、同時に２つの光の強度変化を観測する
ことができる。この場合は、第９図（ａ）に示すように
時間軸は共通であり、複数の光の強度変化の時間的相関
もわかるという特長がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述したストリーク管においては、時間分解能が低い
場合には問題とならないが、高い時間分解能が得られる
ように動作すると、次のような問題がある。つまり、高
時間分解能で動作させる場合は、掃引速度をより速くす
るので、ストリーク管の出力面上に得られるストリーク
像は、掃引方向（時間軸に対応する）に向って、より引
き伸ばされる。いいかえれば、ストリーク像はより短い
時間スケールで観測される。この時、例えば波長λ₁,λ
_２の２つの時間幅の無視できる光パルスを同時に入射し
た時、出力面上の時間軸に対応する掃引方向で同じ位置
にストリーク像が出なければならないにもかかわらず、
時間軸方向で異なる位置に出てしまう。第９図（ｂ）に
は、このような場合のストリーク像を示す。

そこで、その原因を追究したところ、波長によって生
じる入射窓１内での２つの光の走行時間差であることが
わかった。つまり、入射窓を形成する物質の屈折率をｎ
とすると、面板内での光速はｖ＝c/n（ｃは、真空中で
の光速）で示される。ここで、屈折率ｎは波長により異
なり、例えば入射窓１の材質をコバールガラスとし、そ
の厚みをdmmとした時には、２つの光の波長をそれぞれ3
50nm、850nmとすれば、入射窓１内での２つの光の速度
は、それぞれ1.9×10⁸m/s,2.0×10⁸m/sとなるので、入
射窓１内での２つの光の走行時間差Δｔは次式で示され
る。

従来のストリーク管では、（１）式中の厚みｄは３〜
5mmである。例えば、ｄを4.5mmとすれば、（１）式より
２つの光の走行時間差はΔｔ＝1.18ピコ秒（ps）とな
る。これにより、２つのパルス光をストリーク管に同時
に入射したとしても、出力面上の掃引方向で同位置にス
トリーク像が現れないことがわかる。

ところで、従来のストリーク管で入射窓１の厚みが４
〜5mmと厚いのは、大気圧に耐える機械的強度を持たせ
るためと、第10図に示すように、光電面４とメッシュ加
速電極５との間隔を1mm程度と小さくして、この部分の
電界を強くする必要があり、その際、必要な部分以外は
両方の電極をなるべく離して電気的な耐圧を良くするた
めに、入射窓１の形状を真空側に凸としているためであ
る。なお、光電面４とフランジ７の接続は、入射窓１に
形成された金属膜10によりとられている。

さらに、上記の問題点の他に、入射窓１が厚いともう
１つの問題点がある。すなわち、最近は100fsあるいは
数10fsの時間分解能のストリーク管が求められている
が、このような場合について、ストリーク管の各部で生
ずる時間拡がりについて調べたところ、従来のストリー
ク管では無視されていた入射窓１内での光パルスの拡が
りが無視できないこともわかった。

一般的に、時間幅ΔＴのパルス光は、次式で示される
波長拡がりΔλを伴う。

ここで、λは被計測光の中心波長、ｃが光速である。
このような波長分散により、従来のストリーク管ではそ
の入射窓１の厚みが３〜5mm程度あるので、短パルス光
がこのガラスの厚みを走行している間に時間的に拡がっ
てしまい、時間分解能を劣化させている。第11図には、
厚み4.5mmのコバールガラスの入射窓１に、波長がそれ
ぞれλ＝350nm、600nm、850nmの被計測光が入射した
時、その入力側表面でのパルス幅を横軸にとり、透過し
たあとのパルスの広がりを横軸にとって示している。こ
れにより、例えば波長600nmの20fsのパルス光は約96fs
に広がってしまい、ストリーク管の時間分解能を大幅に
劣化させることがわかる。

本発明は、上述した問題点を解決したストリーク管を
提供することを課題としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係るストリーク管は、入射窓に形成された光
電面から放出された光電子ビームによる出力像を、所定
の出力面に生成するものにおいて、入射窓の厚みは、当
該入射窓において生じる測定すべき２つの波長の光の間
の光路差が、上記出力面に生成されるストリーク像に悪
影響を与えない程度となっていることを特徴とする。

〔作用〕

本発明では、入射窓を薄くするようにしているので、
下記のような作用を奏する。まず、第１の問題点である
２つの波長の異なる光が入射窓内でその走行時間が異な
るため、同時にその２つの光がストリーク管に入射して
も、出力面上で時間軸の異なる位置に出てしまう点につ
いては、（１）式よりわかるように窓厚を薄くすること
により改善することができる。つまり、先にあげた例を
用いて入射窓の材質をコバールガラスとして、２つの光
の波長を350nm、850nmとして説明すれば、（１）式より
入射窓の厚みが従来の4.5mmならば、その２つの光の入
射窓内での走行時間差は、1.18psであるが、入射窓の厚
みを0.5mmとすれば、走行時間差を0.131psと大幅に改善
できることがわかる。

また、非常に短いパルス光をストリーク管に入射した
時、入射窓内での波長分散によりパルス幅が拡がってし
まう点についても、その窓の厚みを薄くすることによ
り、その拡がりを抑えることができる。すなわち、入射
窓の材質はコバールガラスで、波長がそれぞれ350nm、6
00nm、850nmの被計測光が入射した時の入射窓内で発生
するパルス拡がりを、入射窓の厚みを従来の4.5mmより
薄くしたものについて計算した結果を、第12図および第
13図に示す。第12図は1mmの厚さ、第13図は、0.5mmの厚
さの入射窓を用いたもので、横軸は入力側表面でのパル
ス幅、縦軸はその入射窓の厚みを透過した後のパルス幅
を示す。第11図と比較すればわかるように、例えば、波
長600nmでパルス幅20fsの入射光は、厚み4.5mmの入射窓
では約96fsに広がるが、厚み1mm、0.5mmの入射窓では、
それぞれ約24fs、約21fsと拡がりが非常に小さくなって
いるのがわかる。

また本発明では、このような薄い面板をストリーク管
の入射窓に使用するための具体的手法として、その機械
的強度を増すための構造や、材料の選択についても提案
している。

〔実施例〕

以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。

第１図は第１の実施例に係るストリーク管の全体構成
を示している。図示の通り、真空気密容器３の前端面に
は入射窓１が設けられ、後端面には出力窓２が設けられ
ている。入射窓１の内面には光電面４が形成され、この
光電面４とフランジ７は金属膜10により接続されてい
る。また、出力窓２の内面には螢光面９が形成されてい
る。光電面４の前面にはメッシュ電極５が対向して設け
られ、これにより加速された光電子は集束コイル６によ
り集束されて、偏向電極８により図中の上下に偏向され
る。なお、この実施例におけるストリーク管では、入射
窓１にコバールガラス製の面板を用い、その厚さは約1m
mとしている。

上記ストリーク管において、光電面４とメッシュ電極
５の間隔を1.6mmとし、光電面４に−10KVを印加し、メ
ッシュ加速電極５は0Vとすると、光電子は約6.3KV/mmと
いう大きな電界で加速される。このため、ストリーク速
度が２×10⁸m/sになるように傾斜状の偏向電圧を偏向電
極８に加えれば、約400fsの時間分解能が得られる。こ
の場合、入射窓１の厚みを従来の4.5mmから1mmにしてい
るので、異なる波長の光を複数個入れても、入射窓１内
での各々の波長の光の走行時間差は、従来の4.5mm厚に
比べて1/4.5となり、相互の光の強さの時間的相関を出
力窓２の螢光面９上で、より正確に知ることができる。

例えば、波長350nm、850nmの２つの光を、２つ並べて
ストリーク管に入射した時、従来の4.5mm厚の入射窓１
を用いたものでは入射窓１内での走行時間差が1184fsで
あったが、上記実施例ではその1/4.5の262fsとなる。こ
のため、約400fsの時間分解能の得られる掃引速度２×1
0⁸m/sの動作条件下で、前述した２つの波長の時間幅の
無視できるパルス光が同時にストリーク管に入射しても
出力窓２上で掃引方向においてほぼ同位置にストリーク
像が現われ、前述した問題点の改善がなされる。この実
施例では、窓の厚みを1mmにした場合を示しているが、2
mm程度でも従来の4.5mm厚と比較すれば各々の波長の光
の走行時間差は、従来に比べ2/4.5となるので、大きな
改善があるといえる。

また、さらに入射窓１の厚みを薄くすれば、問題点は
より改善されるが、その場合１つの難点は、大気圧に対
する機械的強度である。それを改善する方法として、入
射窓１の材質をサファイヤとする手法がある。サファイ
ヤを用いることにより、入射窓１の厚みを0.2mmとして
も、大気圧に耐えるものが可能となる。第１図の実施例
の入射窓１を、厚み0.2mmサファイヤ窓に変えることに
より、入射窓１内での波長差による走行時間差をさらに
小さくできる。例えば、先に説明したと同じ波長350n
m、850nmの２つの光では、このサファイヤ窓内での走行
時間差は74fsとなり、さらに改善されるのがわかる。ま
た、他に薄くしても強度の大きい材質として石英があげ
られる。

さらに、電気的耐圧も考慮して真空側に凸とした厚み
の薄い入射窓１を用いたストリーク管の別の実施例とし
て、第２図、第３図に要部構成を示すものがある。第２
図に示すものは、真空側に伸ばしたガラス円筒11の頂部
に、薄い面板12を融着して入射窓１を構成したものであ
る。この場合、面板12の上に形成される光電面４とフラ
ンジ７の接続は、ガラス円筒11に形成された金属膜10で
実現されている。第３図に示したものは、円錐状であっ
て真空側に凸となったガラスパイプ13の頂部に、薄い面
板14を融着して入射窓１を構成したものである。

第４図および第５図は、真空側に凸とするとともに、
機械的強度も保つようにした厚みの薄い入射窓１を用い
たストリーク管の別の実施例である。第４図に示すスト
リーク管では、真空側に凸とした厚いガラス材15の一部
だけに穴をあけ、例えば直径1mm、厚み0.5mmの薄い膜16
を形成する。この場合、薄い部分16の面積が小さいの
で、機械的強度が大きくなる。第５図は、ガラス又は金
属の比較的厚い（３〜5mm）板17の真中に、例えば直径1
mmの穴をあけ、この真空側の面に薄い窓材18を接着物質
（図示せず）を介して気密に接着した入射窓１を用いた
ストリーク管を示す。この場合も、薄い部分18の面積が
小さくなるので、機械的強度を増すことができる。な
お、この場合、貫通孔は円形状だけでなく、スリット状
にしてこの方向に被計測光を線状に結像することもでき
る。

第６図に示す実施例のストリーク管は、メッシュ状金
属構体51の上に薄い面板19を接着して入射窓１を構成す
ることにより、機械的強度を増したものである。この場
合、メッシュ状金属構体51はフランジ７に接続されてお
り、金属構体51と光電面４は金属膜10により接続されて
いるので、結局は光電面４はフランジ７に接続されてい
る。

次に、薄い入射窓１を用いることにより、著しく高い
時間分解能を実現するストリーク管の実施例を第７図に
示す。この場合、ストリーク管の電子光学系は、先に出
願した特願平１−290345号に詳述されている。

図示の通り、透過型の光電面４は、真空気密容器３に
おける入射窓１の内側に形成され、これに対して第１反
射電極43は、その表面を図において約20度下向けに傾け
て光電面４に対向して配置されている。この光電面４と
第１反射電極43との間には加速電極（メッシュ電極）５
が配置されている。第２反射電極44は光電面４と平行
に、かつ加速電極５を間にして第１反射電極43と斜めに
対向するように配置されている。更に、真空気密容器３
内には、第１反射電極43を囲むようにして遮蔽電極72が
配置されている。加速電極５に対して第２反射電極44の
反対側で隣接し、かつ、遮蔽電極72を間に第１反射電極
43に隣接する位置には偏向電極８が配置されている。更
に、この偏向電極８の加速電極５の反対側に隣接する位
置で、真空気密容器３の外側には集束コイル６が配置さ
れている。出力窓２の内側に形成された螢光面９と偏向
電極８との間の位置で、真空気密容器３の内周面にはウ
ォールアノード90が形成されている。

ストリーク管で光電子が真空中に放出されてからの時
間分解能を制限する要因は、光電面４から放出された光
電子の初速度のバラツキにより、これら光電子群が偏向
電極８に到達する時間拡がりが支配的である。そこで、
この実施例に示すストリーク管では、第１反射電極43と
第２反射電極44を用いることにより、図でわかるように
放出速度の大きな光電子ほど長い走行距離となるように
している。このため、光電子の走行時間を補正すること
でき、例えば、20fsというような小さな走行時間拡がり
を達成することができる。

但し、このストリーク管の入射窓１に従来と同じ厚さ
の入射窓をつけたのでは、前記したように、例えば4.5m
m厚のコバールガラスからなる入射窓では、波長600nmの
20fsのパルス光は、窓内で96fsに広がってしまう。この
ため、ストリーク管の電子光学系の時間分解能である20
fsを生かすことができない。そこで本実施例では、入射
窓１はコバールガラス面板の一部を0.5mmまで薄くした
ものから構成されるようにしたので、波長600nmで幅20f
sのパルス光は、入射窓１内で21fsしか広がらず、電子
光学系の時間分解能が20fsであるので、全体でとなり、非常に高い時間分解能のストリーク管を実現す
ることができる。

〔発明の効果〕

以上、詳しく説明したように、本発明に係るストリー
ク管によれば、多くの波長の異なる光を並列して入射し
ても、それらのストリーク管の入射窓内の走行時間差を
非常に小さくできるので、それらの強度の時間変化の時
間的相関を正確に計測できる。また、非常に高時間分解
能のストリーク管が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るストリーク管の全体構成
図、第２図、第３図、第４図、第５図および第６図はそ
れぞれ別の実施例に係るストリーク管の要部構成図、第
７は本発明の更に別の実施例に係るストリーク管の全体
構成図、第８図は従来のストリーク管の全体構成図、第
９図はストリーク像の説明図、第10図は従来例の要部構
成図、第11図、第12図および第13図はパルス幅とパルス
の拡がりを示す特性図である。１……入射窓,2……出力窓,3……真空気密容器、４……
光電面、５……メッシュ電極（加速電極）、６……集束
コイル、７……フランジ、８……偏向電極、９……螢光
面、10……金属膜。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01J 1/00 - 1/46 G01J 3/00 - 3/52 ＪＯＩＳ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光透過窓に形成された光電面から放出
された光電子ビームによる出力像を、所定の出力面に生
成するストリーク管において、前記入射光透過窓の厚みは、当該入射光透過窓において
生じる測定すべき２つの波長の光の間の光路差が、前記
出力面に生成されるストリーク像に悪影響を与えない程
度となっていることを特徴とするストリーク管。
【請求項２】前記入射光透過窓がサファイヤもしくは石
英から形成されている請求項１記載のストリーク管。
【請求項３】前記入射光透過窓が単一の面板の一部を薄
肉に形成してなる請求項１記載のストリーク管。
【請求項４】前記入射光透過窓が、前記光電面側に凸と
なった筒体の頂部に薄い面板を有して形成されている請
求項１記載のストリーク管。
【請求項５】前記入射光透過窓が、貫通孔を有する板材
に、当該貫通孔をふさぐ薄い面板を設けてなる請求項１
記載のストリーク管。
【請求項６】前記入射光透過窓が、メッシュ状の金属構
体に薄い面板を固設して形成されている請求項１記載の
ストリーク管。