Спосіб формування короткого оптичного імпульсу заданої тривалості

Изобретение относится к области оптикофизических измерений и может быть использовано для целей метрологического обеспечения лазерной импульсной дальнометрии. Известен способ формирования оптических импульсов заданной длительности t, по которому формируют исходный оптический импульс длительности tu, пропускают его через входную оптическую систему с помощью -которой получают изображение входной щели размера l, сканируют это изображение по выходной неподвижной щели размера L и измеряют при этом скорость вращения v развертывающего устройства системы сканирования, пропускают полученный на выходной щели оптический импульс через выходную оптическую систему. Длительность сформированного импульса tсф находят по формуле Изменяя скорость вращения v, добиваются, чтобы найденная по этой формуле длительность совпала с требуемой длительностью t. К недостаткам данного способа можно отнести то, что минимальная величина длительности сформированного оптического импульса ограничена и имеет порядок 1 × 10-7 - 1 × 10-6с, изза ограничений, связанных с максимальным значением величины скорости вращения развертывающего устройства системы сканирования (Метрологическое обеспечение энергетической фотометрии. - М.: Атомиздат, 1979. - С.119 - 120). В качестве прототипа выбран способ формирования короткого оптического импульса заданной длительности t, при котором формируют исходный оптический импульс, длительность которого tu может отличаться от t, преобразуют его в два оптических импульса II и III, такой же длительности, измеряют длительность одного из них II аттесто ванным измерителем, устанавливая, что ее значение находится в интервале tmin £ tu £ tmax, изменяя длительность исходного импульса tu, добиваются, чтобы это значение минимально отличалось от требуемой длительности t, и считают, что в этом случае второй сформированный оптический импульс имеет заданную длительность (Измерительная техника. 1977. - №3. - С.56 - 58. Н.В. Аникеева, Л.И. Батогина, Т.К. Егорова и др. Поверочная установка высшей точности для средств изменения длительности одиночного оптического импульса излучения). К недостаткам этого способа относятся малая точность воспроизведения длительности короткого оптического импульса, которая не превосходит точности аттестованного измерителя длительности и невысокая стабильность воспроизведения длительности, которая определяется стабильностью системы, формирующей исходный оптический импульс. В основу способа формирования короткого оптического импульса заданной длительности поставлена задача повышения точности и стабильности воспроизведения заданной длительности короткого оптического импульса. Поставленная задача достигается за счет того, что в способе формирования короткого оптического импульса заданной длительности t, содержащем формирование исходного оптического импульса, длительность которого tu может отличаться от t, преобразование его в два оптических импульса II и III такой же длительности и измерение длительности одного из них II, которое устанавливает, что значение длительности находится в интервале tmin £ tu £ tmax, предусмотрены следующие отличия: а) преобразуют второй импульс III в N оптических импульсов III1, III2, ..., IIIn такой же длительности и одинаковой амплитуды, причем значение величины N выбирают так, чтобы выполнялось неравенство N ³ 2t/tmin ; б) задерживают второй из этих N импульсов III2 по отношению к первому III1 , третий - III3 - по отношению ко второму III2, ..., N - й по отношению (N - 1) - му на величину Dt, равную t/N; в) складывают все N оптических импульсов III1, III2 , ..., IIIN. Все предлагаемые операции, являющиеся существенными отличительными признаками, известны в науке и технике (Измерительная техника. - 1987. - №9. - С.25 - 29. Андрусенко А.М., Ганчин В.В., Голенкова К.В., Прокопов А.В. Линии задержки для формирования последовательности оптических импульсов. А.с. №1422188 A1, 1988). Однако, благодаря использованию этих признаков во взаимосвязи друг с другом и в строго определенной последовательности способ формирования коротких оптических импульсов заданной длительности приобретает качественно новое положительное свойство - позволяет решить проблему повышения точности и стабильности воспроизведения заданной длительности коротких оптических импульсов, что особенно важно для целей метрологического обеспечения импульсных дальномеров. На фиг.1 приведены огибающие оптических импульсов III1, ..., IIIA (а) - прямоугольной, (б) треугольной, (в) - колоколообразной, (г) экспоненциальной форм и соответствующие огибающие суммарных импульсов значений для На фиг.2 показано как зависит погрешность, с которой формируется оптический импульс заданной длительности t согласно предлагаемому способу, от величины требуемой длительности t, а также от формы и длительности исходного импульса. На фиг.3 приведен пример блок-схемы устройства для технической реализации предложенного способа формирования короткого оптического импульса заданной длительности. Способ характеризуется следующими операциями: 1) формируют исходный оптический импульс, длительность которого tu может отличаться от требуемой длительности t; 2) преобразуют исходный оптический импульс в два оптических импульса II и III такой же длительности tu; 3) измеряют длительность tu оптического импульса II, устанавливая, что t u лежит в интервале [tmin, tmax]; 4) преобразуют оптический импульс III в N оптических импульсов III1, ..., IIIN такой же длительности и одинаковой амплитуды, причем значение величины N выбирают так, чтобы выполнялось неравенство N ³ 2t/tmin ; 5) задерживают второй из эти х N импульсов III2 по отношению к первому III1, третий - III3 - по отношению ко второму III2, ..., N - й по отношению к (N - 1) - му на величину де, равную t/N; 6) смешивают все N оптических импульсов III1, III2 , ..., IIIN и считают, что полученный суммарный оптический импульс Iå имеет длительность t для всех tau > t max. Способ реализуется следующим образом. В устройстве, блок-схема которого изображена на фиг.3: 1) операция формирования исходного оптического импульса осуществляется, например, лазером 1, работающим в режиме синхронизации мод и генерирующим оптические импульсы длительность которых может быть достаточно малой; 2) операция преобразования исходного оптического импульса в два оптических импульса II и III, такой же длительности tu осуществляется с помощью светоделительной пластины 2, распределяющей излучение по двум каналам 3) операция измерения длительности оптического импульса может выполняться любим измерителем длительности 3. (Заметим здесь, что погрешность измерителя при этом не влияет на точность метода, но изменяет сам интервал tmin ¸ tmax; 4) операция преобразования оптического импульса III в N оптических импульсов III1, ..., IIIN выполняется с помощью оптического блока 4 (например, молочного стекла), преобразующего оптический импульс III в равномерно распределенное в пространстве оптическое излучение, и N оптических световодов 5 (например, полые с L >> d, где L - длина световода, a d - его диаметр). 5) операция задержки каждого из оптических импульсов III2 , ..., I IIN по отношению к предыдущему на величину Dt осуществляется за счет того, что оптические световоды выполнены так, что длины двух ближайших световодов отличаются на величину DL = const вследствие чего времена задержки оптического импульса для каждого световода отличаются на величину кратную Dt, которая пропорционально DL. DL выбирают таким, чтобы выполнялось Dt = t/N; 6) операция суммирования оптических импульсов III1, ..., IIIN выполняется с помощью блока оптического суммирования 6, например, линзы. В способе прототипе точность воспроизведения требуемой длительности t короткого оптического импульса не может превышать точности измерения длительности исходного импульса tu аттестованным измерителем. Например, неисключенная систематическая погрешность измерения длительности короткого оптического импульса аттестованным измерителем в способе-прототипе, в интервале 5 × 10-9 - 5 × 10-10 с составляет 20%, причем точность уменьшается с уменьшением величины t. Стабильность же воспроизведения заданной длительности ограничена возможностями системы, формирующей исходный импульс длительности tu. Чтобы показать, что в заявляемом способе повышается точность и стабильность воспроизведения заданной длительности короткого оптического импульса рассмотрим, как зависит длительность, сформированного по этому способу суммарного оптического импульса tå от формы и длительности tu исходного импульса. На фиг.1 проиллюстрирована зависимость tå формы исходного импульса. Параметры tmin, tmax, t, и N выбрано так, чтобы в соответствии с заявляемым способом выполнялось условия N ³ 2t/tmin t >, tmax. Огибающая исходного импульса прямоугольной формы (кривая (а)) - описывается выражением треугольной формы (кривая (б)) выражением колоколообразной выражением формы (кривая (в)) экспоненциальной выражением формы (кривая (г)) Как видно из рисунков на этой фигуре, огибающие суммарных импульсов могут существенно отличаться для различных форм огибающих исходных импульсов, однако, длительности суммарных импульсов tå отличаются при этом от требуемой величины t менее, чем на 3% (для выбранных значений t и N). Характеризуя погрешность метода величиной S = (I t å - tI/t) × 100%, из фиг.1 получаем для прямоугольного импульса (а) - d = 0%; для треугольного импульса (б) - d = 1,6%; для колоколообразного импульса (в) d = 0,4%; для экспоненциального импульса (г) d = 2,6%. Длительность tå суммарного импульса, сформированного по заявляемому способу, может зависеть не только от формы исходного импульса, но и от его длительности tu, а также от требуемой длительности t. Действуя так же, как и при построении кривых на фиг.1 можно получить значения tå и, следовательно, определить погрешность метода d = (I tå - tI/t) × 100% для любых комбинаций величин t и tu и любых огибающих исходных импульсов. На фиг.2 показано как зависит погрешность метода d от величины требуемой длительности t (нормированной на tmax) для огибающих исходных импульсов, изображенных на фиг.1 и для длительностей этих импульсов равных Анализ приведенных результатов показывает, что погрешность метода во всех случая х не превышает 30% для t ~ tmax, быстро уменьшается с ростом t и становится меньше 3% для tau > 1,7tmax. Существенным при этом является то, что погрешность метода практически не зависит от длительности исходного импульсе tu, которая может принимать любые значения в интервале tmin - tmax. Именно это обстоятельство является основным при объяснении преимуществ заявляемого способа по сравнению со способомпрототипом. Действительно, как следует из описания способа-прототипа, длительность сформированного по этому способу импульса совпадает с длительностью исходного импульса tu и, вообще говоря, отличается от требуемой длительности t (хотя измеренное значение tuизм » t). Это отличие, которое и определяет погрешность самого способа, тем больше, чем больше нестабильность системы, формирующей исходный импульс и чем больше погрешность, с которой измеряется длительность этого импульса, т.е. чем больше интервал tmin - tmax, которому принадлежат все возможные значения длительности tu исходного импульса. В заявляемом способе нестабильность системы формирования исходного импульса и погрешность измерения его длительности также определяют интервал tmin - tmax, однако, длительность сформированного по этому способу импульса tå практически не зависит от tu, а значит от величины интервала tmin - tmax, и, как следует из фиг.2, с большой точностью совпадают с требуемой длительностью t. Именно это свойство, т.е. независимость длительности сформированного оптического импульса tå от точностных характеристик измерителя длительности исходных импульсов и от стабильности системы, формирующей эти импульсы, позволяет повысить точность и стабильность при формировании короткого оптического импульса согласно заявляемому способу по сравнению со способом-прототипом. Таким образом, из всего вышеизложенного следует, что благодаря отличительным признакам и достигается качественно новый положительный эффект, а именно, повышение точности и стабильности воспроизведения заданной длительности короткого оптического импульса.