ФОТОЭМИССИОННЫЙ ПРОФИЛОМЕТР ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА
PHOTOEMISSION PROFILOMETER OF LASER BEAM

Изобретение относится к измерительной технике в области лазерной физики. Основное применение - измерение профиля остросфокусированных высокоинтенсивных лазерных лучей.
В настоящее время известны профилометры лазерных лучей низкой интенсивности в узком спектральном диапазоне на основе CCD и CMOS камер, пространственное разрешение которых ограничено размером пикселя CCD матрицы, порядка 10 мкм.
В US 8,686,372 описано решение для измерения профиля лазеров с высокой интенсивностью луча. Для регистрации излучения используется детектор с вращающейся штриховой диафрагмой для регистрации профиля луча. В данном решении точность измерения профиля луча ограничена вращающейся штриховой диафрагмой, что существенно снижает точность измерения остросфокусированных лазерных лучей.
В US 4,916,319 показано решение для повышения точности измерения для ультрафиолетового лазерного излучения. Регистрация излучения осуществляется 2D детектором через флуоресцентную пластину. Особенность данного решения состоит в подборе материала флуоресцентной пластины с целью ослабления лазерного излучения и увеличения линейности преобразования. Однако, часть излучения проходит через флуоресцентную пластину, что влияет на точность измерения профиля излучения, также, разрешение ограничено датчиком регистрации, а интенсивность излучения люминофором.
Наиболее близким решением является способ измерения профиля лазерного луча на основе принципа фотоэлектронной проекционной микроскопии, продемонстрированного для металлического фотокатода в форме острия с радиусом кривизны несколько сот микрон в работе «Микроскопия фотоионизационных процессов» (Квантовая электроника. 2013. Т. 43. В. 4. С. 308. рис. 5). Данный способ позволяет существенно расширить спектральный диапазон и увеличить пространственное разрешение при измерении профиля остросфокусированных лазерных лучей высокой энергии в лазерном импульсе. Данное решение принято за прототип.
Задача настоящего изобретения повысить точность измерения профиля остросфокусированного лазерного луча. Данная цель достигается за счет устранения влияния на измерения лазерного излучения, прошедшего сквозь тонкопленочный фотокатод сферической формы и падающего на позиционно-чувствительный детектор в соответствии с п. 1 формулы изобретения (фиг. 1). Данная задача решается путем введения в вакуумную колбу 1 между тонкопленочным фотокатодом 2 сферической формы и позиционно-чувствительным детектором 4 дефлектора с электрическим полем 5. Такая геометрия позволяет избежать попадания прошедшего сквозь тонкопленочный фотокатод сферической формы лазерного излучения на люминофор 3 и позиционно-чувствительный детектор 4, установленные нормально к отклоненному пучку фотоэлектронов 7.
Также, в соответствии с п. 2 формулы изобретения между тонкопленочным фотокатодом сферической формы и дефлектором с электрическим полем установлен анод 8, выполненный в виде металлической сетки сферической формы, причем центры сфер, относящихся к тонкопленочному фотокатоду сферической формы и аноду, совмещены. Данное решение обеспечивает большее пространственное увеличение в процессе измерения. А также позволяет уменьшить искажение силовых линий электрического поля, транспортирующих фотоэлектронный пучок.
В соответствии с п. 3 формулы изобретения анод 8 выполнен из графена, что обеспечивает более высокое прохождение электронов и, что позволяет повысить чувствительность регистрации.
В соответствии с п. 4 формулы изобретения реализован другой вариант фотоэмиссионного профилометра лазерного луча, заключающийся в том, что между тонкопленочным фотокатодом 2 сферической формы и люминофором 3 установлены последовательно анод 9 в виде диафрагмы с отверстием, дефлектор с электрическим полем 5 и магнитная оптика 10. Магнитная оптика, люминофор и позиционно-чувствительный детектор установлены нормально к отклоненному пучку фотоэлектронов 7 и смещены относительно входного лазерного луча 6, так, чтобы лазерный луч не попадал на люминофор и позиционно-чувствительный детектор. Анод с отверстием позволяет пропустить больший поток фотоэлектронов, а пространственное увеличение обеспечивает магнитная оптика. Данное решение позволяет увеличить чувствительность измерения и скорректировать аберрационные искажения соответствующим исполнением магнитной оптики при высоком увеличении и, таким образом, увеличить точность измерения профиля лазерного луча.
На фиг. 1 изображен фотоэмиссионный профилометр лазерного луча, реализованный на основе эмиссионного проекционного микроскопа.
На фиг. 2 изображен фотоэмиссионный профилометр лазерного луча, реализованный на основе эмиссионного электронного микроскопа.
Фотоэмиссионный профилометр лазерного луча в соответствии с п. 1 формулы изобретения реализован в виде вакуумной колбы 1, выполненной из кварца (фиг. 1) у входного окна которой, внутри колбы, расположен тонкопленочный фотокатод сферической формы 2. Внутри колбы у выходного окна расположен люминофор 3, а с наружной стороны выходного окна позиционно-чувствительный детектор 4. Между тонкопленочным фотокатодом сферической формы и люминофором расположен дефлектор с электрическим полем 5 так чтобы пучок фотоэлектронов 7 проходил через него. Выходное окно с люминофором и позиционно-чувствительный детектор смещены относительного входного лазерного луча так, чтобы на них попадал только пучок фотоэлектронов, смещенный дефлектором с электрическим полем. Анод в виде металлической сетки сферической формы 8 расположен между тонкопленочным фотокатодом сферической формы и дефлектором с электрическим полем, а источник напряжения подключен к клеммам U1 и U2 (на рисунке не показан), причем центры сфер, соответствующих тонкопленочного фотокатода сферической формы и анода, совмещены.
Работает данное устройство следующим образом: входной лазерный луч падает на тонкопленочный фотокатод сферической формы и выбивает из него фотоэлектроны; фотоэлектронный пучок ускоряется в расходящемся электрическом поле, отклоняется дефлектором с электрическим полем и падает на люминофор; люминофор преобразовывает падающий фотоэлектронный пучок в фотоны люминесценции, которые регистрируются позиционно-чувствительным детектором. Пространственное увеличение изображения профиля лазерного луча достигается за счет эффекта проекционного эмиссионного микроскопа в расходящемся электрическом поле между тонкопленочным фотокатодом сферической формы и анодом.
В соответствии с п. 4 формулы изобретения фотоэмиссионный профилометр лазерного луча реализован в виде вакуумной колбы 1, выполненной из кварца (фиг. 2) у входного окна которой, внутри колбы, расположен тонкопленочный фотокатод сферической формы 2, за которым расположен анод с отверстием 9, между тонкопленочным фотокатодом сферической формы и анодом к клеммам U1 и U2 подключен источник напряжения (на рисунке не показан). По ходу фотоэлектронного пучка 7 за анодом установлен дефлектор с электрическим полем 5, за которым, нормально к отклоненному пучку электронов, установлены последовательно несколько магнитных линз (магнитная оптика 10), люминофор 3 (внутри колбы) и позиционно-чувствительный детектор 4 с внешней стороны выходного окна. Отклонение пучка фотоэлектронов 7 и смещенное положение люминофора и позиционно-чувствительного детектора исключает попадание прошедшего сквозь тонкопленочный фотокатод сферической формы излучения на люминофор и позиционно-чувствительный детектор.
Согласно п. 4 устройство работает следующим образом: входной лазерный луч падает на тонкопленочный фотокатод сферической формы и выбивает из него фотоэлектроны, ускоренный пучок которых электрическим полем между тонкопленочным фотокатодом сферической формы и анодом отклоняется дефлектором с электрическим полем, увеличивается магнитной оптикой и попадает на люминофор. Фотоны, излучаемые за люминофором, регистрируются позиционно-чувствительным детектором.