eng
Выпуск #4/2014
М.Щелев
Первооткрыватель пикосекундной электронно-оптической хронографии. Часть II
Первооткрыватель пикосекундной электронно-оптической хронографии. Часть II
Просмотры: 5583
Высокоскоростные электронно-оптические преобразователи (ЭОП) – уникальные научные приборы для фотографической регистрации быстропротекающих процессов и изучения сверхкоротких явлений пико-фемтосекундной длительности в физике лазерной плазмы, нелинейной и волоконной оптике, газодинамике, фотобиологии. В продолжении обзора рассмотрено развитие приборов технической физики, которые способны обеспечить передачу информации даже с аттосекундным временным разрешением.
Теги: electrooptical transducers stop-action registration регистрация быстропротекающих процессов электрооптические преобразователи
ЭОП и лазерный бум
Техническая реализация физических принципов пико-фемтосекундной электронно-оптической фотографии растянулась на многие годы, а потенциальные возможности повышения временнόго разрешения ЭОП на три порядка величины (от 10 пс до 10 фс) будоражат и поныне интерес многих исследователей. Успехи применения времяанализирующих ЭОП в физических экспериментах являлись одновременно мощным стимулом совершенствования самих ЭОП, а возникшая потребность в электронно-оптической диагностической аппаратуре привела к необходимости изготовления мелких партий этих приборов [23–25].
После основополагающих экспериментов, проведенных в середине 50-х годов Е.К.Завойским с сотрудниками, на смену шестикаскадным УМИ-95 с напряженностью поля у фотокатода ПИМ-3 ≤60 В/мм и скоростью развертки 2∙109 см/с в 1959 году пришли приборы серии УМИ-95В. В этих приборах за счет прикатодного кольцевого электрода была повышена более чем на порядок величины напряженность электрического поля у входного фотокатода (вплоть до 600–900 В/мм) (по данным измерений в электростатической ванне). Для развертки фотоэлектронных изображений, ограниченных точкой, вместо обычных отклоняющих пластин конденсаторного типа с колпачковыми выводами С.Д.Фанченко с соавторами разработал новую отклоняющую систему. Она состояла из двух открытых резонаторов, настроенных на длину волны 10 см, расположенных под прямым углом друг к другу и заканчивающихся вакуумно-плотными коаксиальными вводами. На УМИ-95В была реализована непрерывная эллиптическая развертка с большой полуосью эллипса – 10 мм. Максимальная скорость развертки точечных фотоэлектронных изображений была повышена на порядок величины и составила (1–2) ∙ 1010 см/с, что, в принципе, обеспечивало техническое временное разрешение вплоть до 8 ∙ 10-13 с.
В режиме непрерывной развертки импульсов многоэлектронной темновой эмиссии на УМИ-95В было экспериментально подтверждено, что электроны каждой группы, вылетающие из общей точки фотокатода, покидают его с разбросом по времени не более чем несколько пикосекунд. Тот же эксперимент, повторенный с ЭОП УМИ-95, показал, что зарегистрированная длительность многоэлектронной темновой эмиссии равна нескольким десяткам пикосекунд. Таким образом, в ноябре 1960 года С.Д.Фанченко, опираясь на результаты своих экспериментов с УМИ-95В, сделал вывод "о практической возможности довести временное разрешение электронно-оптической хронографии до нескольких единиц на 10–13 с."
Принципиально новая ситуация для испытания и совершенствования пико-фемтосекундных ЭОП сложились после середины 60-х годов, когда ЭОП раскрыли свои уникальные регистрирующие возможности в лазерных экспериментах и в экспериментах по лазерному УТС. В этих экспериментах практическая возможность реализации временнóго разрешения лучше 10 пс была особенно востребованной. После появления первых лазеров с синхронизацией мод возникла реальная потребность в камерах на ЭОП с временным разрешением порядка одной или даже долей пикосекунды. И в решение этой задачи Е.К.Завойский со своими коллегами также внесли заметный вклад. В творческом взаимодействии с М.М.Бутсловым, Б.М.Степановым и другими сотрудниками ВНИИ оптико-физических измерений [27] Евгений Константинович сосредоточил усилия своего коллектива на существенной модернизации УМИ-95В путем использования резонансной СВЧ-развертки непрерывного действия, работающей на длине волны 3 см [28–29]. В этом новом времяанализирующем ЭОП, созданном в 1970 году и получившим наименование "Пикохрон", электроны попадали в отклоняющую систему через входное отверстие диаметром 2,5 мм. Отклонение осуществлялось электрическим СВЧ-полем в области "щели" двух взаимно перпендикулярных резонаторов. Оба резонатора типа "щель-отверстие" настраиваются на одну и ту же частоту, равную 10 ГГц. Для точной подстройки в одном из резонаторов предусмотрен плунжер. Возбуждение каждого резонатора производится через петлю связи коаксиального ввода, наружный конец которого является элементом волноводно-коаксиального перехода. При сканировании изображения непрерывно светящейся точки, развертке можно было легко придать форму окружности, эллипса или прямой путем изменения сдвига фаз с помощью фазовращателя.
Один из первых экспериментов научного коллектива под руководством Е.К.Завойского с использованием "Пикохрона" состоял в развертке импульсов многоэлектронной компоненты темновой эмиссии входного серебряно-кислородно-цезиевого фотокатода. Известно, что при отсутствии освещения фотокатода с него вылетают электроны "темнового шума", состоящего из двух компонент – одноэлектронной и многоэлектронной. Одноэлектронная компонента (102–103 электронов ∙ см2/с) объясняется механизмом термоэлектронной эмиссии с фотокатода и описывается обычной формулой Ричардсона. Многоэлектронные импульсы (104–105 электронов ∙ см2/с) по-видимому, возникают в результате попадания на фотокатод ускоренного электрическим полем иона (например, иона цезия). Сами импульсы имеют значительный статистический разброс по числу электронов в отдельной пачке (от 5 до 15). В режиме непрерывной эллиптической развертки импульсов многоэлктронной темновой эмиссии на "Пикохроне" [28] было экспериментально подтверждено, что электроны каждой группы, вылетающие из общей точки фотокатода, покидают его с разбросом по времени не более чем несколько пикосекунд.
В этой серии экспериментов учеными ИАЭ еще раз было доказано, что для фотоэмиссионных изображений, характеризующихся на порядок меньшим разбросом начальных энергий фотоэлектронов по сравнению с изображениями от "темнового шума" фотокатода, предельное физическое временное разрешение ПИМ-3, определяемое только хроматическими аберрациями первого порядка, должно быть не хуже 5–10 пс (Е < 60 В/мм; Е = 2 · 109 см/с), а для "Пикохрона"(Е < 900 В/мм; Е = 2 · 1010 см/с) оно должно быть около одной пикосекунды или лучше!
В лазерных экспериментах, поставленных в 1972–1975 годы С.Д.Фанченко в лабораториях академика Н.Г.Басова с участием П.Г.Крюкова и его сотрудников [30–32], "Пикохрон" работал в режиме трохоидальной развертки: с помощью резонаторной СВЧ-отклоняющей системы фотоэлектронные изображения непрерывно развертывались по эллипсу, а при лазерном поджиге разрядника происходило однократное линейное отклонение изображений с помощью дополнительной пары пластин, размещенных в "Пикохроне". Максимальная скорость развертки на экране ЭОП равнялась (4–6) ∙ 1010 см/с, что в принципе обеспечивало достижение технического временнóго разрешения лучше 5 ∙ 10–13 с. При таком высоком временном разрешении полный цикл развертки составлял 50–100 нс, что позволяло регистрировать несколько аксиальных периодов излучения неодимового лазера с самосинхронизацией мод. Период развертки был в точности привязан к частоте 3 см (частоте магнетрона), а требования к нестабильностям срабатывания импульсных схем управления снизились до 10–8 с. Изображение появлялось с одного края экрана, прочерчивало трохоиду и уходило за пределы поля зрения с противоположной стороны.
Система повторной (многоканальной) регистрации была основана на том, что излучение лазера перед попаданием на фотокатод ЭОП пропускалось через два параллельных друг другу полупрозрачных зеркала, расстояние между которыми могло меняться. Объектив фокусировал все пучки в одну точку входного фотокатода "Пикохрона", давая на экране диаметр пятна ~0,2 мм. Методика повторной регистрации обеспечивала учет собственных аппаратурных эффектов, позволяла легче попасть в линейную область динамического диапазона регистрации, и при изменении расстояния между зеркалами позволяла определить направление развертки. Подводя итоги экспериментов по использованию "Пикохрона" для измерения временнόй структуры излучения неодимового лазера на силикатном стекле в режиме самосинхронизации мод, можно констатировать, что минимально зарегистрированная длительность одиночных лазерных пичков оказалась равной 1,7 пс.
Следует отметить, что на ЭОПах с ускоряющей сеткой вблизи фотокатода, разработанных во ВНИИОФИ по заказу ФИАНа в начале семидесятых, напряженность электрического поля была повышена более чем на два порядка величины по сравнению с ПИМ-3. Впервые субпикосекундное временнóе разрешение, составившее 0,7 пс, было достигнуто в 1976 году группой исследователей ФИАН, руководимой А.М.Прохоровым, на трубке УМИ-93М, разработанной и изготовленной во ВНИИОФИ Г.И.Брюхневичем, Б.М.Степановым [33] в режиме линейной (щелевой) разверти при регистрации синусоидально-модулированного излучения с периодом 1,4 пс и глубиной модуляции >10% на длине волны 1060 нм. При этом скорость щелевой развертки достигала 5,5 · 1010 см/с, а напряженность электрического поля у фотокатода была ≥3 кВ/мм. Основным элементом камеры являлся лазерный искровой разрядник, формировавший прямоугольный импульс с субнаносекундными фронтами и амплитудой до 20 кВ. Коэффициент усиления по яркости ЭОП надежно обеспечивал режим регистрации каждого фотоэлектрона, покидающего входной фотокатод. Использовался кислородно-серебряно-цезиевый фотокатод с поверхностным сопротивлением ≤10 Ом/□ и спектральной чувствительностью, простирающейся до 1,5 мкм. Особенности экспериментов с времяанализирующими ЭОП, проводимыми в ФИАН, состояла в развертке изображений, ограниченных узкой щелью, вдоль которой (в отличии от "Пикохрона") могло укладываться одновременно много десятков пространственно-разрешенных каналов.
Итак, в полном согласии с предсказаниями Е.К.Завойского, временнóе разрешение ЭОП в диапазоне от десятка до долей пикосекунды было надежно освоено к концу 1970-х годов как у нас в стране, так и за рубежом.
Современное состояние
и тенденции развития
пико-фемто-аттосекундной фотоэлектроники
Приоритет отечественной науки в области пико-фемтосекундной электронно-оптической фотографии подтверждался в многочисленных российских докладах, представленных на всех международных конгрессах по формированию изображений БПП и фотонике: Япония (2000 г.), Франция (2002), США (2004), Китай (2006), Австралия (2008), Япония (2010), Южная Африка (2012). Упомянем здесь лишь некоторые, на наш взгляд важные, результаты, полученные в ИОФ РАН:
•разработка, изготовление и испытание фемтосекундного ЭОП типа ПВ-ФС-М с импульсным питанием промежутка фотокатод-сетка;
•создание пико-фемтосекундной фотоэлектронной пушки, предназначенной для экспериментов по изучению вещества на атомно-молекулярном уровне методами дифракции электронов;
•завершение концепции построения тиражируемой щелевой (стрик) камеры, обеспечивающей максимальное временное разрешение не хуже 200 фс.
Новую тенденцию в развитии пико-фемтосекундной фотоэлектроники обозначили работы по формированию пучков электронов фемто- и даже аттосекундной длительности в квазистационарных фокусирующих полях (см. рисунок). Об этих работах, поставленных в ИОФ РАН, было заявлено в 2002 году на XXV международном конгрессе по высокоскоростной фотографии и фотонике во Франции. Принципиальный вклад в идею использования квазистационарных фокусирующих полей внес М.А.Монастырский [36]. В отделе фотоэлектроники ИОФ РАН были разработаны и испытаны экспериментальные образцы пико-фемтосекундной электронной пушки. Показательный эксперимент, проведенный на макете фотоэлектронной пушки, подтвердил возможность 25-кратного сжатия исходного фотоэлектронного пучка 7-пс длительности вплоть до 285 фмс.
Итак, усилиями школы академика Е.К.Завойского более шестидесяти лет тому назад был заложен фундамент нового раздела технической физики – пико-фемто-аттосекундной фотоэлектроники. Это направление живо и по сей день, активно развивается, в первую очередь усилиями российской академической науки, вносит ценный вклад в сокровищницу человеческих знаний о физике и приближает нас к познанию быстропротекающих процессов, происходящих за все более и более короткие временные интервалы [37].
Заключение
Когда-то А.М.Прохоров, отвечая на вопрос, кого бы из российских ученых он считал возможным выдвинуть на Нобелевскую премию, дал четкий и однозначный ответ: "Академика Е.К.Завойского за ЭПР". За прошедшие годы физические принципы пико-фемтосекундной хронографии, сформулированные Е.К.Завойским, не только остались незыблемыми, но и получили дальнейшее развитие и широкое применение. На их базе были получены важные результаты в фундаментальных исследованиях, например, экспериментальные подтверждения явления самофокусировки путем наблюдения на ЭОП движущихся фокусов в нелинейных оптических средах); в промышленности – диагностика двигателей внутреннего сгорания; в экологии – лазерные лидары, медицине и биологии – фемтосекундные томографы; в сферах, обеспечивающих безопасность страны и борьбу с терроризмом – диагностика атомных реакторов, исследования в области аэрогидродинамики и теории взрывов, газоанализ наркотических и взрывчатых веществ; в космических исследованиях – прецезионные измерения искусственных объектов – "маяки", "звезды" и т.п.
В 2007 году по случаю 25-летия создания Института общей физики им. А.М.Прохорова был проведен конкурс научных работ. Наибольшее количество голосов получила работа под названием "Создание фемтосекундной фотоэлектронной пушки с нестационарным фокусирующим полем (теория, практическая реализация, эксперимент)". Суть этой работы состояла в том, что в традиционный времяанализирующий ЭОП была введена дополнительная фокусирующая линза, обеспечивающая динамическую компрессию фотоэлектронных пучков под действием нестационарных электрических полей. Был рассчитан, смоделирован и изготовлен экспериментальный образец такой пушки, на которой исходный 7-пс фотоэлектронный пучок был сжат почти в 25 раз. В этой работе показано, что теоретический предел временнóго разрешения электронно-оптической хронографии, установленный около 10 фемтосекунд, может быть превзойден на один-три порядка величины (вплоть до сотен и даже десятков аттосекунд) за счет временнóй фокусировки фотоэлектронных пучков в специально выбранных нестационарных электромагнитных полях. И эти аттосекунды не противоречат, а еще раз подтверждают воззрения школы Е.К.Завойского о физическом временнóм разрешении информационного тракта: де-бройлевская длина волны электронов с энергией 20–30 кэВ составляет менее 10–2 нм, что в пределе обеспечивает передачу информации с субаттосекундным временным разрешением (10–19–10–20 с).
В заключение еще раз хотелось бы подчеркнуть тот факт, что Евгений Константинович был не только выдающимся ученым, но и талантливым воспитателем истинно увлеченных и преданных делу ученых и специалистов. Они и сегодня с завидным постоянством, преодолевая технические и экономические преграды, делают все для того, чтобы приблизить то время, когда фотографирование быстропротекающих процессов с пико-фемтосекундным (а впоследствии и с аттосекундным) временным разрешением станет обыденной и недорогой процедурой в экспериментальной практике.
Автор выражает сердечную благодарность за полезные обсуждения, замечания и помощь при подготовке рукописи к печати своим товарищам и коллегам Н.Е.Завойской, Г.И. Брюхневичу, Н.С.Воробьеву, В.В.Коробкину, Е.А. Кузьменко, А.А.Маненкову, В.А.Скорюпину, А.В.Смирнову, В.К.Чукбару.
Литература
1.Ефимов В.М., Искольдский А.М., Нестерихин Ю.Е. Электронно-оптическая фотосъемка в физическом эксперименте. – М.: Наука, 1978.
2.Пергамент М.И. и др. В сб.: Диагностика плазмы. Вып. 1/под ред. Б.П. Константинова. – М.: Наука, 1963.
3.Брюханов А.С. и др. – ПТЭ. 1967. № 3. С. 214; В сб.: "Диагностика плазмы. Вып. 3/ под ред. С.Ю. Лукьянова. – М.: Наука, 1973.
4.Фанченко С.Д. – ПТЭ, 1961, №.1,c. 5.
5.Иванов В.С. и др. Электронно-оптическое приборостроение во ВНИИОФИ за 40 лет. В сб. "Оптико-электронные измерения", – М.: Наука, 2005.
6.Бутслов М.М., Демидов Б.А. и др. – ДАН СССР, 1973, т.209, №5, с.1060.
7.Бутслов М.М., Фанченко С.Д., Чикин Р.В. "Пикохрон". – ПТЭ, 1973, № 5, c. 202; Proc. Хth Intern. Congr. on HSP, Nice, France, 1972, p. 137.
8.Фанченко С.Д., Фролов В.А. – Письма в ЖЭТФ, 1972, т. 16, вып. 3, с.147.
9.Басов Н.Г., Бутслов М.М. – ЖЭТФ, 1973, т. 65, с. 907
10.Гордеев Е.М., Крюков П.Г., Матвеец Ю.А. и др. – Квантовая электроника, 1975, т. 2, № 1, c. 205; Квантовая электроника, 1977, т. 4, № 1, c. 211.
11.Брюхневич Г.И. и др. – Письма в ЖТФ, 1976, т. 2, с. 1009.
12.Щелев М.Я. – УФН, 2000 Т. 170,. № 9 c. 1002; Квантовая электроника, 2001, т. 31,. № 6, c. 477; Proc. of the XXVth ICHSPP, SPIE, 2003, v. 4948, p. 9; Квантовая электроника, 2003, т. 33, № 7, c. 609; Квантовая электроника, 2007, т. 37, № 10, c. 927; Энциклопедия высокотемпературной плазмы/Под ред.В.Е. Фортов. т. V-I, серия Б, c. 146–152 – М.: Наука, 2006; – УФН, 2012, т. 182, № 6, c. 649–656.
13.Прохоров А.М. и др. – Квантовая электроника, 2002, т. 32, № 4, c. 283.
14.Monastyrsky M.A., et al. Proc. of the XXVth ICHSPP, Beaune, France, SPIE. 2002. V. 4948. P. 305.; Proc. SPIE, 2009, v. 7126, p. 7126 0D.
15.Fanchenko S.D., Schelev M.Ya. – Proc. of the XXIIIth ICHSPP, Moscow, 1998, Proc. SPIE, v. 3516. p. 426.
Техническая реализация физических принципов пико-фемтосекундной электронно-оптической фотографии растянулась на многие годы, а потенциальные возможности повышения временнόго разрешения ЭОП на три порядка величины (от 10 пс до 10 фс) будоражат и поныне интерес многих исследователей. Успехи применения времяанализирующих ЭОП в физических экспериментах являлись одновременно мощным стимулом совершенствования самих ЭОП, а возникшая потребность в электронно-оптической диагностической аппаратуре привела к необходимости изготовления мелких партий этих приборов [23–25].
После основополагающих экспериментов, проведенных в середине 50-х годов Е.К.Завойским с сотрудниками, на смену шестикаскадным УМИ-95 с напряженностью поля у фотокатода ПИМ-3 ≤60 В/мм и скоростью развертки 2∙109 см/с в 1959 году пришли приборы серии УМИ-95В. В этих приборах за счет прикатодного кольцевого электрода была повышена более чем на порядок величины напряженность электрического поля у входного фотокатода (вплоть до 600–900 В/мм) (по данным измерений в электростатической ванне). Для развертки фотоэлектронных изображений, ограниченных точкой, вместо обычных отклоняющих пластин конденсаторного типа с колпачковыми выводами С.Д.Фанченко с соавторами разработал новую отклоняющую систему. Она состояла из двух открытых резонаторов, настроенных на длину волны 10 см, расположенных под прямым углом друг к другу и заканчивающихся вакуумно-плотными коаксиальными вводами. На УМИ-95В была реализована непрерывная эллиптическая развертка с большой полуосью эллипса – 10 мм. Максимальная скорость развертки точечных фотоэлектронных изображений была повышена на порядок величины и составила (1–2) ∙ 1010 см/с, что, в принципе, обеспечивало техническое временное разрешение вплоть до 8 ∙ 10-13 с.
В режиме непрерывной развертки импульсов многоэлектронной темновой эмиссии на УМИ-95В было экспериментально подтверждено, что электроны каждой группы, вылетающие из общей точки фотокатода, покидают его с разбросом по времени не более чем несколько пикосекунд. Тот же эксперимент, повторенный с ЭОП УМИ-95, показал, что зарегистрированная длительность многоэлектронной темновой эмиссии равна нескольким десяткам пикосекунд. Таким образом, в ноябре 1960 года С.Д.Фанченко, опираясь на результаты своих экспериментов с УМИ-95В, сделал вывод "о практической возможности довести временное разрешение электронно-оптической хронографии до нескольких единиц на 10–13 с."
Принципиально новая ситуация для испытания и совершенствования пико-фемтосекундных ЭОП сложились после середины 60-х годов, когда ЭОП раскрыли свои уникальные регистрирующие возможности в лазерных экспериментах и в экспериментах по лазерному УТС. В этих экспериментах практическая возможность реализации временнóго разрешения лучше 10 пс была особенно востребованной. После появления первых лазеров с синхронизацией мод возникла реальная потребность в камерах на ЭОП с временным разрешением порядка одной или даже долей пикосекунды. И в решение этой задачи Е.К.Завойский со своими коллегами также внесли заметный вклад. В творческом взаимодействии с М.М.Бутсловым, Б.М.Степановым и другими сотрудниками ВНИИ оптико-физических измерений [27] Евгений Константинович сосредоточил усилия своего коллектива на существенной модернизации УМИ-95В путем использования резонансной СВЧ-развертки непрерывного действия, работающей на длине волны 3 см [28–29]. В этом новом времяанализирующем ЭОП, созданном в 1970 году и получившим наименование "Пикохрон", электроны попадали в отклоняющую систему через входное отверстие диаметром 2,5 мм. Отклонение осуществлялось электрическим СВЧ-полем в области "щели" двух взаимно перпендикулярных резонаторов. Оба резонатора типа "щель-отверстие" настраиваются на одну и ту же частоту, равную 10 ГГц. Для точной подстройки в одном из резонаторов предусмотрен плунжер. Возбуждение каждого резонатора производится через петлю связи коаксиального ввода, наружный конец которого является элементом волноводно-коаксиального перехода. При сканировании изображения непрерывно светящейся точки, развертке можно было легко придать форму окружности, эллипса или прямой путем изменения сдвига фаз с помощью фазовращателя.
Один из первых экспериментов научного коллектива под руководством Е.К.Завойского с использованием "Пикохрона" состоял в развертке импульсов многоэлектронной компоненты темновой эмиссии входного серебряно-кислородно-цезиевого фотокатода. Известно, что при отсутствии освещения фотокатода с него вылетают электроны "темнового шума", состоящего из двух компонент – одноэлектронной и многоэлектронной. Одноэлектронная компонента (102–103 электронов ∙ см2/с) объясняется механизмом термоэлектронной эмиссии с фотокатода и описывается обычной формулой Ричардсона. Многоэлектронные импульсы (104–105 электронов ∙ см2/с) по-видимому, возникают в результате попадания на фотокатод ускоренного электрическим полем иона (например, иона цезия). Сами импульсы имеют значительный статистический разброс по числу электронов в отдельной пачке (от 5 до 15). В режиме непрерывной эллиптической развертки импульсов многоэлктронной темновой эмиссии на "Пикохроне" [28] было экспериментально подтверждено, что электроны каждой группы, вылетающие из общей точки фотокатода, покидают его с разбросом по времени не более чем несколько пикосекунд.
В этой серии экспериментов учеными ИАЭ еще раз было доказано, что для фотоэмиссионных изображений, характеризующихся на порядок меньшим разбросом начальных энергий фотоэлектронов по сравнению с изображениями от "темнового шума" фотокатода, предельное физическое временное разрешение ПИМ-3, определяемое только хроматическими аберрациями первого порядка, должно быть не хуже 5–10 пс (Е < 60 В/мм; Е = 2 · 109 см/с), а для "Пикохрона"(Е < 900 В/мм; Е = 2 · 1010 см/с) оно должно быть около одной пикосекунды или лучше!
В лазерных экспериментах, поставленных в 1972–1975 годы С.Д.Фанченко в лабораториях академика Н.Г.Басова с участием П.Г.Крюкова и его сотрудников [30–32], "Пикохрон" работал в режиме трохоидальной развертки: с помощью резонаторной СВЧ-отклоняющей системы фотоэлектронные изображения непрерывно развертывались по эллипсу, а при лазерном поджиге разрядника происходило однократное линейное отклонение изображений с помощью дополнительной пары пластин, размещенных в "Пикохроне". Максимальная скорость развертки на экране ЭОП равнялась (4–6) ∙ 1010 см/с, что в принципе обеспечивало достижение технического временнóго разрешения лучше 5 ∙ 10–13 с. При таком высоком временном разрешении полный цикл развертки составлял 50–100 нс, что позволяло регистрировать несколько аксиальных периодов излучения неодимового лазера с самосинхронизацией мод. Период развертки был в точности привязан к частоте 3 см (частоте магнетрона), а требования к нестабильностям срабатывания импульсных схем управления снизились до 10–8 с. Изображение появлялось с одного края экрана, прочерчивало трохоиду и уходило за пределы поля зрения с противоположной стороны.
Система повторной (многоканальной) регистрации была основана на том, что излучение лазера перед попаданием на фотокатод ЭОП пропускалось через два параллельных друг другу полупрозрачных зеркала, расстояние между которыми могло меняться. Объектив фокусировал все пучки в одну точку входного фотокатода "Пикохрона", давая на экране диаметр пятна ~0,2 мм. Методика повторной регистрации обеспечивала учет собственных аппаратурных эффектов, позволяла легче попасть в линейную область динамического диапазона регистрации, и при изменении расстояния между зеркалами позволяла определить направление развертки. Подводя итоги экспериментов по использованию "Пикохрона" для измерения временнόй структуры излучения неодимового лазера на силикатном стекле в режиме самосинхронизации мод, можно констатировать, что минимально зарегистрированная длительность одиночных лазерных пичков оказалась равной 1,7 пс.
Следует отметить, что на ЭОПах с ускоряющей сеткой вблизи фотокатода, разработанных во ВНИИОФИ по заказу ФИАНа в начале семидесятых, напряженность электрического поля была повышена более чем на два порядка величины по сравнению с ПИМ-3. Впервые субпикосекундное временнóе разрешение, составившее 0,7 пс, было достигнуто в 1976 году группой исследователей ФИАН, руководимой А.М.Прохоровым, на трубке УМИ-93М, разработанной и изготовленной во ВНИИОФИ Г.И.Брюхневичем, Б.М.Степановым [33] в режиме линейной (щелевой) разверти при регистрации синусоидально-модулированного излучения с периодом 1,4 пс и глубиной модуляции >10% на длине волны 1060 нм. При этом скорость щелевой развертки достигала 5,5 · 1010 см/с, а напряженность электрического поля у фотокатода была ≥3 кВ/мм. Основным элементом камеры являлся лазерный искровой разрядник, формировавший прямоугольный импульс с субнаносекундными фронтами и амплитудой до 20 кВ. Коэффициент усиления по яркости ЭОП надежно обеспечивал режим регистрации каждого фотоэлектрона, покидающего входной фотокатод. Использовался кислородно-серебряно-цезиевый фотокатод с поверхностным сопротивлением ≤10 Ом/□ и спектральной чувствительностью, простирающейся до 1,5 мкм. Особенности экспериментов с времяанализирующими ЭОП, проводимыми в ФИАН, состояла в развертке изображений, ограниченных узкой щелью, вдоль которой (в отличии от "Пикохрона") могло укладываться одновременно много десятков пространственно-разрешенных каналов.
Итак, в полном согласии с предсказаниями Е.К.Завойского, временнóе разрешение ЭОП в диапазоне от десятка до долей пикосекунды было надежно освоено к концу 1970-х годов как у нас в стране, так и за рубежом.
Современное состояние
и тенденции развития
пико-фемто-аттосекундной фотоэлектроники
Приоритет отечественной науки в области пико-фемтосекундной электронно-оптической фотографии подтверждался в многочисленных российских докладах, представленных на всех международных конгрессах по формированию изображений БПП и фотонике: Япония (2000 г.), Франция (2002), США (2004), Китай (2006), Австралия (2008), Япония (2010), Южная Африка (2012). Упомянем здесь лишь некоторые, на наш взгляд важные, результаты, полученные в ИОФ РАН:
•разработка, изготовление и испытание фемтосекундного ЭОП типа ПВ-ФС-М с импульсным питанием промежутка фотокатод-сетка;
•создание пико-фемтосекундной фотоэлектронной пушки, предназначенной для экспериментов по изучению вещества на атомно-молекулярном уровне методами дифракции электронов;
•завершение концепции построения тиражируемой щелевой (стрик) камеры, обеспечивающей максимальное временное разрешение не хуже 200 фс.
Новую тенденцию в развитии пико-фемтосекундной фотоэлектроники обозначили работы по формированию пучков электронов фемто- и даже аттосекундной длительности в квазистационарных фокусирующих полях (см. рисунок). Об этих работах, поставленных в ИОФ РАН, было заявлено в 2002 году на XXV международном конгрессе по высокоскоростной фотографии и фотонике во Франции. Принципиальный вклад в идею использования квазистационарных фокусирующих полей внес М.А.Монастырский [36]. В отделе фотоэлектроники ИОФ РАН были разработаны и испытаны экспериментальные образцы пико-фемтосекундной электронной пушки. Показательный эксперимент, проведенный на макете фотоэлектронной пушки, подтвердил возможность 25-кратного сжатия исходного фотоэлектронного пучка 7-пс длительности вплоть до 285 фмс.
Итак, усилиями школы академика Е.К.Завойского более шестидесяти лет тому назад был заложен фундамент нового раздела технической физики – пико-фемто-аттосекундной фотоэлектроники. Это направление живо и по сей день, активно развивается, в первую очередь усилиями российской академической науки, вносит ценный вклад в сокровищницу человеческих знаний о физике и приближает нас к познанию быстропротекающих процессов, происходящих за все более и более короткие временные интервалы [37].
Заключение
Когда-то А.М.Прохоров, отвечая на вопрос, кого бы из российских ученых он считал возможным выдвинуть на Нобелевскую премию, дал четкий и однозначный ответ: "Академика Е.К.Завойского за ЭПР". За прошедшие годы физические принципы пико-фемтосекундной хронографии, сформулированные Е.К.Завойским, не только остались незыблемыми, но и получили дальнейшее развитие и широкое применение. На их базе были получены важные результаты в фундаментальных исследованиях, например, экспериментальные подтверждения явления самофокусировки путем наблюдения на ЭОП движущихся фокусов в нелинейных оптических средах); в промышленности – диагностика двигателей внутреннего сгорания; в экологии – лазерные лидары, медицине и биологии – фемтосекундные томографы; в сферах, обеспечивающих безопасность страны и борьбу с терроризмом – диагностика атомных реакторов, исследования в области аэрогидродинамики и теории взрывов, газоанализ наркотических и взрывчатых веществ; в космических исследованиях – прецезионные измерения искусственных объектов – "маяки", "звезды" и т.п.
В 2007 году по случаю 25-летия создания Института общей физики им. А.М.Прохорова был проведен конкурс научных работ. Наибольшее количество голосов получила работа под названием "Создание фемтосекундной фотоэлектронной пушки с нестационарным фокусирующим полем (теория, практическая реализация, эксперимент)". Суть этой работы состояла в том, что в традиционный времяанализирующий ЭОП была введена дополнительная фокусирующая линза, обеспечивающая динамическую компрессию фотоэлектронных пучков под действием нестационарных электрических полей. Был рассчитан, смоделирован и изготовлен экспериментальный образец такой пушки, на которой исходный 7-пс фотоэлектронный пучок был сжат почти в 25 раз. В этой работе показано, что теоретический предел временнóго разрешения электронно-оптической хронографии, установленный около 10 фемтосекунд, может быть превзойден на один-три порядка величины (вплоть до сотен и даже десятков аттосекунд) за счет временнóй фокусировки фотоэлектронных пучков в специально выбранных нестационарных электромагнитных полях. И эти аттосекунды не противоречат, а еще раз подтверждают воззрения школы Е.К.Завойского о физическом временнóм разрешении информационного тракта: де-бройлевская длина волны электронов с энергией 20–30 кэВ составляет менее 10–2 нм, что в пределе обеспечивает передачу информации с субаттосекундным временным разрешением (10–19–10–20 с).
В заключение еще раз хотелось бы подчеркнуть тот факт, что Евгений Константинович был не только выдающимся ученым, но и талантливым воспитателем истинно увлеченных и преданных делу ученых и специалистов. Они и сегодня с завидным постоянством, преодолевая технические и экономические преграды, делают все для того, чтобы приблизить то время, когда фотографирование быстропротекающих процессов с пико-фемтосекундным (а впоследствии и с аттосекундным) временным разрешением станет обыденной и недорогой процедурой в экспериментальной практике.
Автор выражает сердечную благодарность за полезные обсуждения, замечания и помощь при подготовке рукописи к печати своим товарищам и коллегам Н.Е.Завойской, Г.И. Брюхневичу, Н.С.Воробьеву, В.В.Коробкину, Е.А. Кузьменко, А.А.Маненкову, В.А.Скорюпину, А.В.Смирнову, В.К.Чукбару.
Литература
1.Ефимов В.М., Искольдский А.М., Нестерихин Ю.Е. Электронно-оптическая фотосъемка в физическом эксперименте. – М.: Наука, 1978.
2.Пергамент М.И. и др. В сб.: Диагностика плазмы. Вып. 1/под ред. Б.П. Константинова. – М.: Наука, 1963.
3.Брюханов А.С. и др. – ПТЭ. 1967. № 3. С. 214; В сб.: "Диагностика плазмы. Вып. 3/ под ред. С.Ю. Лукьянова. – М.: Наука, 1973.
4.Фанченко С.Д. – ПТЭ, 1961, №.1,c. 5.
5.Иванов В.С. и др. Электронно-оптическое приборостроение во ВНИИОФИ за 40 лет. В сб. "Оптико-электронные измерения", – М.: Наука, 2005.
6.Бутслов М.М., Демидов Б.А. и др. – ДАН СССР, 1973, т.209, №5, с.1060.
7.Бутслов М.М., Фанченко С.Д., Чикин Р.В. "Пикохрон". – ПТЭ, 1973, № 5, c. 202; Proc. Хth Intern. Congr. on HSP, Nice, France, 1972, p. 137.
8.Фанченко С.Д., Фролов В.А. – Письма в ЖЭТФ, 1972, т. 16, вып. 3, с.147.
9.Басов Н.Г., Бутслов М.М. – ЖЭТФ, 1973, т. 65, с. 907
10.Гордеев Е.М., Крюков П.Г., Матвеец Ю.А. и др. – Квантовая электроника, 1975, т. 2, № 1, c. 205; Квантовая электроника, 1977, т. 4, № 1, c. 211.
11.Брюхневич Г.И. и др. – Письма в ЖТФ, 1976, т. 2, с. 1009.
12.Щелев М.Я. – УФН, 2000 Т. 170,. № 9 c. 1002; Квантовая электроника, 2001, т. 31,. № 6, c. 477; Proc. of the XXVth ICHSPP, SPIE, 2003, v. 4948, p. 9; Квантовая электроника, 2003, т. 33, № 7, c. 609; Квантовая электроника, 2007, т. 37, № 10, c. 927; Энциклопедия высокотемпературной плазмы/Под ред.В.Е. Фортов. т. V-I, серия Б, c. 146–152 – М.: Наука, 2006; – УФН, 2012, т. 182, № 6, c. 649–656.
13.Прохоров А.М. и др. – Квантовая электроника, 2002, т. 32, № 4, c. 283.
14.Monastyrsky M.A., et al. Proc. of the XXVth ICHSPP, Beaune, France, SPIE. 2002. V. 4948. P. 305.; Proc. SPIE, 2009, v. 7126, p. 7126 0D.
15.Fanchenko S.D., Schelev M.Ya. – Proc. of the XXIIIth ICHSPP, Moscow, 1998, Proc. SPIE, v. 3516. p. 426.
Отзывы читателей
