JPH0140938B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高速で繰り返し発生させられるパルス
光トレインをストリーク装置を用いて観測する高
速繰り返しパルス光の観測装置に関する。

高速度パルス光の観測にストリーク装置が用い
られている。まずこのストリーク装置の一般的な
構成を簡単に説明する。ストリーク装置は光電
面、偏向電極および螢光面を持つストリーク管を
中心に構成されている。偏向電極には光電面から
螢光面に向かう光電子を偏向するための偏向電圧
が偏向電源から供給されている。光源からのパル
ス光は光学系により分岐されて一方は前記ストリ
ーク管の光電面、他方は前記偏向電源を起動する
ためのトリガ装置の受光素子に導かれる。

光電面から螢光面に向かう光電子は偏向電極に
より偏向される。光電子の発生時点の差は螢光面
上の距離に、また光電子の密度は螢光面の輝きの
大きさに変換されて表示される。

このようなストリーク装置を用いて、高速で、
繰り返し発生させられるパルス光トレイン中の連
続する２以上の発光を１画面に表示して、観測し
たいと言う要請がある。１画面に２以上のパルス
光を表示できるとそれ等のパルス光相互間の変化
を比較することができるからである。

ダイレーザの出力パルス光や、このダイレーザ
の出力パルス光により励起されて生じる発光現象
の各光パルスの持続時間は１〜1000ピコ秒で極め
て短い。これに対しダイレーザの出力パルス光の
繰り返し周期およびこの周期で励起される発光現
象の返し周期は５〜12ナノ秒である。したがつて
繰り返しサイクル中に発光部分の占める割合は、
１／５〜1/12000程度となる。このようなパルス光ト
レイン中の２以上の発光が連続して螢光面に現れ
るように螢光面上の時間軸を設定すると一つの光
パルスに割当てられる螢光面上の長さは極めて短
くなる。前記パルス光トレインデユーライ比を1/
１００とし、ストリーク管の有効長が10mmある螢光
面の２個の光パルスを螢光面上に現すとき、１個
の光パルスに割当てられる螢光面上の長さは0.1
mmにすぎなくなる。つまりストリーク像の時間分
解能を犠性にして２つの発光を表示したに留まり
光パルス間の詳細比較は不可能である。本発明の
目的は前記のような連続する２以上のパルス光の
ストリーク像を間隔なしで、あるいは僅かな間隔
で隣接して現すことができる高速繰り返しパルス
光の観測装置を提供することにある。前記目的を
達成するために、本発明による高速繰り返しパル
ス光の観測装置は、光電面、ゲート電極、偏向電
極および螢光面を備えるストリーク管と、前記ス
トリーク管の光電面に入力される高速繰り返しパ
ルス光と同期する第１の正弦波を発生する第１正
弦波発振器と、前記パルス光と僅かに周波数の異
なる第２の正弦波を発生する第２正弦波発振器
と、前記第１の正弦波と前記第２の正弦波間に一
定の位相関係が生じた時点を検出して検出出力を
発生する位相検出器と、前記位相検出器の検出出
力を受けて前記第１の正弦波の複数周期以上の期
間持続するゲートパルスを出力するゲートパルス
発生器と、前記ゲートパルスを前記ストリーク管
のゲート電極に前記第２正弦波発振器の出力を前
記偏向電極に接続する接続手段とから構成されて
いる。

上記構成によれば、連続する複数個のパルス光
をパルス光の存在しない部分の間隔をなくして、
連続して表示できるので、本発明の目的は完全に
達成できる。

以下まず本発明装置の動作原理を説明し、次い
で実施例について詳細に説明する。

ストリーク管の光電面に入力される高速繰り返
しパルス光と同期する第１の正弦波を発生する第
１正弦波発振器の出力する正弦波を ₁＝
Asinωat、前記パルス光と僅かに周波数の異なる
正弦波を発生する第２正弦波発振器の出力する第
２の正弦波を₂＝Bsinωbtとする。

位相検出器は前記第１の正弦波₁＝Asinωatと
前記第２の正弦波₂＝Bsinωbt間に一定の位置関
係が生じた時点を検出して検出出力を送出する。

この位相検出器は前記第１の正弦波と前記第２
の正弦波とを混合する混合器と、前記混合器の出
力からその低周波成分を取り出す低域ろ波器と、
前記低域ろ波器の出力レベルを検出するレベル検
出器から構成することができる。

この第１の正弦波と前記第２の正弦波とを混合
する混合器の出力′＝₁×₂は次式で与えられ
る。

′＝Ａ×Bsinωat・sinωbt ＝（Ａ×Ｂ／２）〔cos（ωa−ωb）ｔ −cos（ωa＋ωb）ｔ〕 ωaとωbは僅かしか違わないのでωa−ωbは小
さく、ωa＋ωb≒2ωaとして良い。合成波′をωa
＋ωbとωa−ωbの間に遮断周波数がある低域ろ波
器を通すので ′＝（Ａ×Ｂ／２）cos（ωa−ωb）ｔのみが通過
する。これは、いわゆるビート波である。この低
域ろ波器の出力 ′＝（Ａ×Ｂ／２）cos（ωa−ωb）ｔが予め定め
たレベルに達したことをレベル検出器で検出する
ことによりωaとωb間に一定の位相関係が生じた
時点を検出することができる。検出するべき前記
一定の位相（ωa−ωb）ｔについては後に実例を
挙げて詳述する。要するに₁＝Asinωatは光パル
スおよびこれに起因するストリーク管内の光電子
流の位相を代表するものであるから、この光電子
流を偏向電界に順次対応させるために、偏向電界
の発生に利用される第２の正弦波Bsinωbtの掃引
開始時の位相を₁＝Asinωatの位相に一定の対応
を付けることである。

ゲートパルス発生器は前記位相検出器の検出出
力を受けて前記第１正弦波発振器の出力の複数周
期以上の期間持続するゲートパルスを出力する。
このゲートパルスは接続手段を介してストリーク
管のゲート電極に印加される。

このゲートパルスのパルス幅はストリーク管の
螢光面上にストリーク像として現わそうとする複
数のパルス光が含まれる全期間に相当する。

ストリーク管のゲート電極はこのゲートパルス
が印加されれている期間だけ、光電子流の螢光面
方向への通過を許容する。

前記第２正弦波発振器の出力正弦波Bsinωbtは
接続手段によりストリーク管の偏向電極に接続さ
れている。そして前記ゲートパルスがストリーク
管のゲート電極に印加されている期間中に前記正
弦波Bsinωbtが零となる近辺を偏向電界の発生に
利用する。

この偏向電界の発生するごとに光パルス部分に
原因する光電子流が偏向電極部分を通過し螢光面
上に順次現れる。

パルス光の周期2π／ωaと偏向電界の周期2π／
ωbとは僅かに異なるから、各パルス光のストリ
ーク像は順次少しずれて螢光面に現れるので重な
ることはない。なお周期の差2π（１／ωa−１／
ωb）はパルス光の幅に等しいかわずかに大きく
してある。また、螢光面上にストリーク像が現わ
れるのは前記位相検出器の出力パルスがゲート電
極に加えられている期間に限られる。

ストリーク管のゲート電極が光電子流の通過を
許容する状態になつてから最初に現れる光パルス
のストリーク像はストリーク管の螢光面の掃引開
始側の一端にあることが望ましい。この条件は、
パルス光の位相（実際には偏向電極に達するまで
の遅延時間を考慮する必要があるが、第１の正弦
波の位相と一定の対応を持つと考えて良い。）と
偏向位置を決める第２正弦波発振器の出力である
第２の正弦波の位相との関係によつて決る。

それ等の位相差は前記低域ろ波器の出力として
現れるから位相検出器の前記低域ろ波器の出力レ
ベルを検出するレベル検出器の検出レベルを定め
ればよい。この位相を検出すべき検出レベルはあ
らゆる遅延時間とストリーク管の偏向感度、偏向
電極に加えられる第２の正弦波の振幅から計算可
能である。しかし実際には（あるいは最終的に
は）ストリーク像を観察しながら位相検出器に含
まれるレベル検出器の検出レベルを調整する方が
簡単である。

次に実施例を参照してさらに詳細に説明する。

第１図は、本発明によるパルス光の観測装置の
実施例を示すブロツク構成図である。

ダイレーザ発振器１は高速繰り返し発光する発
光源である。このダイレーザ発振器１は、パルス
幅５ピコ秒のレーザ光を周波数80〜200MHzの範
囲の任意の繰り返し周期で発光可能である。

ビームスプリツタを形成する反透明鏡２は、前
記ダイレーザ発振器１の出力光を２系列に分岐す
る。分岐されたパルスレーザ光の一方は反射鏡、
スリツトレンズ、光路長可変装置２０等からなる
光学系を経てストリーク管３の光電面３１に入射
させられる。前記ストリーク管３の光電面３１に
入力される高速繰り返しパルス光と同期する第１
の正弦波を発生する第１正弦波発振器は、前記ビ
ームスプリツタ、PINフオトダイオード４、同調
増幅器５から構成されている。

分岐されたパルスレーザ光の他方は第１正弦波
発振器のPINフオトダイオード４に入射させられ
る。PINフオトダイオード４は極めて応答速度が
速い光電素子で、パルスレーザ光の入射に応答し
てパルス電流を出力する。PINフオトダイオード
４の出力は同調増幅器５に接続されている。同調
増幅器５は80〜200MHzの範囲で任意の周波数を
中心周波数として動作可能である。前記中心周波
数は前記ダイレーザの発振周波数と等しく設定さ
れており、同調増幅器５はPINフオトダイオード
４の出力パルスの繰り返し周波数と同期した第１
の正弦波を送出する。周波数カウンタ６は同調増
幅器５の送出する第１の正弦波の周波数を計数
し、表示する。

正弦波発振器７は前記パルス光と僅かに周波数
の異なる第２の正弦波を発生する第２正弦波発振
器を形成している。正弦波発振器７は80〜200M
Hzの周波数の範囲内で任意の周波数の正弦波を送
出することができる発振器である。

位相検出器は前記第１正弦波発振器の出力と前
記第２正弦波発振器の出力間に一定の位相関係が
生じた時点を検出して検出出力を発生する。

この位相検出器は、前記第１正弦波発振器の出
力と前記第２正弦波発振器の出力とを混合する混
合器８と、この混合器８の出力からその低周波成
分を取り出す低域ろ波器９と、この低域ろ波器９
のの出力レベルを検出するレベル検出器１０から
構成されている。

以下ダイレーザ発振器１が100MHzの周波数で
パルス光を送出している場合を例にして説明す
る。ダイレーザ発振器１が100MHzの周波数でパ
ルス光を送出しているので、同調増幅器５から
100MHzの第１の正弦波が送出され、周波数カウ
ンタ６には100MHzの表示が行なわれる。

オペレータは周波数カウンタ６の表示100MHz
を読んで正弦波発振器７を（100＋Δ）ＭHz
（Δ＜＜100）の第２の正弦波を送出するように
同整する。

混合器８は第１正弦波発振器の出力、つまり同
調増幅器５の送出する第１の正弦波₁（100MHz）
と第２正弦波発振器７の送出する第２の正弦波₂
（100＋Δ）ＭHzを混合して＝₁×₂なる合成
波を送出する。

＝₁×₂ ＝Asin（２×10⁸π）ｔ ×Bsin（２×10⁸π＋2πΔ）ｔ ＝Ａ×Ｂ／２｛cos2πΔt −cos（４×10⁸π＋2πΔ）ｔ｝ 混合器８の構成例を第２図に示す。混合器８は
リング変調器で構成され、端子８１から同調増幅
器５の出力である第１の正弦波₁を受け入れ、端
子８２から第２正弦波発振器の出力である第２の
正弦波₂を受け入れて端子８３から前式に示す合
成波を出力する。

低域ろ波器９は周波数Δより僅か高い周波数
より低に周波数領域の成分を通過させる低域ろ波
器である。したがつて低域ろ波器９は混合器８の
出力波から′＝（Ａ×Ｂ／２）cos2πΔ・ｔのみ
を通過させる。

低域ろ波器９の出力端はレベル検出器を構成す
る比較器１０の一方の入力１０１に接続されてお
り、前記正弦波′は比較器の入力端子１０１に入
力される。比較器１０の他方の入力端１０２には
ポテンシヨメータ１０３の摺動端に接続されてい
る。比較器１０は入力端１０１に入力する電圧が
入力端１０２に入力する電圧より大きくなつたと
きにパルスを送出する。

比較器１０の出力端は単安定マルチバイブレー
タ１１の入力端に接続されている。

単安定マルチバイブレータ１１は、比較器１１
の出力パルスの立ち上り端で起動され一定時間後
に立ち下がる。この一定時間については後述す
る。

ゲートパルス発生器１２は、単安定マルチバル
ブレータの出力がオンの状態にあるときゲート電
圧を送出する。

ゲートパルス発生器１２の出力はコンデンサ１
３を介してストリーク管３の光電面３１およびマ
イクロチヤンネルプレート３２の出力端側電極に
接続されている。

ゲート電圧発生時に光電面３１に−800ボルト、
マイクロチヤンネルプレート３２の出力端側電極
に＋900ボルトの電圧がそれぞれ印加される。正
弦波発振器７の出力である第２の正弦波は駆動増
幅器１４で増幅されストリーク管３の偏向電極３
３に印加される。この偏向電極３３に印加される
正弦波の振幅は−575ボルトから＋575ボルトまで
の1150ボルトであり＋100ボルトから−100ボルト
までが掃引に利用される。

ストリーク管３の気密容器３０の入射面の内壁
には、光電面３１が形成されており、他の面内壁
には螢光面３４が形成されている。

それ等の間に網状電極３５、集束電極３６、ア
パーチヤ電極３７、偏向電極３３、マイクロチヤ
ンネルプレート３２が順次配置されている。マイ
クロチヤンネルプレート３２の入力端側電極およ
びアパーチヤ電極３７は接地されている。電源２
１と分割抵抗２２，２３，２４によつて光電面３
１に−4000ボルト、網状電極に−4200ボルト、集
束電極に−4500ボルトの電位が加えられている。
螢光面３４は電源２５によりマイクロチヤンネル
プレート３２の出力端側電極より3000ボルト高い
電位が与えられている。

ゲートパルス発生器１２よりゲート電圧が加え
られないとき光電子は網状電極３５を通過できな
い。またこのときマイクロチヤンネルプレート３
２から増倍電子が放出されないので螢光面３４は
暗状態に保たれている。

ゲートパルス発生器によりゲート電圧が加えら
れたときに螢光面３１からの光電子は網状電極３
５の電位によつて加速される。加速された光電子
は集束電極の36の形成する電子レンズによつてア
パーチヤ電極３７のアパーチヤに集束され偏向電
極３３の二枚の電極板の間の領域へ入る。ここで
偏向電極３３に電圧が加えられると光電子は偏向
される。この実施例では、偏向電圧が＋100ボル
トから−100ボルトに変化するとき、光電子の入
射位置はマイクロチヤンネルプレート３２の上端
から下端へ移動するように設計されている。マイ
クロチヤンネルプレート３２に入射した光電子
は、増倍されて螢光面３４に入射し、ストリーク
像を形成する。螢光面３４のストリーク管掃引方
向に有効な距離は10mmである。

次に連続するパルス光のストリーク像の最初の
ものが螢光面３４の上端近くに現われるようにす
る条件および連続して適切な間隔をおき、重なら
ない理由を図面を参図して説明する。

第３図においてＡはダイレーザ発振器１の光出
力を示す。この周波数を100MHzとする。この出
力に同調させられる第１の正弦波Ｂは同じく
100MHzである。同図Ｃに発振周波数100.5MHzの
第２正弦波発振器７の出力波形を示す。同図Ｄに
ゲートパルス発生器１２が送出するゲート駆動電
圧波形を示している。

今、第１の正弦波1と第２の正弦波の位相が完
全に一致した時点を基準時点（to）とすると、そ
の時点からｔ秒経過したときの′，₁，₂はそれ
ぞれ次式で与えられる。

′＝cos10πt ₁＝sin（200×10πt） ₂＝sin（201×10πt） なお前記₁，₂間に90度の位相差が生じた時点
を検出し前記ゲートパルスを前記ストリーク管の
ゲート電極に接続すると、前記ストリーク管のゲ
ートが開いて最初に前記ストリーク管の偏向電極
３３に到達する光電子の群が螢光面３４の上端よ
りにもたらされるように調整されているものとす
る。第３図Ａに示す光パルス（０）の近辺で前記
₁，₂間に所定の位相差が生じたものとすると、
この時点（正確に言うとその直前）から100ns持
続するゲートパルス(D)が現れる。そしてこのゲー
トパルス(D)の期間に対応する第３図Ｆに示す第２
正弦波の一部が偏向に寄与させられる。

螢光面３４が掃引されるのは₂の位相が−9⁰か
ら9⁰，171⁰から189⁰へ変化する間である。なお
171⁰から189⁰へ変化する時点は連続する光電子流
パルスの中間にあたり偏向電極３３の領域に光電
子流パルスが存在しないのでこの掃引により螢光
面３４上に像は現れない。

螢光面の掃引時間は₂の１周期9.95ナノ秒から
（9950ピコ秒）×（18⁰×360⁰）＝500ピコ秒となり、
掃引速度は10mm／500ピコ秒＝20mm毎ナノ秒とな
る。

次に第４図を参照して光パルス（０）の近辺の
₁，₂の関係を説明する。

この図は、第１の正弦波の位相零の時点と第２
の正弦波との位相関係の理解を容易にするために
第１正弦波の位相零の近辺の他の波形の時間軸を
誇張して示してある。

光パルス（０）に原因する光電子流パルスＩ
（０）が偏向電極３３の偏向領域に入つた瞬間
（この時点を第２の基準時点としてtrと言うこと
にする。）に第１の正弦波の位相が零であつたと
する。なおダイレーザ発振器１から光電面３１ま
での光路長を光路可変装置２０によつて調整する
ことにより、₁の任意の位相の点で光電子が偏向
電極３３の領域に達するようにすることができ
る。

そして、このとき第２の正弦波は第１の正弦波
より所定の角度δ（180−９＝171）度だけ進んだ
状態にある。位相検出器はこの直前に検出してゲ
ートパルスＧを発生させている。

前記第２の基準時点trに第２の正弦波により偏
向電極に印加される電圧は＋100Vである。これ
により光電子流パルスＩ（０）は偏向され螢光面
の最上側に対応させられる。

次の光電子流パルスＩ(1)が偏向電極３３の偏向
領域に入つた瞬間（基準時点trから10ナノ秒経過
後、第１の正弦波の位相零）に前記第２の正弦波
は第１の正弦波よりδ（180−９＝171）＋1.8度だ
け進んだ状態となる。そしてＩ(1)に対する偏向電
圧はＩ（０）に対するそれよりも低くなりＩ(1)の
像は螢光面上Ｉ（０）の像の下に現れる。前記1.8
度は10ns×（1.8／360）＝0.05ns＝50psで螢光面上
１mmに相当する。

同様にして、次の光電子流パルスＩ(2)が偏向電
極３３の偏向領域に入つた瞬間（基準時点trから
20ns経過後、第１の正弦波の位相零）に前記第２
の正弦波は第１の正弦波よりδ（180−９＝171）＋
1.8×２度だけ進んだ状態となる。そしてＩ(2)に
対する偏向電圧はＩ(1)に対するそれよりも低くな
りＩ(2)の像は螢光面上Ｉ(1)の像の下に現れる。

一般的に言うと、ｉ番目の光電子流パルスＩ(i)
が偏向電極３３の偏向領域に入つた瞬間（基準時
点trからｉ×10ns経過後、第１の正弦波の位相
零）に前記第２の正弦波は第１の正弦波よりδ
（180−９＝171）＋1.8×ｉ度だけ進んだ状態とな
る。そしてＩ(i)に対する偏向電圧はＩ（ｉ−１）
に対するそれよりも低くなりＩ(i)の像は螢光面上
Ｉ（ｉ−１）の像の下に現れる。

第３図ＧにＩ（０）とＩ(11)を示し、これ等に対
応する第２の正弦波の波形図を同図Ｈに示してあ
る。

第５図Ａは螢光面に現れるストリーク像を示す
略図である、同図Ｂに先に説明した光電子流パル
スＩとの対応を示す。

本発明による装置では、パルス光と僅かに周波
数の異なる正弦波を発生する第２正弦波発振器を
設け、この出力である第２の正弦波を偏向電圧と
して利用することにより、ストリーク管の螢光面
上に多数個のパルス光にたいするストリーク像を
一度に現すことができる。すなわち本発明による
装置では、デユーテイ比の小さい光パルストレイ
ンの光パルスのストリーク像を近接させて分解能
を低下させることなく複数個同時にストリーク管
の螢光面に表示できるので、連続するストリーク
像間の比較が可能となつた。

観測の対象である発光の持続時間は種々異なる
ものが予想される。しかし前記第２の正弦波の周
波数を調整することによりストリーク像間の距離
を任意に調節することにより解決できる。

本発明による装置では、位相検出器の検出出力
を受けて前記第１正弦波発振器の出力の複数周期
以上の期間（必要な時間）持続するゲートパルス
を出力するゲートパルス発生器を設け、このゲー
ト電圧が発生している期間だけ実質的な動作をさ
せるようにしてある。そのため、この期間以外に
熱電子流が増倍されて螢光面３４に衝突して発光
して、螢光面の背景のレベルを上げると言う問題
は生じない。従つて極めて良い状態でストリーク
像を観察することができる。

以上詳しく説明した実施例に付いて、本発明の
範囲内で種々の変形が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による高速繰り返しパルス光の
波形観測装置の実施例を示すブロツク図である。
第２図は前記装置で使用する混合器の構成例を示
す回路図である。第３図は前記回路の動作を説明
するための波形図である。第４図は第２の基準時
点近くの位相関係を説明するための波形図であ
る。第５図は螢光面に現れるストリーク像と光電
子流パルスＩとの対応を示す説明図である。グラ
フである。 １……ダイレーザ発振器、２……反透明鏡（ビ
ームスプリツタ）、３……ストリーク管、３０…
…気密容器、３１……光電面、３２……マイクロ
チヤンネルフレート、３３……偏向電極、３４…
…螢光面、３５……網状電極、３６……集束電
極、３７……アパーチヤ電極、４……PINフオト
ダイオード、５……同調増幅器、６……周波数カ
ウンタ、７……（第２）正弦波発振器、８……混
合器、９……低域ろ波器、１０……比較器、１１
……単安定マルチバイブレータ、１２……ゲート
パルス発生器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光電面、ゲート電極、偏向電極および螢光面
   を備えるストリーク管と、前記ストリーク管の光
   電面に入力される高速繰り返しパルス光と同期す
   る第１の正弦波を発生する第１正弦波発振器と、
   前記パルス光と僅かに周波数の異なる第２の正弦
   波を発生する第２正弦波発振器と、前記第１の正
   弦波と前記第２の正弦波間に一定の位相関係が生
   じた時点を検出して検出出力を発生する位相検出
   器と、前記位相検出器の検出出力を受けて前記第
   １の正弦波の複数周期以上の期間持続するゲート
   パルスを出力するゲートパルス発生器と、前記ゲ
   ートパルスを前記ストリーク管のゲート電極に前
   記第２正弦波発振器の出力を前記偏向電極に接続
   する接続手段とから構成した高速繰り返しパルス
   光の観測装置。 ２ 前記ストリーク管の光電面に入力される高速
   繰り返しパルス光と同期する前記第１の正弦波を
   発生する第１正弦波発振器は、前記ストリーク管
   の光電面に入力される高速繰り返しパルス光を分
   岐して一部を取り出すビームスプリツタと、前記
   ビームスプリツタの分岐出力を変換する受光素子
   と、前記受光素子の出力に同期させられる同調増
   幅器から構成されている特許請求の範囲第１項記
   載の高速繰り返しパルス光の観測装置。 ３ 前記位相検出器は、前記第１の正弦波と前記
   第２の正弦波とを混合する混合器と、前記混合器
   の出力からその低周波成分を取り出す低域ろ波器
   と、前記低域ろ波器の出力レベルを検出するレベ
   ル検検出器から構成されている特許請求の範囲第
   １項記載の高速繰り返しパルス光の観測装置。