Détection et analyse de phénomènes lumineux brefs^(*)

Detection and analysis of fast light phenomena

Centre de Recherches Nucléaires et Université Louis Pasteur, Laboratoire de Physique des Rayonnements et d’Electronique Nucléaire, 23, rue du Loess, F 67037 Strasbourg Cedex, France.

Résumé

Les auteurs passent en revue les méthodes expérimentales, fondées sur l’emploi de dispositifs photoélectriques, utilisées en vue de la détermination de la loi de variation temporelle de signaux lumineux brefs. La première partie concerne la reconstitution d’impulsions lumineuses de faible intensité par la technique de comptage de photoélectrons uniques. A l’aide de photomultiplicateurs rapides elle permet l’enregistrement de la variation de l’intensité avec une dynamique de plusieurs décades et une résolution meilleure que la nanoseconde. Après un rappel des lois régissant les instants d’émission des électrons par une photocathode soumise à un flux pulsé, sont analysées les performances que Ton peut atteindre avec ce procédé de mesure. Enfin sont mentionnées les applications qui portent d’une part sur le relevé des courbes de déclin de la fluorescence et de la radioluminescence de milieux atomiques ou moléculaires excités, d’autre part sur l’examen des propriétés statistiques de sources de lumière thermiques et cohérentes. Dans une seconde partie, l’oscilloscopie rapide est considérée sous un double aspect, l’un faisant appel aux techniques d’accumulation par des systèmes d’échantillonnage et des moyenneurs digitaux, l’autre concernant l’analyse avec une résolution subnanoseconde de phénomènes lumineux uniques à l’aide de photodétecteurs rapides couplés à des tubes à rayons cathodiques à grande sensibilité et à large bande passante. Dans un dernier chapitre sont décrits les caméras à balayage de fente, dispositifs permettant l’observation d’émission de durée brève avec une résolution voisine de la picoseconde, ainsi que les systèmes de numérisation des données délivrées par ces appareils. Leurs performances temporelles sont discutées en examinant les caractéristiques intrinsèques du tube à balayage de fente et la dégradation de la résolution en relation avec une augmentation de l’intensité incidente. Les applications évoquées concernent la spectroscopie résolue en temps des impulsions de lasers à modes synchronisés et l’étude, en photophysique moléculaire, de processus dont l’évolution temporelle se situe dans le domaine de Tordre de la picoseconde.

Abstract

The authors present a survey of the experimental methods based on the use of photoelectric devices for studying rapidly varying luminous phenomena. The first part deals with the single photon counting technique that allows, even in low intensities conditions, the record of the shape of light pulses. With fast photomultipliers, measurements over intensity ranges of several decades and with subnanosecond resolution can be performed. After a recall of the statistical law governing the instants of the emission of the electrons released by a photocathode illuminated by light flashes, the limitations of the performances of the measuring technique, related to the characteristics of the detectors, are discussed. Lastly, applications concerning the determination of the fluorescence and radioluminescence decay curves of excited atomic or molecular systems are reported as well as the characterization of the statistical properties of thermal and coherent light sources. The second section is devoted (i) to the sampling and average procedure based on the operation of sampling oscilloscopes in conjunction with fast photodectors and (ii) to real time measurements with broadband and high sensitive oscilloscopes allowing subnanosecond time resolution. In the last part, the electron-optical chronoscopy is outlined : different kinds of image tube streak cameras are described and the limitations of the detection techniques discussed. The applications concern time resolved spectroscopy of mode-locked laser pulses and studies of rapid relaxation processes in liquids and solids on a picosecond scale.