close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY6592

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 6592
(13) C1
(19)
7
(51) G 02F 1/03, 1/29
(12)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР С ПОПЕРЕЧНЫМ
ПРИЛОЖЕНИЕМ УПРАВЛЯЮЩЕГО ПОЛЯ
(21) Номер заявки: a 20010748
(22) 2001.08.31
(46) 2004.12.30
(71) Заявитель: Открытое акционерное
общество "Пеленг" (BY)
(72) Авторы: Ставров Александр Афанасьевич; Пилипович Владимир Антонович;
Конойко Алексей Иванович; Ярмолицкий Вячеслав Феликсович (BY)
(73) Патентообладатель: Открытое акционерное общество "Пеленг" (BY)
BY 6592 C1
(57)
Электрооптический модулятор с поперечным приложением управляющего поля, содержащий два оптически сопряженных электрооптических кристалла, причем оси оптической
анизотропии второго электрооптического кристалла повернуты относительно одноименных осей оптической анизотропии первого электрооптического кристалла на угол 90° вокруг оси модулируемого светового пучка, плоскость поляризации которого составляет угол
45° с осями оптической анизотропии обоих электрооптических кристаллов, а векторы
управляющих электрических полей взаимно ортогональны, при этом вектор управляющего
электрического поля в первом электрооптическом кристалле ориентирован в прямом, а во
втором электрооптическом кристалле - в обратном направлении по отношению к соответствующим осям их оптической анизотропии, отличающийся тем, что содержит ретроотражатель, установленный между электрооптическими кристаллами, и зеркало, установленное за
BY 6592 C1
вторым электрооптическим кристаллом, оба электрооптических кристалла помещены в диэлектрический корпус, материал которого обладает высокой теплопроводностью, одна из
осей оптической анизотропии каждого электрооптического кристалла ориентирована параллельно плоскости отражения ретроотражателя, причем первый электрооптический кристалл повернут в плоскости, ортогональной вектору его управляющего электрического поля, на угол, обеспечивающий внесение в модулируемый световой пучок оптической разности хода, составляющей в совокупности с оптической разностью хода, вносимой ретроотражателем, величину, равную λ/2, где λ - длина волны модулируемого светового пучка.
(56)
Адрианова А.И. и др. Оптико-механическая промышленность. - 1978. - № 6. - С. 24-26.
SU 1479909 A1, 1989.
JP 63036222 A, 1988.
US 3684350 A, 1972.
US 3923380 A, 1976.
Изобретение относится к области лазерной техники, локации, связи, оптических методов обработки информации и может быть использовано в оптико-электронном и лазерном
приборостроении в качестве амплитудного модулятора света.
Известен электрооптический модулятор с поперечным приложением управляющего
поля [1], состоящий из двух последовательно расположенных и оптически сопряженных
электрооптических кристаллов, между которыми помещена пластинка, вносящая оптическую разность хода λ/2, причем одноименные оси оптической анизотропии обоих кристаллов ориентированы в противоположных направлениях, плоскость поляризации модулируемого светового пучка составляет угол 45° с осями оптической анизотропии, а
векторы управляющих электрических полей взаимно параллельны.
Такой электрооптический модулятор обладает недостаточно высокой эффективностью
вследствие возникающих в нем температурных градиентов, связанных с относительно
большой длиной модулятора. Кроме того, его использование, например, для модуляции
добротности лазерного резонатора требует приложения, наряду с импульсным (динамическим), постоянного (статического) электрического поля, которое приводит к образованию
в электрооптических кристаллах объемных электрических зарядов, что дополнительно
снижает эффективность модулятора.
Известен электрооптический модулятор с поперечным приложением управляющего
поля [2], состоящий из двух последовательно расположенных и оптически сопряженных
электрооптических кристаллов, причем оси оптической анизотропии второго электрооптического кристалла повернуты относительно одноименных осей оптической анизотропии
первого электрооптического кристалла на угол 90° вокруг оси модулируемого светового
пучка, плоскость поляризации которого составляет угол 45° с осями оптической анизотропии обоих кристаллов, а векторы управляющих электрооптических полей взаимно ортогональны, при этом вектор управляющего электрического поля в первом электрооптическом
кристалле ориентирован в прямом, а во втором электрооптическом кристалле - в обратном
направлении по отношению к соответствующим осям их оптической анизотропии.
Такой электрооптический модулятор обладает недостаточно высокой эффективностью
вследствие возникающих в нем температурных градиентов, связанных с относительно
большой длиной модулятора. Кроме того, его использование, например, для модуляции
добротности лазерного резонатора требует приложения, наряду с импульсным (динамическим), постоянного (статического) электрического поля, которое приводит к образованию
в электрооптических кристаллах объемных электрических зарядов, что дополнительно снижает эффективность модулятора.
2
BY 6592 C1
Технической задачей изобретения является повышение эффективности электрооптического модулятора с поперечным приложением управляющего поля.
Поставленная техническая задача решается тем, что электрооптический модулятор с
поперечным приложением управляющего поля, содержащий два оптически сопряженных
электрооптических кристалла, причем оси оптической анизотропии второго электрооптического кристалла повернуты относительно одноименных осей оптической анизотропии
первого электрооптического кристалла на угол 90° вокруг оси модулируемого светового
пучка, плоскость поляризации которого составляет угол 45° с осями оптической анизотропии обоих электрооптических кристаллов, а векторы управляющих электрических полей взаимно ортогональны, при этом вектор управляющего электрического поля в первом
электрооптическом кристалле ориентирован в прямом, а во втором электрооптическом
кристалле - в обратном направлении по отношению к соответствующим осям их оптической анизотропии, содержит ретроотражатель, установленный между электрооптическими
кристаллами, и зеркало, установленное за вторым электрооптическим кристаллом, оба
электрооптических кристалла помещены в диэлектрический корпус, материал которого
обладает высокой теплопроводностью, одна из осей оптической анизотропии каждого
электрооптического кристалла ориентирована параллельно плоскости отражения ретроотражателя, причем первый электрооптический кристалл повернут в плоскости, ортогональной вектору его управляющего электрического поля, на угол, обеспечивающий внесение в
модулируемый световой пучок оптической разности хода, составляющей в совокупности с
оптической разностью хода, вносимой ретроотражателем, величину, равную λ/2, где λ длина волны модулируемого светового пучка.
Увеличение эффективности электрооптического модулятора с поперечным приложением управляющего поля достигается за счет преобразования поляризации модулируемого светового пучка, что позволяет, во-первых, минимизировать влияние возникающих в
электрооптических кристаллах температурных градиентов за счет компактного их размещения в диэлектрическом корпусе, материал которого обладает высокой теплопроводностью, во-вторых, в случае его применения, например, для модуляции добротности лазерного резонатора, исключить необходимость использования постоянного (статического)
управляющего электрического поля и подавать короткий (динамический) управляющий
импульс только в момент генерации излучения.
Сущность изобретения поясняется с помощью чертежа, на котором изображен общий
вид заявляемого устройства.
Устройство содержит оптически сопряженные первый электрооптический кристалл 1
и второй электрооптический кристалл 2, помещенные в диэлектрический корпус 3, материал которого обладает высокой теплопроводностью, ретроотражатель 4, установленный
между электрооптическими кристаллами, и зеркало 5, установленное за вторым электрооптическим кристаллом. При этом оси оптической анизотропии х и z второго электрооптического кристалла 2 повернуты относительно одноименных осей оптической анизотропии х и z первого электрооптического кристалла 1 на угол 90° вокруг оси модулируемого
светового пучка, плоскость поляризации которого р составляет угол 45° с осями оптической анизотропии х и z обоих электрооптических кристаллов. Кроме того, векторы управляющих электрических полей U взаимно ортогональны, причем вектор U в первом электрооптическом кристалле ориентирован по направлению его оси оптической анизотропии
z, а во втором электрооптическом кристалле - против направления его оси оптической
анизотропии z. Одна из осей оптической анизотропии каждого электрооптического кристалла ориентирована параллельно плоскости отражения ретроотражателя, а первый электрооптический кристалл 1 повернут в плоскости, ортогональной его вектору управляющего электрического поля U, на угол, обеспечивающий внесение в модулируемый световой
пучок оптической разности хода, составляющей в совокупности с оптической разностью
входа, вносимой ретроотражателем 4, величину, равную λ/2.
3
BY 6592 C1
В качестве элемента, формирующего плоскость поляризации модулируемого светового пучка, может быть использовано любое поляризующее устройство типа пленочного
поляризатора, призмы Глана и т.п. (на фигуре не показано).
В качестве ретроотражателя 4 может применяться, например, оборачивающая призма,
триппель-призма, уголковый отражатель, поворотные зеркала и т.п.
В качестве материала с высокой теплопроводностью для изготовления диэлектрического корпуса 3 может использоваться, например, флюорит.
В качестве зеркала 5 может быть использована любая диэлектрическая или металлическая поверхность, эффективно отражающая модулируемый световой пучок.
Электрооптический модулятор с поперечным приложением управляющего поля работает следующим образом. В исходном состоянии на вход первого электрооптического
кристалла (точка А) поступает световая волна Е, плоскость поляризации р которой составляет угол 45° с осями оптической анизотропии кристалла х и z. В результате двулучепреломления в кристалле будут распространяться две равные по амплитуде, но ортогонально поляризованные световые волны Eх' и Ez', описываемые выражениями
E 'x =
2
E sin[ ωt − ( kr + ϕ)] ,
2
(1)
E 'z =
2
E sin[ ωt − ( kr + ϕ)] .
2
(2)
Здесь ω и k - соответственно круговая частота и волновое число световой волны; t, r - время ее существования и пройденное расстояние; ϕ - постоянная фазовая задержка.
При выходе световой волны из первого электрооптического кристалла (точка В) разность фаз δ1 между компонентами Eх' и Ez' составит
δ1 =
l
π
2π
( n x − n z ) l1 + (n 3x r13 − n 3z r33 )U 1 ,
λ
d
λ
(3)
где λ - длина волны модулируемого светового пучка; nх, nz - показатели преломления кристалла, соответствующие компонентам Eх' и Ez' световой волны; r13, r33 - электрооптические коэффициенты; U - управляющее напряжение; l1 = l/cos i1', sin i1' = sin i1/nx, l - геометрическая длина электрооптического кристалла, i1 - угол падения световой волны на
кристалл; d - апертура модулятора. Первое слагаемое в правой части выражения (3) обусловлено естественной анизотропией кристалла, второе слагаемое - управляющим напряжением (наведенная анизотропия).
С учетом (3) ортогонально поляризованные компоненты световой волны (1) и (2) в
точке В будут иметь вид:
E 'x =
δ ⎤
2
⎡
E sin ⎢ωt − ( kr + ϕ) + 1 ⎥ ,
⎣
2
2⎦
(4)
E 'z =
δ ⎤
2
⎡
E sin ⎢ωt − ( kr + ϕ) − 1 ⎥ .
⎣
2
2⎦
(5)
В результате прохождения ретроотражателя (от точки В до точки С) компоненты Ех и
Еz световой волны приобретут дополнительную разность фаз
⎛ cos ψ sin 2 ψ − n 2
δ p ≈ 2arctg⎜
⎜
sin 2 ψ
⎝
⎞
⎟,
⎟
⎠
(6)
где ψ - угол падения, n - показатель преломления материала ретроотражателя. При этом
выражения (4) и (5) в точке С примут следующий вид:
E 'x' =
δp ⎤
δ
⎡
2
E sin ⎢ωt − ( kr + ϕ) − 1 − ⎥ ,
2
2
2⎦
⎣
4
(7)
BY 6592 C1
E 'z' =
δp ⎤
δ
⎡
2
E sin ⎢ ωt − ( kr + ϕ) + 1 + ⎥ .
2
2
2⎦
⎣
(8)
Разность фаз δ2 между Eх'' и Ez'' после прохождения второго электрооптического кристалла определяется по аналогии с (3):
2π
π
l
( n x − n z ) l + (n 3x r13 − n 3z r33 )U .
λ
λ
d
(9)
E 'x' =
δp δ2 ⎤
δ
⎡
2
E sin ⎢ωt − ( kr + ϕ) − 1 −
+ ⎥,
2
2
2
2⎦
⎣
(10)
E 'z' =
δp δ2 ⎤
δ
⎡
2
E sin ⎢ ωt − ( kr + ϕ) + 1 +
− ⎥.
2
2
2
2⎦
⎣
(11)
δ2 =
Тогда выражения (7) и (8) для точки D запишутся как
Отразившись от зеркала и пройдя в обратной последовательности, все рассмотренные
элементы модулятора, компоненты Ех" и Еz" световой волны в точке А приобретут вид
E 'x =
2
E sin [ωt − ( kr + ϕ) + δ1 + δ p − δ 2 ] ,
2
(12)
E 'z =
2
E sin [ωt − ( kr + ϕ) − δ1 − δ p + δ 2 ] .
2
(13)
E 'x =
2
E sin [ωt − ( kr + ϕ) + ∆δ] ,
2
(14)
E 'z =
2
E sin [ωt − ( kr + ϕ) − ∆δ] .
2
(15)
Обозначив δ1 + δр - δ2 = ∆δ, формулы (12) и (13) можно переписать как
Суперпозиция световых волн, описываемых выражениями (14) и (15), показывает, что
в случае 2∆δ = π (эквивалентно оптической разности хода, равной λ/2) плоскость поляризации обратной световой волны в точке А будет ортогональна плоскости поляризации исходной световой волны в этой же точке. Это означает, что если перед первым электрооптическим кристаллом будет находиться поляризатор (на фигуре не показан), то обратная
световая волна отразится от него. В случае же ∆δ = 0 обратная световая волна будет пропущена поляризатором. Все остальные ситуации (0 < 2∆δ < π) являются промежуточными.
Процедура управления модулируемым световым пучком весьма наглядна, если параметр ∆δ представить в явном виде:
∆δ ≈ δ p +
⎛ 1
⎞ 2π 3
2π
(n x r13 − n 3z r33 )U l .
( n x − n z ) l⎜⎜
− 1⎟⎟ +
'
λ
d
⎝ cos i1
⎠ λ
(16)
При отсутствии на обоих электрооптических кристаллах управляющего напряжения
(U = 0) величина ∆δ определяется только первыми двумя слагаемыми в правой части выражения (16). Если
δp +
⎛ 1
⎞ π
2π
( n x − n z ) l⎜⎜
− 1⎟⎟ = ,
'
λ
⎝ cos i1
⎠ 2
(17)
то обратная световая волна отражается от поляризатора. При подаче на электрооптические
кристаллы управляющего напряжения
U=
4(
n 3o r13
d
λ
.
3
− n e r33 ) l
(18)
обратная световая волна проходит через поляризатор. Тем самым осуществляется процесс
модуляции исходной световой волны.
5
BY 6592 C1
В формуле (18) no и nе - показатели преломления электрооптических кристаллов соответственно для обыкновенной и необыкновенной компонент световой волны, что соответствует параметрам nх и nz для представленной на фигуре ориентации осей оптической анизотропии кристаллов. В формуле (17) важную роль играет также коэффициент [(1/cos i1') - 1],
который показывает, на какой угол в плоскости, ортогональной вектору управляющего
электрического поля, необходимо повернуть первый электрооптический элемент, чтобы
параметр 2∆δ в отсутствие управляющего напряжения был строго равен π.
Источники информации:
1. Мустель Е.П., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. - М.: Наука,
1970. - С. 296.
2. Адрианова И.И., Заславская В.Р., Степаненко Н.Ф., Чижиков Г.Г. Фазовый электрооптический модулятор неполяризованного излучения // Оптико-механическая промышленность. - 1978. - № 6. - С. 24-26 (прототип).
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
195 Кб
Теги
by6592, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа