close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY7329

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 7329
(13) C1
(19)
(46) 2005.09.30
(12)
7
(51) G 02F 1/03, 1/29
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ ЗАТВОР
НЕПОЛЯРИЗОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
(21) Номер заявки: a 20020650
(22) 2002.07.23
(43) 2004.03.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт электроники
НАН Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Пилипович Владимир Антонович; Конойко Алексей Иванович;
Ставров Александр Афанасьевич;
Ярмолицкий Вячеслав Феликсович
(BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт электроники НАН Беларуси" (BY)
(56) SU 1770940 A1, 1992.
BY 4067 C1, 2001.
US 3661442 A, 1972.
US 4211474 A, 1980.
JP 57114119 A, 1982.
Мустель Е.Р. Методы модуляции и
сканирования света. - М.: Наука, 1970. С. 112-114.
BY 7329 C1 2005.09.30
(57)
Электрооптический затвор неполяризованного излучения, включающий анализатор
плоскости поляризации светового пучка и два оптически связанных электрооптических
кристалла, отличающийся тем, что содержит первый и второй одинаково ориентированные фазовые элементы λ/4, причем первый фазовый элемент λ/4 установлен на входе одного электрооптического кристалла, а второй фазовый элемент λ/4 - на выходе другого,
вход первого фазового элемента λ/4 непосредственно оптически связан с первым выходом
анализатора плоскости поляризации светового пучка, а вход второго фазового элемента
λ/4 оптически связан через отражатель со вторым выходом анализатора плоскости поляризации светового пучка, причем одна из осей индикатрисы показателей преломления
BY 7329 C1 2005.09.30
фазовых элементов λ/4 ориентирована под углом 45° к осям наведенной анизотропии
электрооптических кристаллов, главным плоскостям отражателя и анализатора плоскости
поляризации светового пучка, электрооптические кристаллы, кристаллографические оси
которых ориентированы в противоположных направлениях, выполнены с поперечным
приложением управляющего поля и оптически связаны друг с другом через фазовый элемент λ/2, при этом все элементы электрооптического затвора помещены в диэлектрический корпус, материал которого обладает высокой теплопроводностью.
Изобретение относится к области оптических методов обработки информации, лазерной
технике, лазерной связи, локации и может быть использовано в научном, технологическом
и медицинском приборостроении в качестве амплитудного оптического модулятора.
Известен электрооптический модулятор неполяризованного излучения [1], который
состоит из двух электрооптических кристаллов с поперечным приложением управляющего поля, расположенных таким образом, чтобы составляющие светового электрического
вектора с различным направлением плоскости поляризации при прохождении через модулятор получали бы одинаковую постоянную фазовую задержку.
Такой электрооптический модулятор обладает недостаточно высокой эффективностью
модуляции вследствие возникающих в нем температурных градиентов, так как он имеет
достаточно большую длину.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является
электрооптический модулятор бегущей волны [2], который состоит из двух электрооптических кристаллов с поперечным приложением управляющего поля, между которыми помещена пластинка, вносящая оптическую разность хода λ/2. Причем одноименные кристаллофизические оси обоих кристаллов ориентированы в противоположных направлениях.
Такой электрооптический модулятор также обладает недостаточно высокой эффективностью модуляции вследствие возникающих в нем температурных градиентов, так как
он имеет достаточно большую длину.
Технической задачей изобретения является увеличение эффективности амплитудной
модуляции неполяризованного излучения.
Поставленная техническая задача решается тем, что электрооптический затвор неполяризованного излучения, включающий анализатор плоскости поляризации светового
пучка и два оптически связанных электрооптических кристалла, содержит первый и второй
одинаково ориентированные фазовые элементы λ/4, причем первый фазовый элемент λ/4
установлен на входе одного электрооптического кристалла, а второй фазовый элемент λ/4 на выходе другого, вход первого фазового элемента λ/4 непосредственно оптически связан
с первым выходом анализатора плоскости поляризации светового пучка, а вход второго
фазового элемента λ/4 оптически связан через отражатель со вторым выходом анализатора плоскости поляризации светового пучка, причем одна из осей индикатрисы показателей преломления фазовых элементов λ/4 ориентирована под углом 45° к осям наведенной
анизотропии электрооптических кристаллов, главным плоскостям отражателя и анализатора плоскости поляризации светового пучка, электрооптические кристаллы, кристаллографические оси которых ориентированы в противоположных направлениях, выполнены с
поперечным приложением управляющего поля и оптически связаны друг с другом через
фазовый элемент λ/2, при этом все элементы электрооптического затвора помещены в диэлектрический корпус, материал которого обладает высокой теплопроводностью.
Увеличение эффективности амплитудной модуляции электрооптического затвора неполяризованного излучения достигается за счет решения вопроса преобразования поляризации падающего излучения и минимизации влияния возникающих в электрооптических
кристаллах температурных градиентов на модуляционные характеристики, что в свою
очередь позволяет увеличить эффективность модуляции.
2
BY 7329 C1 2005.09.30
Сущность изобретения поясняется на фигуре, где
1 - диэлектрический корпус,
2 - анализатор поляризации светового пучка,
3 - первый фазовый элемент λ/4,
4 - первый электрооптический кристалл,
5 - фазовый элемент λ/2,
6 - второй электрооптический кристалл,
7 - второй фазовый элемент λ/4,
8 - отражатель.
Устройство содержит диэлектрический корпус 1, в котором размещены оптически связанные анализатор поляризации светового пучка 2; первый фазовый элемент λ/4 3; первый
электрооптический кристалл 4; фазовый элемент λ/2 5; второй электрооптический
кристалл 6; второй фазовый элемент λ/4 7; отражатель 8, причем одноименные оси индикатрисы показателей преломления первого и второго фазовых элементов λ/4 3,7 между
собой параллельны и ориентированы под углом 45° к осям наведенной анизотропии в
первом и втором электрооптических кристаллах 4, 6, кристаллографические оси которых
ориентированы в противоположных направлениях, а также к главным плоскостям отражателя 8 и анализатора плоскости поляризации светового пучка 2.
Диэлектрический корпус 1 выполнен из флюорита, материал которого обладает высокой теплопроводностью.
Анализатор поляризации светового пучка 2 выполнен в виде поляризационной призмы
Глана.
Фазовые элементы λ/4 3, 5, 7 выполнены в виде плоскопараллельных пластин из кристаллического кварца.
Электрооптические кристаллы 4, 6 выполнены на базе электрооптического кристалла
LiNbO3.
Отражатель 8 выполнен в виде плоского диэлектрического зеркала.
Электрооптический затвор неполяризованного излучения работает следующим образом.
В исходном состоянии на вход оптической системы затвора поступает неполяризованный световой пучок. Он разделяется анализатором поляризации светового пучка 2 на два
ортогонально плоско поляризованных световых пучка. Затем световой пучок, поляризованный в главной плоскости анализатора поляризации 2, падает на первый фазовый элемент 3,
вносящий оптическую разность хода λ/4, оси оптической индикатрисы показателей преломления которого Х3, Y3 развернуты относительно главной плоскости анализатора поляризации 2 на угол 45°. В результате двулучепреломления на входной грани в нем будут
распространяться две равные по амплитуде ортогонально поляризованные компоненты
вида:
π

E
= E y0 cos sin[ωt − (kr + ϕ)] ;
 x 3ВХ
4
(1)

π
E
 y3ВХ = E y0 sin 4 sin [ωt − (kr + ϕ)] ,
где х3, y3 - главные оси индикатрисы показателей преломления фазового элемента 3, развернутые на угол 45° относительно главной плоскости анализатора поляризации 2; Ey0 максимальная амплитуда электрического вектора падающей световой волны, поляризованной в главной плоскости анализатора поляризации 2; ω - круговая частота падающей
световой волны; k - волновое число падающей световой волны; t - время существования
волны; r - расстояние, пройденное световой волной; ϕ - постоянная фазовая задержка. При
прохождении световой волны через этот фазовый элемент между ортогонально поляризованными компонентами электрического вектора Ех3 и Еу3 наводится разность фаз, равная π/2.
3
BY 7329 C1 2005.09.30
Ортогонально поляризованные компоненты на выходе первого фазового элемента λ/4 3
будут иметь вид:
π

E x 3 = E y0 cos 4 sin [ωt − (kr + ϕ)] ;
(2)

E = E sin π cos[ωt − (kr + ϕ)] .
y0
 y3
4
При преломлении последних на входной грани первого электрооптического кристалла 4,
оси индикатрисы показателей преломления которого ОХ4 и OY4 развернуты относительно
осей первого фазового элемента 3 на угол 45°, то есть находятся в вертикальной и горизонтальной плоскостях, ортогональные компоненты электрического вектора световой
волны, поляризованные вдоль осей ОХ4 и OY4, равны между собой по абсолютной величине и их фазы сдвинуты друг относительно друга на π/2. Их выражения имеют следующий вид:

2
π

E y0 sin ωt − (kr + ϕ) +  ;
E x 4ВХ =
2
4


(3)

2
π

E
 y4 ВХ = − 2 E y0 sin ωt − (kr + ϕ) − 4  .
При прохождении световой волны через первый электрооптический элемент 4 между
ортогонально поляризованными компонентами электрического вектора Ех4 и Еу4 наводится разность фаз, равная δ1. Она может быть определена из выражения вида:
2π
π
l
(n o − n e )l + (n 3o r13 − n 3e r33 )U + (δ|| − δ ⊥ ) ,
δ1 =
(4)
λ
d
λ
где: λ - длина волны модулируемого излучения; no, nе - показатели преломления, соответственно, для обыкновенного и необыкновенного световых пучков; rij -электрооптический
коэффициент; l - длина пути, прошедшего светом в первом электрооптическом элементе;
d - линейная апертура модулятора.
Первый член выражения (4) обусловлен естественной анизотропией кристалла первого
электрооптического элемента 4, второй - приложенным электрическим полем, третий изменения фазы δ||(δу4) и δ⊥ (δх4) компонент, поляризованных, соответственно, параллельно
и перпендикулярно плоскости падения светового пучка при полном внутреннем отражении, то есть соответствует осям у4, x4. Их разность можно определить из выражения вида:
 cos ϕ sin 2 ϕ − n 2
(δ|| − δ ⊥ ) ≈ 2arctg

sin 2 ϕ


,


где ϕ - угол падения при полном внутреннем отражении; n - показатель преломления кристалла.
Ортогонально поляризованные компоненты на выходе первого электрооптического
элемента 4 с учетом (3) и (4) будут иметь вид


2
 π δ 
E y0 sin ωt − (kr + ϕ) +  + 1  ;
E x 4 =
2
 4 2 


(5)

E = − 2 E sin ωt − (kr + ϕ) −  π + δ1  .


y0

 y4
2
 4 2 


В результате прохождения последних через фазовый элемент 5, вносящий оптическую
разность хода λ/2, оси индикатрисы показателей преломления которого ОХ5 и OY5 развернуты относительно осей электрооптического элемента 4 на угол 45°, на его выходе будем
иметь ортогональные компоненты, повернутые на угол 90°. При преломлении последних
4
BY 7329 C1 2005.09.30
на входной грани второго электрооптического кристалла 6, оси индикатрисы показателей
преломления которого OX6 и OY6 развернуты относительно осей фазового элемента 5 поляризационного модулятора 3 на угол 45°, в нем будут распространяться две компоненты
вида:


2
 π δ 
E y0 sin ωt − (kr + ϕ) −  + 1  ;
E x 6 ВХ = −
2
 4 2 


(6)


2
 π δ1 
E
 y6ВХ = 2 E y0 sin ωt − (kr + ϕ) +  4 + 2  .



При прохождении световой волны через второй электрооптический кристалл 6 между
ортогонально поляризованными компонентами электрического вектора Ex6 и Ey6 наводится разность фаз, равная δ2. Она может быть определена из выражения вида:
2π
π
l
δ2 =
(n o − n e )l − n 3o r13 − n 3e r33 U + (δ|| − δ ⊥ ) .
(7)
λ
λ
d
Знак минус перед вторым членом обусловлен тем, что во втором электрооптическом
элементе 6 оптическая ось ориентирована в направлении, противоположном направлению
оптической оси первого электрооптического элемента 4.
Ортогонально поляризованные компоненты на выходе второго электрооптического
элемента 6 с учетом (6) и (7) будут иметь вид:


2
 π δ δ 
E y0 sin ωt − (kr + ϕ) −  + 1 − 2  =
E x 6 = −
2
 4 2 2 




l 
2
π π
= −
E y0 ⋅ sin ωt − (kr + ϕ) −  + n 3o r13 − n 3e r33 U  
d 
2

4 λ

(8)

E = 2 E sin ωt − (kr + ϕ) +  π + δ1 − δ 2  =


y0

 y6
2
 4 2 2 




2
l 
π π
E y0 ⋅ sin ωt − (kr + ϕ) +  + n 3o r13 − n 3e r33 U   .
=
d 
4 λ

 2
(
)
(
(
)
)
При преломлении последних на входной грани второго фазового элемента λ/4 7, оси
индикатрисы показателей преломления которого ОХ7 и OY7 развернуты относительно
осей оптической индикатрисы электрооптических кристаллов 4, 6 на угол 45°, будем
иметь равные амплитуды ортогональных компонент. Они описываются гармоническими
функциями, имеющими одинаковый период, и сдвинуты друг относительно друга на λ/4,
так как в этом случае имеют вид

π

E x 7 ВХ = −E y0 cos 4 + δ  ⋅ sin[ωt − (kr + ϕ)] ;



(9)

π

E
= −E y0 sin  + δ  ⋅ cos[ωt − (kr + ϕ)] ,
 y7 ВХ
4

где
π
l
δ = n 3o r13 − n 3e r33 U .
(10)
λ
d
При прохождении световой волны через второй фазовый элемент λ/4 7 между ортогонально поляризованными компонентами электрического вектора Ex7 и Еу7 наводится разность фаз, равная π/2. В результате на выходе второго фазового элемента λ/4 7 происходит
синфазное совмещение ортогонально поляризованных компонент, которые будут иметь в
этом случае вид:
(
)
5
BY 7329 C1 2005.09.30

π

E x7 = −E y0 cos  4 + δ  ⋅ cos[ωt − ( kr + ϕ )];



(11)

π


E = −E sin  + δ  ⋅ cos[ωt − ( kr + ϕ )].
y0
 y7
4

Суперпозиция ортогональных компонент (11) и дает результирующую плоскополяризованную световую волну, угол наклона плоскости поляризации которой к осям Х7, Y7
можно получить из отношения амплитуд ортогонально поляризованных компонент на выходе второго фазового элемента λ/4:
E y7
π

= tg  + δ .
(12)
E x7
4

То есть, суперпозиция ортогональных компонент (11) и дает результирующая плоскополяризованная световая волна будет поляризована в главной плоскости анализатора поляризации 2.
Поэтому в случае, если на затвор управляющее напряжение не подается, световой пучок, отразившись от отражателя 8, выходит из анализатора поляризации 2 в направлении,
перпендикулярном падающему. В том же направлении пойдет ортогонально поляризованный световой пучок, прошедший затвор в противоположном направлении.
При подаче на электрооптический поляризационный модулятор 3 управляющего напряжения величиной равной
λ
d
U= 3
(13)
3
(n o r13 − n e r33 ) l ,
на выходе второго фазового элемента λ/4 7 плоскость поляризации выходящего светового
пучка повернется на 90°. Поэтому световой пучок, отразившись от зеркала 8, выйдет из
затвора в направлении, противоположном падающему на затвор световому пучку. В том
же направлении пойдет ортогонально поляризованный световой пучок, прошедший затвор
в противоположном направлении.
Источники информации:
1. Адрианова И.И., Заславская В.Р., Степаненко Н.Ф., Чижиков Г.Г. Фазовый электрооптический модулятор неполяризованного излучения // ОМП. - 1978. - № 6. - С. 24-26.
2. Мустель Е.П., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. - M.: Наука,
1970. - С. 296 (прототип).
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
103 Кб
Теги
by7329, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа