close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY15533

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2012.02.28
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
G 01N 21/01 (2006.01)
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТНОГО СПЕКТРА МОЩНОСТИ
СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
(21) Номер заявки: a 20100145
(22) 2010.02.04
(43) 2011.10.30
(71) Заявитель: Государственное учреждение высшего профессионального
образования
"БелорусскоРоссийский университет" (BY)
(72) Авторы: Хомченко Александр Васильевич; Шульга Александр Васильевич; Сотский Александр Борисович
(BY)
BY 15533 C1 2012.02.28
BY (11) 15533
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
учреждение высшего профессионального образования "Белорусско-Российский университет" (BY)
(56) КУЗАЛИ А.С. и др. // Квантовая электроника. - 1976. - Т. 3. - № 11. - С. 24572458.
BY 10365 C1, 2008.
BY 8787 C1, 2006.
СОТСКИЙ А.Б. и др. Измерение спектра интенсивности светового пучка волноводным методом // Письма в ЖТФ. 2005. - Т. 31. - Вып. 8. - С. 88-91.
(57)
1. Способ определения частотного спектра мощности светового пучка, заключающийся во вводе анализируемого излучения в волновод посредством призменного устройства
связи, выводе световой энергии волноводных мод каждой хроматической компоненты излучения и регистрации углов выхода каждой из них, отличающийся тем, что вывод излучения осуществляют посредством упомянутого призменного устройства с нанесенной на
его основание многослойной тонкопленочной структурой с возможностью поддержания,
по меньшей мере, одной волноводной моды с заранее измеренными действительной и
мнимой частями постоянной распространения, регистрируют пространственное распределение интенсивности светового пучка, отраженного от призменного устройства вдоль линии,
образованной пересечением плоскости падения светового пучка и фокальной плоскости
линзы объектива при возбуждении многослойной тонкопленочной структуры призменного устройства, а частотный спектр мощности ρ(ω) определяют из выражения:
Фиг. 1
BY 15533 C1 2012.02.28
ρ(ω) = (2πM )
-1
где M =
∞
∞
−∞
−∞
∫ dt exp (- iωt + α t )
∫ (ϕ - 1) exp(iΩt ) dΩ ,
∞
∫ (ϕ - 1) dΩ ;
−∞
t - переменная интегрирования;
i - мнимая единица;
ω - круговая частота излучения;
-1
α = Im β (β′) ;
β - постоянная распространения вытекающей моды структуры волновод-призменное
устройство;
−1 dε

dβ 
p
β′ = ωt − 0,5k 0 sin θ ε p − sin 2 µ
+ Re
 ;
dω t 
dω t

k 0 = ω t c −1 ;
c - скорость света в вакууме;
θ - угол при основании призменного устройства;
ε p - диэлектрическая проницаемость призмы;
(
)
µ - угловой размер пучка;
[
];
2 −1
ϕ(Ω ) = I(Ω ) K ψ(Ω )
Ω = − N(γ − µ ) (β′) ;
−1
(
N = k 0 ε p cos µ sin α ε p − sin 2 µ
);
−1
γ - угол падения светового пучка на призму;
sin α =
)
( ε ) (sin µ sin θ + cos θ
I(Ω ) ψ(Ω)
−1
p
−2
n
ε p − sin 2 µ ;
[
(
= K + ∑ A l exp − 0,5 ΩV −1
l =0
) ] H (ΩV )
2
−1
l
- угловое распределение интенсив-
ности отраженного пучка, наблюдаемое вдоль линии, образованной пересечением плоскости падения светового пучка и фокальной плоскости линзы объектива в случае
возбуждения волноводной моды;
K, A1, и V - константы при заданном порядке интерполяции n, определяемые методом
наименьших квадратов;
H l (ΩV −1 ) - полином Эрмита;
ψ(Ω ) - угловой спектр интенсивности возбуждающего пучка,
2
причем величины β′ , N, sinα и k 0 вычисляют при круговой частоте ωt = ω0 ,
[
]
где ω0 - корень уравнения cω−t 1 Re β(ωt ) + ε p (ωt ) − sin 2 µ ⋅ sin θ − sin µ cos θ = 0 .
2. Устройство для регистрации пространственного распределения интенсивности светового пучка при определении его частотного спектра мощности способом по п. 1, содержащее
расположенные по ходу светового пучка оптическую систему в виде коллимирующей и
фокусирующей линз, поляризатор, призменное устройство связи с возможностью ввода и
вывода световой энергии волноводных мод каждой хроматической компоненты излучения,
установленное с возможностью поворота, анализатор и блок регистрации, причем призменное устройство связи содержит многослойную тонкопленочную структуру, нанесенную
на его основание с возможностью поддержания, по меньшей мере, одной волноводной моды
с заранее измеренными действительной и мнимой частями постоянной распространения.
2
BY 15533 C1 2012.02.28
Изобретение относится к области оптики, лазерной физики, оптоэлектроники и интегральной оптики и может быть использовано для исследования частотного спектра мощности световых пучков как некогерентного, так и частично-когерентного излучения.
Известен способ для измерения частотного спектра мощности светового пучка, основанный на использовании поверхностных акустических волн (ПАВ), возбуждаемых в оптическом волноводе. ПАВ в волноводе возбуждается при помощи пьезоэлектрического
преобразователя, на который подается перестраиваемый сигнал высокой частоты (порядка
10-200 МГц, при мощности, как правило, не превышающей нескольких ватт). Распространяемое в волноводе в виде волноводной моды излучение дифрагирует на фазовой решетке, создаваемой ПАВ в волноводе, и под определенным углом, зависящим от частоты
излучения, выводится из волновода и регистрируется фотоприемником [1].
Известно устройство для измерения частотного спектра мощности светового пучка,
состоящее из планарного волновода, элементов ввода/вывода излучения, оптической системы, включающей коллимирующую и фокусирующую линзы, акустооптической ячейки
и системы регистрации [1].
Такие способ и устройство обладают простотой осуществления, однако выбор материалов, в которых возможно создание такого устройства, относительно невелик, так как
необходимо наличие специфических констант взаимодействия. Кроме того, такой способ
характеризуется невысокой разрешающей способностью, ибо количество сканируемых
точек, например, при изготовлении устройства на основе ниобата лития не превышает
1000 для предельных значений полосы частот используемых ПАВ и разрешения фокусирующей линзы.
Известен способ измерения частотного спектра мощности светового пучка, включающий ввод анализируемого излучения в специально изготовленный волновод, где оно распространяется в виде волноводной моды, дифракцию излучения на созданной травлением
в волноводе решетке, вывод его из волновода под определенным углом, зависящим от частоты излучения, и регистрацию вышедшего излучения фотоприемником [2].
Известно устройство для измерения частотного спектра светового пучка (интегральнооптический спектрометр) [2], состоящее из нанесенного на подложку буферного слоя, в
котором методом травления создана дифракционная решетка, которая выполнена таким
образом, чтобы обеспечить дифракцию определенных длин волн, волноводного слоя, созданного на поверхности вытравленного буферного слоя, через который проходит отраженный свет, а также матрицы фотодиодов, размещенных поверх волновода, на которую и
направляется дифрагированный свет, тем самым обеспечивая возможность анализа состава излучения.
Данный способ удобен в обращении, позволяет быстро измерять с определенным разрешением частотный спектр мощности световых пучков. Однако с его помощью невозможно достичь высокого разрешения в широком диапазоне длин волн, т.к. данный метод
рассчитан на анализ определенных спектральных компонент, задаваемых конструкцией
решетки.
Из известных наиболее близким по технической сущности является способ измерения
частотного спектра мощности светового пучка, заключающийся во вводе анализируемого
излучения в специально изготовленный волновод с помощью призменного устройства
ввода, где излучение распространяется в виде волноводной моды, вывода световой энергии волноводных мод каждой хроматической компоненты излучения с помощью призменного устройства вывода под углами, характерными для строго определенных длин
волн соответствующей волноводной моды, и регистрации световой энергии, излучаемой
из призмы вывода с помощью блока регистрации, расположенного в фокальной плоскости
линзы [3].
Из известных устройств измерения частотного спектра мощности светового пучка
наиболее близким по технической сущности является спектроанализатор, созданный на
3
BY 15533 C1 2012.02.28
основе тонкопленочного волновода с призменным выводом излучения [3]. В качестве основного диспергирующего элемента выступает устройство, состоящее из планарного диэлектрического волновода, к которому прижаты две призмы связи: призма ввода и призма
вывода излучения. Сходящийся световой пучок, спектральный состав которого подлежит
измерению, падает на основание призмы ввода излучения, к которой прижат волновод, и
возбуждает его. В области призмы вывода происходит обратный процесс: часть световой
энергии волноводных мод каждой хроматической компоненты излучения покидает волновод под углами, характерными для определенных длин волн соответствующей волноводной моды. Регистрацию световой энергии, излучаемой из призмы вывода, осуществляют с
помощью блока регистрации, расположенного в фокальной плоскости линзы.
Данные способ и устройство удобны в обращении, однако основным его недостатком
является низкая разрешающая способность и невысокая светосила прибора.
Основной задачей, на решение которой направленно настоящее изобретение, является
увеличение разрешающей способности, светосилы устройства и расширение его функциональных возможностей, заключающееся в измерении частотного спектра мощности в
широком диапазоне длин волн.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения частотного спектра мощности световых пучков, заключающемся во вводе анализируемого излучения в волновод посредством призменного устройства связи, выводе
световой энергии волноводных мод каждой хроматической компоненты излучения и регистрации углов выхода каждой из них, отличающемся тем, что вывод излучения осуществляют посредством упомянутого призменного устройства с нанесенной на его основание
многослойной тонкопленочной структурой с возможностью поддержания, по меньшей
мере, одной волноводной моды с заранее измеренными действительной и мнимой частями
постоянной распространения, регистрируют пространственное распределение интенсивности светового пучка, отраженного от призменного устройства вдоль линии, образованной пересечением плоскости падения светового пучка и фокальной плоскости линзы
объектива при возбуждении многослойной тонкопленочной структурой призменного
устройства, а частотный спектр мощности ρ(ω) определяют из выражения:
ρ(ω) = (2πM )
−1
где M =
∞
∞
−∞
−∞
∫ dt exp (− iωt + α t )
∫ (ϕ − 1) exp (iΩt )dΩ ,
∞
∫ (ϕ − 1)dΩ ;
−∞
t - переменная интегрирования;
i - мнимая единица;
ω - круговая частота излучения;
−1
α = Im β (β′) ;
β - постоянная распространения вытекающей моды структуры волновод-призма связи;
)
(
−1 dε

dβ 
ρ
β′ = ω t − 0,5κ 0 sin θ ε ρ − sin 2 µ
+ Re
;
dω t
dω t 

κ 0 = ω t c −1;
c - скорость света в вакууме;
θ - угол при основании призмы;
ερ - диэлектрическая проницаемость призмы;
µ - угловой размер пучка;
[
ϕ(Ω ) = I(Ω ) K ψ(Ω )
];
2 −1
Ω = − N (γ − µ ) (β′) ;
−1
4
BY 15533 C1 2012.02.28
(
N = κ 0 ε p cos µ sin α ε ρ − sin 2 µ
)
−1
;
γ - угол падения светового пучка на призму;
sin α =
( ε ) (sin µ sin θ + cos θ
−1
ρ
I(Ω ) Ψ (Ω )
−2
n
[
)
ε ρ − sin 2 µ ;
(
= K + ∑ A l exp − 0,5 ΩV −1
l=0
) ] H (ΩV ) - угловое распределение интенсив2
−1
l
ности отраженного пучка, наблюдаемое вдоль линии, образованной пересечением плоскости падения пучка и фокальной плоскости линзы объектива в случае возбуждения
волноводной моды;
К, Аl и V - константы при заданном порядке интерполяции n, определяемые методом
наименьших квадратов;
H l (ΩV −1 ) - полином Эрмита;
Ψ (Ω ) - угловой спектр интенсивности возбуждающего пучка, причем величины β',
N, sinα и k0 вычисляют при круговой частоте ωt = ω0, где ω0 - корень уравнения
2
[
]
cω−t 1Re β (ωt ) + ε ρ (ωt ) − sin 2 µ ⋅ sin θ − sin µ cos θ = 0.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для регистрации
пространственного распределения интенсивности светового пучка при определении его
частотного спектра мощности указанным способом содержит расположенные по ходу светового пучка оптическую систему в виде коллимирующей и фокусирующей линз, поляризатор, призменное устройство связи с возможностью ввода и вывода световой энергии
волноводных мод каждой хроматической компоненты излучения, установленное с возможностью поворота, анализатор и блок регистрации, причем призменное устройство связи содержит многослойную тонкопленочную структуру, нанесенную на его основание, с
возможностью поддержания, по меньшей мере, одной волноводной моды с заранее измеренными действительной и мнимой частями постоянной распространения.
Именно призменное устройство связи с дополнительно нанесенной на его основание
волноводной многослойной структурой и блок регистрации пространственного спектра
интенсивности с установленным анализатором обеспечивают, согласно способу, измерение частотного спектра светового пучка с определенным разрешением и высокой светосилой, а также расширение его функциональных возможностей, и тем самым решение
поставленной технической задачи.
Предложенные способ и устройство поясняются рисунками. На фиг. 1 представлена
структурная схема предлагаемого устройства. Устройство состоит из оптической системы,
включающей коллимирующую 2 и фокусирующую линзы 3, поляризатора 4, расположенных по ходу распространения анализируемого светового пучка от источника 1, тонкопленочной волноводной структуры 5, нанесенной на основание призменного устройства
ввода-вывода излучения 6 на поворотном столике 7, анализатора 8, линейки фотоприемников 9, расположенной в фокальной плоскости линзы 10, осуществляющей Фурьепреобразование, блока аналогово-цифрового преобразователя 11, подключенного к компьютеру 12. Исследуемый световой пучок падает на призменное устройство ввода-вывода 6,
смонтированное на поворотном столике 7. Регистрация пространственного распределения
интенсивности отраженного пучка осуществляется с помощью матрицы фотоприемников 9,
после цифровой обработки сигнал поступает в оперативную память компьютера 12.
[
]
−1
.
На фиг. 2 приведена экспериментальная функция I(γ ) ψ (γ )
На фиг. 3 представлен спектр мощности излучения желтого дублета натриевой линии
с длинами волн излучения 589 и 589,6 нм, где λ = 2πc / ω .
2
[
На фиг. 4 приведены экспериментальная функция I' (γ ) ψ (γ )
и результат ее интерполяции.
5
2
]
−1
(дискретные точки)
BY 15533 C1 2012.02.28
На фиг. 5. представлена спектральная плотность мощности излучения лазерного диода, измеренная заявляемым способом (кривая 1) и методом фотометрирования светового
пучка (кривая 2).
Пример конкретного выполнения. Измерение спектра интенсивности светового пучка
осуществлялось на установке, схема которой приведена на фиг. 1. Регистрируемой величиной является угловое распределение интенсивности светового пучка, отраженного от
призменного устройства ввода-вывода излучения, регистрируемое вдоль линии, образованной пересечением плоскости падения пучка и фокальной плоскости объектива в случае
возбуждения волноводной моды. В качестве анализируемого светового пучка использовано излучение желтого дублета натриевой линии с длинами волн излучения 589 и 589,6 нм.
Призма изготовлена из оптического стекла ТФ12 с показателем преломления 1,78490 на
длине волны 589 нм. Измерения выполнены с использованием излучения TE-поляризации.
В качестве тестовой волноводной структуры использована многослойная тонкопленочная
структура ZrO2/SiO2, нанесенная на основание призмы. Угол падения луча на призму контролировался с помощью гониометра ГС-5.
Регистрацию пространственного распределения интенсивности отраженного пучка
осуществляют с помощью расположенной в фокальной плоскости линзы ПЗС-линейки,
зафиксированной на алидаде гониометра и сопряженной с компьютером, при помощи которого производится считывание и обработка информации с линейки. Объектив, выполняющий Фурье-преобразование, и матрица фотодиодов расположены таким образом, чтобы
ось, проходящая через центр фотолинейки и объектива перпендикулярно им, под прямым
углом пересекала ось вращения поворотного столика гониометра, обеспечивая тем самым
точность измерения углов возбуждения волноводных мод. ПЗС-линейка представляет собой массив из 1024 фотодиодов размером 20 мкм каждый. Измеряемыми величинами являлись угловой спектр интенсивностей светового пучка, отраженного от призменного
устройства ввода-вывода при возбуждении волноводной моды. После цифровой обработки
сигнал в режиме прямого доступа поступает в оперативную память компьютера. Действительная и мнимая части постоянной распространения моды многослойной структуры,
прижатой к основанию призмы связи, были предварительно измерены с использованием
монохроматического некогерентного светового пучка с длинами волн, соответствующим
натриевой линии.
Измерение спектральной плотности мощности излучения было выполнено и для полупроводникового лазерного диода, излучающего на длине волны ~ 650 нм, с использованием в качестве тестового волновода многослойной структуры на основе ниобата лития и
кварцевого стекла. Такой выбор волновода и применение призмы связи из стекла ТФ 11
(ερ = 3,06075) с углом при основании θ = 59,9 град. обеспечили достаточно большое значение дисперсионной константы β′κ 0−1 = 4,9 . Коэффициент затухания моды составлял
Im β κ 0−1 = 1,7 ⋅10 −4 . Возбуждающий пучок формировался оптической системой, представ-
ленной на фиг. 1, при этом использовалось излучение TE-поляризации. Угловой спектр
интенсивности пучка, отраженного от призмы связи, регистрировался матрицей фотоприемников ЛФ 1024.
[
На фиг. 4 приведены экспериментальная функция I(γ ) ψ (γ )
]
−2 −1
(дискретные точки) и
результат ее интерполяции. Восстановленная функция ρ(ω) представлена на фиг. 5 кривой 1.
Зависимость 2 на фиг. 5 получена независимым способом с использованием метода фотометрирования светового пучка с помощью дифракционного монохроматора МДРЗ. Удовлетворительное согласие результатов измерения функции ρ(ω) двумя независимыми
методами может служить подтверждением корректности изложенного подхода.
6
BY 15533 C1 2012.02.28
Источники информации:
1. Hatori; Masami. Optical spectrum analyzer: United States Patent 5066126, G 01J 3/00.
1991.
2. Robert E. Schwerzel, Nile F. Hartman. Integrated-Optic spectrometer and method // United State Patent 6226083, G 01J 3/40.
3. Кузали А.С., Чекан А.В. Экспериментальное исследование спектроанализатора на
тонкопленочном волноводе с призменным выводом излучения // Квантовая электроника. –
3. - № 11. - 1976.
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Фиг. 5
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
139 Кб
Теги
патент, by15533
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа