Электрооптический затвор

Электрооптический затвор относится к оптическому приборостроению, а именно к системам регулирования интенсивности оптического излучения от объектов и может быть использован для обработки и передачи оптической информации. Технический результат заключается в получении высококачественного изображения в видимой области спектра от немонохроматического инфракрасного источника и управлении интенсивностью изображения за счет повышения частоты и интенсивности излучения. Для достижения технического результата электрооптический затвор содержит источник расходящегося пучка немонохроматического инфракрасного излучения, поляризатор, анизотропный центросимметричный электрооптический кристалл, оптическая ось которого перпендикулярна оси пучка излучения, анализатор, связанные между собой оптической связью и генератор электрического управляющего поля. Кристалл электрически связан с генератором и расположен в электрическом управляющем поле генератора с направлением поля перпендикулярным к оптической оси кристалла и оси пучка излучения. Использование полезной модели позволяет получить в видимой области спектра (с максимумом интенсивности в районе 0,53 мкм) изображение объекта, излучающего в инфракрасной области при приложении внешнего электрического поля 10 ⁶ В/м. При увеличении внешнего электрического поля в два раза интенсивность изображения увеличивается в четыре раза. 1 п.ф., 2 ил.

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, а именно к системам регулирования интенсивности оптического излучения от объектов и может быть использовано для обработки и передачи оптической информации.

Электрооптические затворы, управляющими элементами которых являются кристаллы, используются при передаче оптических изображений объектов для прерывания оптических сигналов. Такие затворы обладают высокой скоростью срабатывания (˜10 ^-8 с).

При пропускании параллельного пучка монохроматических лучей от объекта электрооптические затворы позволяют управлять интенсивностью изображения на экране без искажений. Так как пучок лучей параллельный и монохроматический, то все лучи в пучке испытывают одинаковые изменения фазы, вызванные анизотропией кристалла. Эти изменения можно уменьшить до нуля подбором толщины кристалла. Поэтому анизотропия кристалла не влияет на работу затвора с параллельным пучком монохроматических лучей. При отсутствии напряжения лучи от объекта не проходят через затвор. При воздействии определенного внешнего напряжения, называемого полуволновым напряжением, лучи полностью проходят через затвор.

При пропускании расходящегося пучка немонохроматических лучей электрооптические затворы искажают изображение объекта. Это обусловлено тем, что кристалл обладает дисперсией показателя преломления, то есть лучи разных длин волн имеют разные показатели преломления. При наложении внешнего электрического поля показатели преломления лучей разных длин волн изменяются по-разному, и для пропускания лучей для каждой длины волны необходимо прикладывать свое полуволновое напряжение. При наложении определенного полуволнового напряжения, соответствующего определенной длине волны лучи именно этой длины

волны полностью проходят через электрооптический затвор, лучи других длин волн проходят частично. В этом случае изображение имеет преобладающий цвет, соответствующий именно этой длине волны. Таким образом, при приложении напряжения изображение на экране появляется, но становится окрашенным, то есть искаженным.

Кроме того, на качество управления изображением сильное влияние оказывает то, что вследствие анизотропии кристалла лучи разных направлений имеют различные показатели преломления и на выходе из кристалла имеют различные разности фаз. Луч, направленный под углом 1° к оси пучка, приобретает на выходе из кристалла дополнительную разность фаз ₁ за счет двулучепреломления кристалла, которая значительно выше разности фаз ₂, вызванной внешним электрическим полем. Это приводит к тому, что при наложении полуволнового напряжения проходят только лучи, параллельные оси пучка. Лучи, идущие даже под небольшим углом к оси пучка, проходят через электрооптический затвор частично, так как для их прохождения требуется другое полуволновое напряжение. То есть управлять интенсивностью расходящегося пучка лучей невозможно.

Таким образом, существует проблема высокоскоростного управления интенсивностью немонохроматического расходящегося пучка света от объекта.

Известен электрооптический затвор, содержащий источник монохроматического параллельного пучка излучения любой области спектра, поляризатор, анизотропный нецентросимметричный электрооптический кристалл ниобата лития, анализатор и генератор электрического управляющего поля [1]. Источник излучения, поляризатор, анизотропный электрооптический кристалл, анализатор последовательно связаны между собой оптической связью. При этом электрическое поле генератора направлено параллельно излучению. Оптическая ось кристалла направлена под углом 35° к оси пучка и 55° к плоскости входной и выходной грани. Оси пропускания анализатора и поляризатора параллельны друг другу и

направлены под углом 45° к главной оптической плоскости кристалла. Кристалл ниобата лития обладает сильной анизотропией показателя преломления (n=0,08). Угол синхронизма для эффективной генерации второй гармоники близок к 90°.

Затвор работает следующим образом. После прохождения параллельного пучка монохроматического излучения частоты со через поляризатор в анизотропном электрооптическом кристалле каждый луч разбивается на два луча с ортогональными поляризациями, один из которых является обыкновенным, другой - необыкновенным. В кристалле возникает нелинейнооптическое взаимодействие между лучами. Часть излучения основной частоты преобразуется в излучение второй гармоники на частоте 2. Так как в данном случае излучение направлено под углом 35° к оптической оси и не совпадает с направлением синхронизма, то преобразование излучения во вторую гармонику идет с низкой эффективностью. Следовательно, интенсивность лучей на частоте второй гармоники очень низкая и ею можно пренебречь.

За счет разницы показателей преломления на выходе кристалла между обыкновенным и необыкновенным лучом возникает разность фаз ₀, постоянная при отсутствии управляющего электрического поля. Толщина кристалла подобрана таким образом, что разность фаз ₀ равна (2k+1). В этом случае напряженности обыкновенного и необыкновенного лучей на выходе из кристалла равны друг другу по модулю. Через анализатор проходит только составляющая напряженности обыкновенного и необыкновенного луча, направленная вдоль оси пропускания анализатора. Из анализатора выходит результирующий луч, имеющий напряженность, равную сумме проекций векторов напряженностей электрического поля обыкновенного и необыкновенного лучей. После анализатора проекции векторов напряженностей электрического поля обыкновенного и необыкновенного лучей имеют разные знаки. Это обусловлено тем, что оси пропускания анализатора и поляризатора параллельны друг другу, а разность

фаз равна (2k+1). Тогда сумма проекций векторов напряженностей электрического поля обыкновенного и необыкновенного лучей будет равна нулю, то есть каждый луч не проходит через кристалл. На экране наблюдается темное пятно.

Для прохождения излучения частотой со к кристаллу прикладывается электрическое поле, напряженность которого меняется с частотой . При этом луч с основной частотой взаимодействует с электрическим полем низкой частоты . Возникает луч новой частоты _i=± . Но так как > , то преобразованный луч имеет практически такую же частоту, что и исходный луч _i. Таким образом, частота излучения на выходе из кристалла практически не изменяется.

Не меняя частоты основного излучения в кристалле, внешнее электрическое поле изменяет показатель преломления обыкновенного и необыкновенного луча, вследствие чего изменяется разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучом на выходе из кристалла. Выбранная ориентация оптической оси кристалла под углом 55° к входной грани обеспечивает максимальный продольный электрооптический эффект, то есть при наложении внешнего электрического поля, наведенное двулучепреломление n, а, следовательно, и дополнительная разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучом , будут максимальными. При наложении внешнего электрического поля напряжением 2600 В (полуволновое напряжение) разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучом становится равной 2k. В этом случае напряженности обыкновенного и необыкновенного лучей на выходе из кристалла равны друг другу по модулю. Из анализатора выходит результирующий луч, имеющий напряженность, равную сумме проекций векторов напряженностей электрического поля обыкновенного и необыкновенного лучей. После анализатора проекции векторов напряженностей электрического поля обыкновенного и необыкновенного

лучей имеют одинаковые знаки. Тогда интенсивность результирующего луча будет максимальной. То есть каждый луч проходит через кристалл без изменения. На экране наблюдается монохроматическое неискаженное изображение объекта.

Если источник излучает в видимой области спектра, то на экране получается видимое изображение. При излучении в инфракрасной области спектра на экране получается невидимое изображение.

Таким образом, прилагая полуволновое напряжение к кристаллу можно изменять интенсивность изображения объекта от максимального значения до нуля.

Достоинством известного электрооптического затвора является высокая скорость работы, обусловленная быстрым изменением показателя преломления при наложении внешнего электрического поля. Кроме того, качество изображения является высоким при использовании параллельного пучка монохроматических лучей, что обусловлено отсутствием влияния анизотропии и дисперсии для таких лучей.

Недостатком является низкое качество изображения немонохроматического объекта (искажение цвета). Это обусловлено тем, что кристалл обладает дисперсией показателя преломления, то есть лучи разных длин волн имеют разные показатели преломления. При наложении внешнего электрического поля показатели преломления лучей разных длин волн изменяются по-разному, и для пропускания лучей для каждой длины волны необходимо прикладывать свое полуволновое напряжение. При наложении определенного полуволнового напряжения, соответствующего определенной длине волны лучи именно этой длины волны полностью проходят через электрооптический затвор, лучи других длин волн проходят частично. Таким образом, при приложении напряжения излучение проходит частично, а изображение является окрашенным, то есть искаженным. Кроме того, известный электрооптический затвор имеет ограниченные возможности для управления расходящимся пучком лучей (расходимость до 0,2 градуса), что

обусловлено высоким значением анизотропии кристалла ниобата лития. Лучи разных направлений имеют различные показатели преломления и на выходе из кристалла имеют различные разности фаз. Это приводит к тому, что при наложении полуволнового напряжения проходят только лучи, параллельные оси пучка. Лучи, идущие даже под небольшим углом к оси пучка, проходят через электрооптический затвор частично, так как для их прохождения требуется другое полуволновое напряжение. То есть управлять интенсивностью расходящегося пучка лучей невозможно.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является электрооптический затвор, содержащий источник монохроматического расходящегося (до 2°) пучка излучения из любой области спектра, поляризатор, анизотропный нецентросимметричный электрооптический кристалл дигидрофосфата калия (DKDP), анализатор и генератор электрического управляющего поля [2]. Источник излучения, поляризатор, анизотропный электрооптический кристалл, анализатор последовательно связаны между собой оптической связью. При этом электрическое поле генератора направлено параллельно излучению. Оптическая ось кристалла направлена перпендикулярно падающему пучку излучения. Оси пропускания анализатора и поляризатора перпендикулярны друг другу и направлены под углом 45° к главной оптической плоскости кристалла. Кристалл DKDP обладает достаточно низкой анизотропией показателя преломления (n=0,04).

Затвор работает следующим образом. После прохождения расходящегося (до 2°) пучка монохроматического излучения частотой и) через поляризатор, в анизотропном электрооптическом кристалле каждый луч разбивается на два луча с ортогональными поляризациями, один из которых является обыкновенным, другой - необыкновенным. В кристалле возникает нелинейнооптическое взаимодействие между лучами. Часть излучения основной частоты преобразуется в излучение второй гармоники на частоте 2. Так как в данном случае ось пучка не совпадает с

направлением синхронизма, то преобразование излучения во вторую гармонику идет с низкой эффективностью. Следовательно, интенсивность лучей на частоте второй гармоники очень низкая и ею можно пренебречь.

За счет разницы показателей преломления на выходе кристалла между обыкновенным и необыкновенным лучом возникает разность фаз ₀, постоянная при отсутствии управляющего электрического поля. Толщина кристалла подобрана таким образом, что разность фаз ₀ равна (2k+1). В этом случае напряженности обыкновенного и необыкновенного лучей на выходе из кристалла равны друг другу по модулю. Через анализатор проходит только составляющая напряженности обыкновенного и необыкновенного луча, направленная вдоль оси пропускания анализатора. Из анализатора выходит результирующий луч частоты , имеющий напряженность, равную сумме проекций векторов напряженностей электрического поля обыкновенного и необыкновенного лучей. После анализатора проекции векторов напряженностей электрического поля обыкновенного и необыкновенного лучей имеют разные знаки. Это обусловлено тем, что оси пропускания анализатора и поляризатора параллельны друг другу, а разность фаз равна (2k+1). Тогда сумма проекций векторов напряженностей электрического поля обыкновенного и необыкновенного лучей будет равна нулю, то есть каждый луч не проходит через кристалл. На экране наблюдается темное пятно.

Для прохождения излучения к кристаллу прикладывается электрическое поле, напряженность которого меняется с частотой . При этом луч с основной частотой взаимодействует с электрическим полем низкой частоты . Возникает луч новой частоты _i=+ . Но так как > , то преобразованный луч имеет практически такую же частоту, что и исходный луч _i. Таким образом, частота излучения на выходе из кристалла практически не изменяется.

Не меняя частоты основного излучения в кристалле, внешнее электрическое поле изменяет показатель преломления обыкновенного и необыкновенного луча, вследствие чего изменяется разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучом на выходе из кристалла. При наложении полуволнового напряжения (3500 В) разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучом становится равной 2k. В этом случае напряженности обыкновенного и необыкновенного лучей на выходе из кристалла равны друг другу по модулю. Из анализатора выходит результирующий луч частоты , имеющий напряженность, равную сумме проекций векторов напряженностей электрического поля обыкновенного и необыкновенного лучей. После анализатора проекции векторов напряженностей электрического поля обыкновенного и необыкновенного лучей имеют одинаковые знаки. Тогда интенсивность результирующего луча будет максимальной. То есть каждый луч проходит через кристалл без изменения. На экране наблюдается монохроматическое неискаженное изображение объекта.

Если источник излучает в видимой области спектра, то на экране получается видимое изображение. При излучении в инфракрасной области спектра на экране получается невидимое изображение.

Таким образом, прилагая полуволновое напряжение к кристаллу, можно изменять интенсивность изображения объекта от нуля до максимального значения.

Достоинством затвора является получение высокого качества изображения в том же оптическом диапазоне, что и объект при использовании расходящегося (до 2°) пучка монохроматических лучей, достигнутое снижением влияния анизотропии за счет низкого значения двулучепреломления (n=0,04) и отсутствием дисперсии для таких лучей. Кроме того, затвор имеет высокую скорость работы, обусловленную быстрым изменением показателя преломления при наложении внешнего электрического поля.

Недостаток заключается в отсутствии возможности наблюдения в определенной области спектрального диапазона изображения объекта, излучающего в другой области спектра, а именно получения видимого изображения от инфракрасного объекта. Это обусловлено тем, что частота излучения остается постоянной, перенос излучения по спектру не осуществляется. Изображение находится в той же области спектра, что и источник.

Другим недостатком является низкое качество получаемого изображения от немонохроматического объекта, заключающееся в искажении цвета. Это обусловлено тем, что кристалл обладает дисперсией показателя преломления, то есть лучи разных длин волн имеют разные показатели преломления. При наложении внешнего электрического поля показатели преломления лучей разных длин волн изменяются по-разному, и для пропускания лучей для каждой длины волны необходимо прикладывать свое полуволновое напряжение. При наложении определенного полуволнового напряжения, соответствующего определенной длине волны лучи именно этой длины волны полностью проходят через электрооптический затвор, лучи других длин волн проходят частично. Таким образом, при приложении напряжения излучение проходит частично, а изображение является окрашенным, то есть искаженным.

Задача, решаемая полезной моделью, заключается в создании электрооптического затвора, позволяющего получать высококачественное изображение в видимой области спектра от немонохроматического инфракрасного источника и управлять интенсивностью изображения за счет повышения частоты и интенсивности излучения.

Для решения поставленной задачи в известном электрооптическом затворе, содержащем источник расходящегося пучка излучения, поляризатор, анизотропный электрооптический кристалл, анализатор, связанные между собой оптической связью и генератор электрического управляющего поля, при этом оптическая ось кристалла направлена перпендикулярно оси пучка

излучения, оси пропускания поляризатора и анализатора перпендикулярны друг другу, в нем напряженность электрического управляющего поля перпендикулярна оси пучка излучения и оптической оси кристалла, источник расходящегося пучка излучения выбран немонохроматическим в ИК диапазоне спектра, а анизотропный электрооптический кристалл - центросимметричным.

На фигуре 1 представлена схема электрооптического затвора.

На фигуре 2 представлен спектральный состав возникшего в видимой области спектра изображения от источника, излучающего в спектральном диапазоне 0,7-2 мкм и выше.

Электрооптический затвор содержит источник расходящегося пучка излучения 1, поляризатор 2, анизотропный электрооптический кристалл 3, анализатор 4, экран 5, генератор электрического управляющего поля 6.

Источник излучения 1, поляризатор 2, кристалл 3, анализатор 4 соединены между собой последовательно оптической связью.

Источник расходящегося пучка излучения 1 представляет собой источник немонохроматического инфракрасного излучения, содержащего лучи всех длин волн (или частот ) в диапазоне 0,7-2 мкм и более.

Анизотропный электрооптический кристалл 3 представляет собой центросимметричный кристалл кальцита (СаСО₃), свойством которого является возможность четырехволнового смешения. При этом происходит взаимодействие трех волн с образованием четвертой волны, частота которой является комбинацией частот этих трех волн. Трехволновое взаимодействие запрещено симметрией кристалла.

Кроме того, кристалл кальцита обладает анизотропией показателя преломления.

Генератор управляющего электрического поля 6 электрически связан с кристаллом 3. Причем кристалл расположен в управляющем электрическом поле генератора, напряженность которого направлена перпендикулярно оси пучка излучения и оптической оси кристалла и

изменяется с частотой =10⁸ Гц. Амплитудное значение напряженности электрического поля E_oel=10 ⁶ В/м.

Ось пропускания поляризатора 2 перпендикулярна оптической оси кристалла и оси пропускания анализатора 4. При этом она параллельна направлению напряженности электрического поля генератора 6.

В качестве поляризатора 2 и анализатора 4 выбраны поляризационные светофильтры СФ16.

Электрооптический затвор работает следующим образом. Излучение от источника 1 содержит лучи всех частот в широком спектральном диапазоне. Поляризованные поляризатором 2 лучи распространяются в объеме кристалла 3.

На вход кристалла 3 падают только обыкновенные лучи, что обусловлено перпендикулярной ориентацией оси пропускания поляризатора 2 к оптической оси кристалла 3.

Часть обыкновенных лучей исходного излучения с частотами _j, _k, и _l, взаимодействуя друг с другом, преобразуется в необыкновенные лучи частотой _i=_j+_k±_l (взаимодействие типа ооо - е). Частоты _j, _k, и _l, а, следовательно, и _i могут принимать различные значения в широком спектральном диапазоне. При этом осуществляются два варианта взаимодействия: _i=_j+_k-_l=_j+_k+_l. В первом случае частота _i лежит в инфракрасном диапазоне спектра, так как все частоты исходных лучей лежат в этом диапазоне и примерно равны между собой. Во втором случае частота _i лежит в видимом диапазоне спектра.

Интенсивность этих лучей определяется выражением

где R_ijkl - электрооптический коэффициент; E_0j, Е_0k , E_0l -амплитудные значения напряженностей электрических полей лучей соответствующих частот. Таким образом, после прохождения кристалла в излучении содержатся и обыкновенные и необыкновенные лучи.

Проходя через анализатор 4, обыкновенные лучи поглощаются, так как их поляризация перпендикулярна оси пропускания анализатора 4. Через анализатор 4 проходят только необыкновенные лучи, которые поступают на экран 5, формируя изображение как в инфракрасном, так и в видимом диапазоне.

Изображение в инфракрасном диапазоне является невидимым.

Изображение в видимом диапазоне представляет собой темное пятно. Это обусловлено низкой интенсивностью преобразованных необыкновенных лучей на частотах _i за счет малой напряженности исходных обыкновенных лучей E_0j, E _ok, E_ol (см. уравнение (1)).

Темное пятно на экране соответствует закрытому состоянию затвора.

Для прохождения излучения к кристаллу 3 от генератора 6 прикладывается электрическое поле, напряженность которого меняется с частотой . Часть обыкновенных лучей с частотами _i, _k и _l, взаимодействуя друг с другом, преобразуется в необыкновенные лучи частотой _i=_j+_k±_l (взаимодействие типа ооо - е). Интенсивность этих лучей мала. Кроме того, лучи с основными частотами _i, _k и _l могут взаимодействовать и с электрическим полем низкой частоты . В результате нелинейнооптического преобразования кроме необыкновенных лучей малой интенсивности с частотами _i=_j+_k±_l возникают необыкновенные лучи с частотами _I^'=_j+_k± .

Оптическое излучение имеет высокую частоту (˜10¹⁵ Гц), а внешнее электрическое поле, созданное генератором, имеет сравнительно низкую частоту ( ˜10⁸ Гц). Таким образом, _jk> . Это приводит к тому, что частота _i^' возникшего луча приблизительно равна _j+_k и практически не зависит от частоты внешнего управляющего поля. Частоты _i^' возникших в кристалле лучей лежат в видимом спектральном диапазоне.

Интенсивность преобразованного излучения определяется формулой

где R_ijkl - электрооптический коэффициент; E_0j, E_0k - амплитудные значения напряженностей электрических полей лучей соответствующих частот, E_oel - амплитудное значение напряженности внешнего электрического поля.

Значение Eoei может быть гораздо выше значений напряженностей E _0j и E_0k поэтому интенсивность преобразованного излучения гораздо выше при наложении внешнего электрического поля, чем без него (см. (1) и (2)).

Лучи преобразованного излучения частотой _i^' являются необыкновенными и проходят через анализатор 4 без изменений, так как плоскость их поляризации совпадает с осью пропускания анализатора. Лучи основных частот _j, _k поглощаются анализатором, так как их плоскость поляризации перпендикулярна оси пропускания анализатора.

Это соответствует открытому состоянию затвора. На экране в этом случае наблюдается в видимой области спектра цветное изображение инфракрасного источника.

Изображение наблюдается в видимой области спектра вследствие того, что частоты _i^' преобразованного излучения выше, чем частоты _j, _k основного ИК излучения.

Цветность изображения обусловлена тем, что возникшие в кристалле лучи имеют различные значения частоты _i^', лежащие в широком спектральном диапазоне.

Затвор имеет высокую скорость работы, обусловленную тем, что процесс четырехволнового смешения волн является быстрым.

Проведенные численные эксперименты по исследованию спектрального состава видимого изображения, полученного от инфракрасного объекта, показывают, что изображение объекта лежит в видимом спектральном диапазоне, максимум интенсивности находится в районе 0,53 мкм. При увеличении напряженности управляющего электрического поля в два раза с 0,5·10⁶ В/м до 10⁶ В/м интенсивность преобразованного излучения возрастает

в четыре раза. Качество изображения является высоким, а изображение образовано лучами, лежащими в широком спектральном диапазоне, то есть является цветным.

Спектральный состав изображения, полученного от падающих на кристалл кальцита лучей, принадлежащих спектральному диапазону 0,7÷2 мкм и более, представлен на фиг.2.

Источники информации, принятые во внимание.

1. Бережной А.А. Электрооптические модуляторы и затворы //Оптический журнал. - 1999. - №7. - С. 11.

2. Бережной А.А. Электрооптические модуляторы и затворы //Оптический журнал. - 1999. - №7. - С. 11-12.

Электрооптический затвор, содержащий источник расходящегося пучка излучения, поляризатор, анизотропный электрооптический кристалл, анализатор, связанные между собой оптической связью и генератор электрического управляющего поля, при этом кристалл электрически связан с генератором, его оптическая ось направлена перпендикулярно оси пучка излучения, а оси пропускания поляризатора и анализатора перпендикулярны друг другу, отличающийся тем, что кристалл расположен в электрическом управляющем поле генератора с направлением поля перпендикулярным к оптической оси кристалла и оси пучка излучения, источник расходящегося пучка излучения выбран немонохроматическим в инфракрасном диапазоне спектра, а анизотропный электрооптический кристалл - центросимметричным.