Устройство модуляции и детектирования оптического излучения
Полезная модель относится к устройствам для управления интенсивностью, поляризацией или направлением света от независимого источника для модуляции и детектирования оптического излучения, в том числе лазерного, основанным на магнитооптических приборах, обладающих эффектом Фарадея. Устройство и детектирования содержит He-Ne лазер ИК диапазона длин волн, ячейку Фарадея с генератором модулирующего сигнала, двоякопреломляющую призму Рошона, фотодетекторы по количеству степеней поляризации, дифференциальный усилитель и регистрирующее устройство. Положительный эффект от использования предложенной полезной модели в отличие от известного устройства заключается в увеличении мощности сигнала на 50%, снижении уровня шумов и повышении отношения сигнал/шум на выходе в 5 и более раз. 1 фиг. ил.
Полезная модель относится к устройствам для управления интенсивностью, поляризацией или направлением света от независимого источника для модуляции и детектирования оптического излучения, в том числе лазерного, основанным на магнитооптических приборах, обладающих эффектом Фарадея.
Известны устройства модуляции света, основанные на линейном или квадратичном электрооптических эффектах, содержащие, например, источник линейно-поляризованного оптического излучения, электрооптический кристалл с блоком управления, анализатор и фотоприемник [Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света - М.: Изд-во «Наука», 1970. - 296 с.].
В данном устройстве за счет изменения управляющего напряжения происходит поворот плоскости поляризации света, что обуславливает так называемую поляризационную модуляцию излучения. В анализаторе происходит преобразование поляризационной модуляции в модуляцию интенсивности, детектирование сигнала в этом случае осуществляется обычным амплитудным детектором (фоторезистором, фотодиодом и т.д.).
Недостатками данного устройства являются низкая прозрачность и эффективность в ближней области ИК-диапазона (1-10 мкм), а также то, что
в процессе преобразования модуляции по поляризации в модуляцию интенсивности происходит потеря мощности сигнала на 50% и в случае приема слабых сигналов шумы в оптическом канале не позволяют получить достаточно большое отношение сигнал/шум, что существенно снижает дальность линии связи или ограничивает возможности локационной техники при обнаружении далеко удаленных целей.
Наиболее близким решением является модулятор, описанный в работе [Табарин В.А. Демьянцева С.Д. Магнитооптическая модуляция интенсивности лазерного излучения. /Радиотехника и электроника/ - 1983. - Т23, №3. - с.609-611], в котором в качестве модулирующего устройства используется ячейка Фарадея, содержащая образец из монокристалла феррита, например, из железоиттриевого граната (Y3Fe5O 12), прозрачного в диапазоне длин волн 1,1-5 мкм, а для детектирования применяется оптический анализатор и амплитудный детектор.
Одним из недостатков данного устройства, выбранного нами в качестве прототипа по большинству совпадающих признаков, является низкая пороговая частота модуляции и связанная с этим высокая мощность модулирующего сигнала.
Обоим вышеупомянутым устройствам свойственны также два общих недостатка, связанных с 50% потерей мощности сигнала в оптическом анализаторе из-за преобразования модуляции по поляризации в модуляцию по интенсивности и невысокое отношение сигнал/шум на выходе детектора. По этим причинам приходиться увеличивать исходную мощность лазера и повышать мощность модулирующего сигнала. Однако в ряде устройств, где используются магнитооптические модуляторы [Патент РФ на полезную модель №51745, МПК G01N 21/61. опубл. 27.02.2006, Бюл. №6. - 2 с.: ил.], существенно увеличить мощность излучения He-Ne лазера на длине волны 
=3,39 мкм принципиально невозможно. Поэтому высота полета вертолета с локатором для обнаружения утечек природного газа из магистральных трубопроводов ограничивается 90-100 м.
Задачей, решаемой использованием настоящей полезной модели является устранение 50% потерь мощности сигнала из-за преобразования модуляции по поляризации в модуляцию по интенсивности и повышение отношения сигнал/шум в 5 и более раз за счет снижения уровня шумов в процессе непосредственного детектирования оптического излучения, промодулированного по поляризации.
Техническая сущность полезной модели заключается в том, что в известном устройстве модуляции и детектирования оптического излучения, содержащем He-Ne лазер, ячейку Фарадея с генератором модулирующего сигнала, приемным и регистрирующим узлами, приемный узел устройства снабжен призмой Рошона с фотодетекторами по количеству степеней поляризации и дифференциальным усилителем.
Снабжение приемного узла устройства призмой Рошона с фотодетекторами по количеству степеней поляризации и дифференциальным усилителем обеспечивает пространственное разделение лучей, вышедших из магнитного образца и поляризованных перпендикулярно друг другу, каждый из которых детектируется соответствующим фотоприемником. Противофазные сигналы с фотоприемников подаются на входы дифференциального усилителя, в котором происходит усиление обоих сигналов и подавление их шумов.
Полезная модель поясняется схема модулятора с устройством детектирования (фиг.1).
На фиг.1 показаны передающий узел 1 и приемный узел 2, оптические оси 3 которых совпадают. Передатчик состоит из непрерывно генерирующего He-Ne лазера 4 на длине волны =3,39 мкм, газоразрядная трубка которого герметизирована окнами Брюстера и ячейки Фарадея 5 на основе образца из железоиттриевого граната, помещенного в соленоид 5, и генератора модулирующего сигнала 6.
В приемник 2 входят призма Рошона 7, фотодетекторы 8 и 9, дифференциальный усилитель 10 и регистрирующее устройство 11.
Устройство модуляции и детектирования работает следующим образом. На вход ячейки Фарадея 5 со стороны лазера 4 поступает линейно-поляризованное излучение. В магнитном образце ячейки Фарадея 5, намагниченным током сигнала модуляции от генератора 6, происходит поворот плоскости поляризации исходной волны на некоторый угол 
. Тогда вышедшее из ячейки 5 излучение можно представить, как две волны, линейно-поляризованных взаимно перпендикулярно. В призме Рошона 7 осуществляется пространственное разделение этих волн, которые поступают соответственно на фотодетекторы 8 и 9. Сигналы с фотодетекторов 8 и 9 подаются на входы дифференциального усилителя 10, благодаря которому усиленный дифференциальный сигнал поступает в регистрирующее устройство 11. Что касается шумов на выходах обоих детекторов, то они являются синфазными, и существенно ослабляются в дифференциальном усилителе. Это позволяет увеличить отношение сигнал/шум по сравнению с известными модуляторами в 5 и более раз.
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ИЛИ ИНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
Предлагаемое техническое решение позволяет повысить мощность сигнала на 50% (для детектирования используются обе волны, а не одна как в устройствах с анализатором), снизить шумы, и соответственно увеличить отношение сигнал/шум в регистрирующем устройстве в 5 и более раз.
Устройство модуляции и детектирования оптического излучения, содержащее излучатель в виде He-Ne лазера и ячейки Фарадея с генератором модулирующего сигнала, приемный и регистрирующий узлы, отличающееся тем, что приемный узел снабжен призмой Рошона, фотодетекторами по количеству степеней поляризации и дифференциальным усилителем.
