Многоканальное поляризационно-независимое адаптивное устройство регистрации слабых динамических воздействий

Полезная модель относится к области оптоэлектроники и может быть использована в конструкциях адаптивных фильтров на основе динамических голограмм, записываемых в фоторефрактивных кристаллах. Технический результат - устройство обеспечивает работу с N сигнальными световыми волнами, имеющими произвольную поляризацию, позволяет проводить одновременные измерения нескольких параметров исследуемого объекта либо измерения параметров исследуемого объекта в нескольких точках, функционирует с меньшими оптическими потерями и позволяет исключить появление поляризационных шумов. Устройство содержит источник опорной и сигнальной когерентных световых волн, светоделитель, разделяющий когерентную волну на две волны - опорную и сигнальную, причем когерентные световые волны пересекаются под прямым углом друг другу, а в месте их пересечения установлен фоторефрактивный кристалл для формирования голограмм. После светоделителя установлена фазовая четвертьволновая пластинка, через которую пропускается опорная когерентная световая волна для придания ей эллиптической поляризации. Устройство также содержит N-канальный разветвитель и N фотоприемников. Опорная когерентная волна направлена в фоторефрактивный кристалл вдоль оси [100], а сигнальная когерентная волна пропускается через N-канальный разветвитель, разделяющий сигнальную когерентная волну на N сигнальных волн, направляемых в фоторефрактивный кристалл вдоль оси [001] посредством многомодовых волоконных световодов. После фоторефрактивного кристалла сигнальные волны пропускаются через фокусирующую линзу на N фотоприемники. Количество каналов разветвителя равно количеству фотоприемников. 1 ил.

Полезная модель относится к области оптоэлектроники и может быть использована в конструкциях адаптивных сверхчувствительных сенсоров на основе динамических голограмм, записываемых в фоторефрактивных кристаллах. Устройство предназначено для детектирования слабых физических воздействий.

Известно устройство для анизотропной дифракции световых волн, содержащее лазер, поляризатор, фазовую пластинку, кристалл (Delaye Ph., Blouin A., Drolet D., de Montmorillon L.A., Roosen G., Monchalin J.-P. Detection of ultrasonic motion of a scattering surface by photorefractive InP:Fe under an applied dc field // J. Opt. Soc. Am. B. - 1997. - Vol.14. - No.7. - P.1723-1734).

Две линейно поляризованные волны взаимодействуют в кристалле в условиях анизотропной дифракции. Разность фаз между прошедшей и дифрагированной волной вносится за счет их пропускания через систему «четверть-волновая пластинка-поляризатор».

Недостатками данного устройства являются наличие дополнительного поляризатора, работа которого приводит к дополнительным потерям световой мощности, и использование в качестве сигнального луча светового пучка только линейной поляризации.

Известно также устройство, основанное на векторном смешении волн в кубическом кристалле в присутствии переменного электрического поля (Kamshilin A.A., Prokofiev V.V. Fast adaptive interferometer with a photorefractive GaP crystal // Optics Letters. - 2002. - Vol.27. - No.19. - P.1711-1713).

Известное устройство содержит источники световых когерентных волн, которые расположены таким образом, что световые волны, пересекают под углом друг друга. В месте их пересечения установлен фоторефрактивный кристалл кубической симметрии для формирования динамической голограммы. В кристалл попадает две волны, одна из которых является сигнальной, а другая - опорной. Волны имеют разные состояния поляризации - линейное и эллиптическое. Волны распространяются в кристалле под малым углом друг к другу, в результате чего в кристалле формируется голографическая решетка пропускающего типа, обладающая небольшой дифракционной эффективностью. Для повышения эффективности работы устройства используют внешнее знакопеременное электрическое поле, получаемое от генератора переменного тока.

К недостаткам известного устройства следует отнести:

- большой пространственный период голографической решетки;

- низкие метрологические параметры;

- использование в качестве сигнального луча светового пучка только линейной поляризации.

Известно также энергонезависимое адаптивное устройство линейной демодуляции фазы патент РФ 75760 на полезную модель «Энергонезависимое адаптивное устройство линейной демодуляции фазы», МПК G02F 1/00, 2008 г.. Устройство содержит волоконно-оптический сенсор и лазер, расположенные таким образом, что световые волны, излучаемые ими, направлены относительно друг друга под углом близким к 180°, фоторефрактивный кристалл, расположенный на пересечении этих световых волн, фотоприемник, расположенный на одной горизонтальной оси с сигнальной световой волной волоконно-оптического сенсора за фоторефрактивным кристаллом, поляризатор, расположенный на одной горизонтальной оси между волоконно-оптическим сенсором и фоторефрактивным кристаллом, и две фазовые пластинки, расположенные на одной горизонтальной оси между лазером и фоторефрактивным кристаллом. Интенсивность сигнальной волны регистрируется фото детектором.

К недостаткам данного устройства следует отнести:

- наличие высоких оптических потерь, вносимых в сигнальную волну поляризатором;

- пониженная чувствительность;

- наличие поляризационных шумов;

- использование в качестве сигнального луча светового пучка только линейной поляризации.

Наиболее близким к заявляемому устройству является техническое решение по патенту РФ 92731 на полезную модель «Поляризационно-независимое адаптивное устройство линейной демодуляции фазы», МПК G02F 1/00, дата приоритета 26.10.2009 г. Устройство содержит волоконно-оптический сенсор и лазер опорной и сигнальной волн, расположенные так, что когерентные световые волны пересекаются под углом друг к другу, в месте их пересечения установлен фоторефрактивный кристалл кубической симметрии для формирования голограммы и фотоприемник. Опорная когерентная световая волна пропускается через фазовую четверть волновую пластинку для придания ей эллиптической поляризации. После фазовой четверть волновой пластинки устройства установлены светоделитель и два зеркала. Светоделитель разделяет когерентную опорную волну на две волны, а зеркала направляют когерентные опорные волны в фоторефрактивный кристалл под прямым углом друг к другу вдоль осей фоторефрактивного кристалла [100] и [001]. Когерентная сигнальная волна направлена в фоторефрактивный кристалл под прямым углом к когерентным опорным волнам вдоль оси фоторефрактивного кристалла [010].

Данное техническое решение по своему функциональному назначению и по своей технической сущности является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип.

К недостаткам данного устройства следует отнести:

- наличие оптических потерь;

- пониженная чувствительность;

- наличие поляризационных шумов.

Задачей настоящей полезной модели является создание многоканального поляризационно-независимого адаптивного устройства регистрации слабых динамических воздействий, которое позволит проводить одновременные измерения нескольких параметров исследуемого объекта либо измерения параметров исследуемого объекта в нескольких точках, а также снизить оптические потери, устранить поляризационные шумы и повысить чувствительность устройства, а кроме того, позволит исключить перекрестное влияние каналов друг на друга и обеспечить независимую работу каналов устройства в отдельности.

Поставленная задача решается тем, что в многоканальном поляризационно-независимом адаптивном устройстве регистрации слабых динамических воздействий, содержащем источник опорной и сигнальной когерентных световых волн, светоделитель, разделяющий когерентную волну на две волны опорную и сигнальную, причем когерентные световые волны пересекаются под прямым углом друг другу, а в месте их пересечения установлен фоторефрактивный кристалл для формирования голограмм. Опорная когерентная световая волна пропускается через фазовую четвертьволновую пластинку для придания ей эллиптической поляризации, при этом фазовая четвертьволновая пластинка установлена после светоделителя. Устройство также содержит N фотоприемников и N-канальный разветвитель. Опорная когерентная волна направлена в фоторефрактивный кристалл вдоль оси [100]. Сигнальная когерентная волна пропускается через N-канальный разветвитель, разделяющий сигнальную когерентную волну на N сигнальных волн, направляемых в фоторефрактивный кристалл вдоль оси [001] посредством многомодовых волоконных световодов. После фоторефрактивного кристалла сигнальные волны пропускаются через фокусирующую линзу на N фотоприемники. Количество каналов разветвителя равно количеству фотоприемников.

В качестве источника опорной когерентной световой волны и сигнальной когерентной световой волны используется лазер.

В качестве фоторефрактивного кристалла для формирования голограммы используется кристалл кубической симметрии.

В качестве светоделителя используется неполяризационный светоделительный куб с коэффициентом деления близким к 50:50.

В качестве N-канального разветвителя используется многомодовый волоконно-оптический разветвитель.

В заявленном многоканальном поляризационно-независимом адаптивном устройстве регистрации слабых динамических воздействий общими признаками для него и для его прототипа являются:

- опорная и сигнальные когерентные световые волны пересекаются под прямым углом друг к другу;

- в месте пересечения световых когерентных волн установлен фоторефрактивный кристалл кубической симметрии для формирования голограммы;

- опорная когерентная световая волна пропускается через фазовую четвертьволновую пластинку для придания ей эллиптической поляризации;

- фотоприемник.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения и прототипа показывает, что первое имеет в отличие от прототипа следующие существенные признаки:

- наличие N сигнальных волн, получаемых путем пропускания общей сигнальной волны через N-канальный многомодовый волоконно-оптический разветвитель, и направляемых в фоторефрактивный кристалл кубической симметрии вдоль оси [001] посредством многомодовых волоконных световодов;

- после фоторефрактивного кристалла кубической симметрии сигнальные волны пропускаются через фокусирующую линзу на фотоприемники;

- когерентная опорная волна направлена в фоторефрактивный кристалл кубической симметрии под прямым углом к когерентным сигнальным волнам вдоль оси фоторефрактивного кристалла [100];

- наличие лазера, как общего источника опорной и сигнальной волн.

Совокупность существенных признаков заявленной полезной модели имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом.

Сущность технического решения поясняется чертежом, на котором представлена схема многоканального поляризационно-независимого адаптивного устройства регистрации слабых динамических воздействий, где обозначены:

1 - лазер

2 - светоделитель

3 - фазовая четверть-волнновая пластинка

4 - общая сигнальная волна

5 - N-канальный волоконный разветвитель

6 - чувствительные элементы

7 - N сигнальных волн

8 - фоторефрактивный кристалл

9 - опорная волна

10 - фокусирующая линза

11 - N фотоприемников.

На чертеже дополнительно обозначены оси [001], [010], [100] фоторефрактивного кристалла кубической симметрии.

Многоканальное поляризационно-независимое устройство регистрации слабых динамических воздействий является частью любого интерферометра и предназначено для смешивания (объединения) опорной и N сигнальных световых волн. Устройство содержит волоконно-оптический лазер для формирования опорной и сигнальной волн, при этом когерентные световые волны 7 и 9 пересекаются под прямым углом друг к другу, в месте их пересечения установлен фоторефрактивный кристалл 8 кубической симметрии для формирования голограммы и N фотоприемников 11. Опорная когерентная световая волна 9 пропускается через фазовую четвертьволновую пластинку 3 для придания ей эллиптической поляризации. Общая сигнальная когерентная волна 4 пропускается через N-канальный разветвитель 5, разделяющий сигнальную волну на N волн, направляемых в фоторефрактивный кристалл 8 вдоль оси [001], а когерентная опорная волна 9 направлена в фоторефрактивный кристалл 8 под прямым углом к N когерентным сигнальным волнам 7 вдоль оси фоторефрактивного кристалла [100]. После фоторефрактивного кристалла 8 N сигнальных волн 7 пропускаются через фокусирующую линзу 10 на фотоприемники 11.

Многоканальное поляризационно-независимое устройство работает следующим образом. Устройство представляет собой адаптивный интерферометр, в котором в качестве чувствительных элементов используются многомодовые волоконные световоды 6, которые представляют собой сенсорную сеть. Количество каналов устройства 2-1000. Из лазера 1 подается две волны - опорная 9 и общая сигнальная 4. Опорная волна 9, проходя через четвертьволновую пластинку 3, попадает в фоторефрактивный кристалл 8 вдоль основной кристаллографической оси [100] посредством многомодовых волоконных световодов 6. Сигнальная волна 4 попадает в N-канальный волоконный разветвитель 5, где разделяется на N сигнальных волн 7. Далее N сигнальных волн 7 по многомодовым волоконным световодам 6, выполняющим роль чувствительных элементов, попадают в фоторефрактивный кристалл 8 вдоль основной кристаллографической оси [001] перпендикулярно опорной волне 9. Интерференция каждой из N сигнальных волн 7 с опорной волной 9 вследствие фоторефрактивного эффекта приводит к формированию в кристалле фазовых объемных голографических решеток, волновые вектора которых направлены под углами в 45 градусов к основным осям фоторефрактивном кристалле 8. Взаимодействие N сигнальных волн 7 с опорной волной 9 в фоторефрактивном кристалле 8 приводит к преобразованию модуляции фазы в модуляцию интенсивности излучения. Преобразование изменений фазы в изменения интенсивности (демодуляция фазы) носит линейный характер. При этом между сигнальными волнами не возникает взаимодействия, поскольку в такой геометрии, когда опорная и сигнальные волны пересекаются в фоторефрактивном кристалле под прямым углом, в силу анизотропии электрооптического эффекта оказывается запрещенным взаимодействие сигнальных волн между собой в случае, если они распространяются строго в направлении [001], что исключает возможность появления перекрестных помех между каналами. Детектирование физических воздействий устройством происходит следующим образом. Чувствительные элементы устройства располагаются в исследуемой области, воздействие которой на них приводит к модуляции фазы проходящих внутри сигнальных волн. На выходе устройства фотоприемниками регистрируется интенсивность излучения в каждом канале, при этом количество фотоприемников равно количеству каналов в устройстве.

1. Многоканальное поляризационно-независимое адаптивное устройство регистрации слабых динамических воздействий, содержащее источник опорной и сигнальной когерентных световых волн, светоделитель, разделяющий когерентную волну на две волны, опорную и сигнальную, причем когерентные световые волны пересекаются под прямым углом друг другу, а в месте их пересечения установлен фоторефрактивный кристалл для формирования голограмм, опорная когерентная световая волна пропускается через фазовую четвертьволновую пластинку для придания ей эллиптической поляризации, и как минимум один фотоприемник, отличающееся тем, что фазовая четвертьволновая пластинка установлена после светоделителя, устройство содержит N фотоприемников, опорная когерентная волна направлена в фоторефрактивный кристалл вдоль оси [100], сигнальная когерентная волна пропускается через N-канальный разветвитель, разделяющий сигнальную когерентную волну на N сигнальных волн, направляемых в фоторефрактивный кристалл вдоль оси [001] посредством многомодовых волоконных световодов, после фоторефрактивного кристалла сигнальные волны пропускаются через фокусирующую линзу на N фотоприемников, при этом количество каналов разветвителя равно количеству фотоприемников.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве источника опорной когерентной световой волны и сигнальной когерентной световой волны используется лазер.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве фоторефрактивного кристалла для формирования голограммы используется кристалл кубической симметрии.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве светоделителя используется неполяризационный светоделительный куб с коэффициентом деления, близким к 50:50.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве N-канального разветвителя используется многомодовый волоконно-оптический разветвитель.