Электрооптический амплитудный модулятор

Полезная модель относится к области оптических методов обработки информации, лазерной технике, оптической связи и локации и может быть использована в научном, технологическом, измерительном и медицинском приборостроении. Технической задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей электрооптического амплитудного модулятора для модуляции добротности лазерных резонаторов. Поставленная техническая задача решается тем, что электрооптический амплитудный модулятор, содержащий равнобедренную треугольную призму, угол между равнобедренными гранями которой равен 180°-2, где - угол Брэгга, а на основании сформирован объемный голографический элемент в виде одной брэгговской дифракционной решетки, штрихи которой ориентированы по отношению к нормали под углом равным , поляризационный элемент, два электрооптических элемента и два отражательных элемента, причем плоскость наведенной анизотропии второго электрооптического элемента ориентирована к главной плоскости равнобедренной треугольной призмы под углом 45°, содержит третий отражательный элемент оптически связанный со вторым выходом поляризационного элемента, вход которого оптически связан с первой боковой гранью равнобедренной треугольной призмы, а первый выход последовательно оптически связан через первый электрооптические элемент, первый отражательный элемент, второй электрооптический элемент и второй отражательный элемент со второй боковой гранью равнобедренной треугольной призмы, а объемный голографический элемент последовательно оптически связан с вращателем плоскости поляризации на угол 45° на базе оптической активности и с вращателем плоскости поляризации на угол 45° на базе двулучепреломления, вход которого является одновременно входом и выходом электрооптического амплитудного модулятора, при этом плоскость наведенной анизотропии первого электрооптического элемента ориентирована к главной плоскости равнобедренной треугольной перпендикулярно. Совокупность указанных признаков позволяет расширить функциональные возможности электрооптического амплитудного модулятора, а именно, осуществлять высокоэффективную низковольтную модуляцию добротности лазерных резонаторов за счет решения вопроса существенного уменьшения потерь излучения при вводе его в кольцевой резонатор, и согласования плоскостей поляризации входного и выходного световых пучков при автоколлимационном режиме работы.

Полезная модель относится к области оптических методов обработки информации, лазерной технике, оптической связи и локации и может быть использована в научном, технологическом, измерительном и медицинском приборостроении.

Известен электрооптический амплитудный модулятор [1], который состоит из трех зеркал, образующих кольцевой резонатор Фабри-Перо, и электрооптического элемента с поперечным приложением управляющего поля, причем два зеркала полупрозрачны.

Такой модулятор не позволяет получить низковольтную высокоэффективную амплитудную модуляцию светового излучения из-за необходимости приложения полуволнового управляющего напряжения для получения на выходе минимального светового фона и наличия больших потерь излучения при вводе излучения в кольцевой резонатор Фабри-Перо.

Наиболее близким по технической сущности является электрооптический амплитудный модулятор [2], который содержит оптически связанные равнобедренную треугольную призму, угол между равнобедренными гранями которой равен 180°-2, где - угол Брэгга, а основание является входом электрооптического амплитудного модулятора и на нем сформирован объемный голографический элемент в виде одной брэгговской дифракционной решетки, штрихи которой ориентированы по отношению к нормали под углом равным , два отражательных элемента, поляризационный элемент и два электрооптических элемента, причем плоскость наведенной анизотропии одного электрооптического элемента ориентирована к главной плоскости равнобедренной треугольной призмы перпендикулярно, а другого - под углом 45°.

Такой электрооптический амплитудный модулятор не позволяет осуществлять модуляцию добротности лазерных резонаторов из-за наличия, в автоколлимационном режиме работы модулятора, ортогональности плоскости поляризации выходного светового пучка к плоскости поляризации входного, что ограничивает его функциональные возможности.

Технической задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей электрооптического амплитудного модулятора для модуляции добротности лазерных резонаторов.

Поставленная техническая задача решается тем, что электрооптический амплитудный модулятор, содержащий равнобедренную треугольную призму, угол между равнобедренными гранями которой равен 180°-2, где - угол Брэгга, а на основании сформирован объемный голографический элемент в виде одной брэгговской дифракционной решетки, штрихи которой ориентированы по отношению к нормали под углом равным , поляризационный элемент, два электрооптических элемента и два отражательных элемента, причем плоскость наведенной анизотропии второго электрооптического элемента ориентирована к главной плоскости равнобедренной треугольной призмы под углом 45°, содержит третий отражательный элемент оптически связанный со вторым выходом поляризационного элемента, вход которого оптически связан с первой боковой гранью равнобедренной треугольной призмы, а первый выход последовательно оптически связан через первый электрооптические элемент, первый отражательный элемент, второй электрооптический элемент и второй отражательный элемент со второй боковой гранью равнобедренной треугольной призмы, а объемный голографический элемент последовательно оптически связан с вращателем плоскости поляризации на угол 45° на базе оптической активности и с вращателем плоскости поляризации на угол 45° на базе двулучепреломления, вход которого является одновременно входом и выходом электрооптического амплитудного модулятора, при этом плоскость наведенной анизотропии первого электрооптического элемента ориентирована к главной плоскости равнобедренной треугольной перпендикулярно.

Совокупность указанных признаков позволяет расширить функциональные возможности электрооптического амплитудного модулятора, а именно, осуществлять высокоэффективную низковольтную модуляцию добротности лазерных резонаторов за счет решения вопроса существенного уменьшения потерь излучения при вводе его в кольцевой резонатор, и согласования плоскостей поляризации входного и выходного световых пучков при автоколлимационном режиме работы.

Сущность изобретения поясняется на фигуре, где:

1 - вращатель плоскости поляризации на угол 45° на базе двулучепреломления;

2 - вращатель плоскости поляризации на угол 45° на базе оптической активности;

3 - объемный голографический элемент;

4 - равнобедренная треугольная призма;

5 - поляризационный элемент;

6 - первый электрооптический элемент;

7 - первый отражатель;

8 - второй электрооптический элемент;

9 - второй отражатель;

10 - третий отражатель;

Устройство содержит последовательно оптически связанные вращатель плоскости поляризации на угол 45° на базе двулучепреломления 1, вход которого является одновременно входом и выходом электрооптического амплитудного модулятора, вращатель плоскости поляризации на угол 45° на базе оптической активности 2, равнобедренную треугольную призму 4, угол между равнобедренными гранями которой равен 180°-2, где -угол Брэгга, а на входной грани сформирован объемный голографический элемент 3 в виде одной брэгговской дифракционной решетки, штрихи которой ориентированы по отношению к нормали под углом равным , поляризационный элемент 5, вход которого оптически связан с первой боковой гранью равнобедренной треугольной призмы 4, а первый выход с первым электрооптическим элементом 6, последовательно оптически связанный с первым отражателем 7, со вторым электрооптическим элементом 8 и вторым отражателем 9, оптически связанным со второй боковой гранью равнобедренной треугольной призмы 4; третий отражатель 10 оптически связан со вторым выходом поляризационного элемента 5.

Вращатель плоскости поляризации на угол 45° на базе двулучепреломления 1 выполнен в виде двух оптически связанных фазовых элементов /4 из кристаллического кварца с оптической осью параллельной входной и выходной граням, оси анизотропии которых сориентированы друг относительно друга под углом 45° [3].

Вращатель плоскости поляризации на угол 45° на базе оптической активности 2 выполнен в виде плоско параллельной пластины из кристаллического кварца, входная и выходная грань которой перпендикулярны оптической оси с толщиной, обеспечивающей поворот плоскости поляризации проходящей световой волны на угол 45° [3].

Объемный голографический элемент 3 выполнен в виде объемной фазовой голограммы (одна решетка) на материале «Реоксан». динамический диапазон изменения показателя преломления которой обеспечивает преобразование световой энергии в один порядок дифракции.

Равнобедренная треугольная призма 4 выполнена из стекла KB, угол между равнобедренными гранями которой равен 180°-2, а на входной грани сформирован объемный голографический элемент 3.

Поляризационный элемент 5 выполнен в виде призмы Глана из исландского шпата СаСО₃.

Первый 6 и второй 8 электрооптический элемент выполнены на базе электрооптического кристалла LiNbO₃ в виде прямоугольных призм с поперечным приложением электрического поля.

Первый 7, второй 9 и третий 10 отражатели выполнены в виде диэлектрических зеркальных покрытий на плоских подложках из стекла КВ.

Электрооптический амплитудный модулятор работает следующим образом.

В исходном состоянии на вращатель плоскости поляризации на угол 45° на базе двулучепреломления 1, вход которого является одновременно входом и выходом электрооптического амплитудного модулятора, поступает постоянное световое излучение с плоским волновым фронтом и амплитудой Е₀, с плоскостью поляризации перпендикулярной главной плоскости оптической системы электрооптического амплитудного модулятора. Вследствие того, что в прямом ходе вращатель плоскости поляризации на угол 45° на базе двулучепреломления 1 и вращатель плоскости поляризации на угол 45° на базе оптической активности 2 поворачивают плоскость поляризации в разных направлениях, на их выходе плоскость поляризации проходящей световой волны свою ориентацию не изменит. После чего световая волна падает на входную грань равнобедренной треугольной призмы 4, угол между равнобедренными гранями которой равен 180°-2, где - угол Брэгга, а на входной грани сформирован объемный голографический элемент 3 в виде одной брэгговской дифракционной решетки, штрихи которой ориентированы по отношению к нормали под углом равным , где дифрагирует. В результате дифракции световая волна отклоняется на угол равный двум углам Брэгга (2) и выйдет из равнобедренной треугольной призмы 4 через первую боковую грань. После последовательного прохождения через поляризационный элемент 5, первый электрооптический элемент 6, первый отражатель 7, второй электрооптический элемент 8 и второй отражатель 9 световая волна поступает на вторую боковую грань равнобедренной треугольной призмы 4 под углом равным 2, где испытывает полное внутреннее отражение. После чего она поступает на новый виток прохождения к поляризационному элементу 5 и т.д., что приводит к многолучевой интерференции. При этом перед поляризационным элементом 5 мы будем иметь световое поле с амплитудой электрического вектора световой волны Е_k равной

E₀ - амплитуда поля входной световой волны;

- разность фаз, наводимая между интерферирующими световыми пучками;

T_g; Т₅, Т₆ , T₈ - коэффициенты пропускания, соответственно, объемного голографического элемента 3, поляризационного элемента 5, первого электрооптического элемента 6 и второго электрооптического элемента 8;

R₇,R₉, - коэффициенты отражения, соответственно, первого 7, второго 9 отражателей.

Следовательно, выражение для суммарной интенсивности света перед поляризационным элементом 5 будет иметь следующий вид:

где I₀ - интенсивность света на входе электрооптического амплитудного модулятора. А это означает, что, так как плоскость поляризации излучения перпендикулярна к главной плоскости поляризационного элемента 5, то оно не поступает к третьему отражателю, а, следовательно, на выходе электрооптического амплитудного модулятора оно отсутствует.

При подаче на электроды второго электрооптического элемента 8 электрического напряжения вследствие того, что оси наведенной анизотропии электрооптического материала повернуты относительно вектора поляризации световой волны на угол 45°, на его выходе ортогонально поляризованные составляющие световой волны приобретут разность фаз равную Г. Это приведет на выходе второго электрооптического элемента 8 к возникновению световой волны поляризованной ортогонально световой волне, падающей на рассматриваемый электрооптический амплитудный модулятор, что приведет к выводу излучения при помощи поляризационного элемента 5 к третьему отражателю 10. Отразившись от третьего отражателя 10, световая волна последовательно проходит в обратном направлении поляризационный элемент 5, равнобедренную треугольную призму 4, объемный голографический элемент 3 к вращателю плоскости поляризации на угол 45° на базе оптической активности 2. После чего световая волна проходит вращатель плоскости поляризации на угол 45° на базе оптической активности 2 и вращатель плоскости поляризации на угол 45° на базе двулучепреломления 1. В этом случае они поворачивают плоскость поляризации возвращающейся световой волны на угол 90° [3]. Поэтому плоскости поляризации входной и выходной световой волны совпадают. В итоге на выходе рассматриваемого электрооптического амплитудного модулятора мы будем иметь световой пучок с интенсивностью на рабочей длине волны, величину которой можно определить из следующего выражения:

Г - разность фаз между ортогонально поляризованными составляющими электрического вектора световой волны, наводимая вторым электрооптическим элементом 8;

R₁₀ - коэффициент отражения третьего отражателя 10.

Так как параметры в выражении (3) мало, чем отличаются от единицы, то требуется совсем небольшая величина разности фаз Г наводимой между ортогонально поляризованными составляющими световой волны, а, следовательно, и управляющего напряжения, чтобы на выходе рассматриваемого электрооптического амплитудного модулятора получить интенсивность света равную величине интенсивности входного излучения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент США 4119930

2. Патент на полезную модель РБ 6180

3. Патент РБ 11978

4. М.Борн, Э.Вольф Основы оптики / - М.: «Наука». 1973. С.720.

Электрооптический амплитудный модулятор, содержащий равнобедренную треугольную призму, угол между равнобедренными гранями которой равен 180°-2, где - угол Брэгга, а на основании сформирован объемный голографический элемент в виде одной брэгговской дифракционной решетки, штрихи которой ориентированы по отношению к нормали под углом, равным , поляризационный элемент, два электрооптических элемента и два отражательных элемента, причем плоскость наведенной анизотропии второго электрооптического элемента ориентирована к главной плоскости равнобедренной треугольной призмы под углом 45°, отличающийся тем, что содержит третий отражательный элемент, оптически связанный со вторым выходом поляризационного элемента, вход которого оптически связан с первой боковой гранью равнобедренной треугольной призмы, а первый выход последовательно оптически связан через первый электрооптический элемент, первый отражательный элемент, второй электрооптический элемент и второй отражательный элемент со второй боковой гранью равнобедренной треугольной призмы, а объемный голографический элемент последовательно оптически связан с вращателем плоскости поляризации на угол 45° на базе оптической активности и с вращателем плоскости поляризации на угол 45° на базе двулучепреломления, вход которого является одновременно входом и выходом электрооптического амплитудного модулятора, при этом плоскость наведенной анизотропии первого электрооптического элемента ориентирована к главной плоскости равнобедренной треугольной перпендикулярно.