УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно - к устройствам для анализа и измерения амплитудно-временных характеристик СВЧ-излучения ГГц диапазона.
Известен чувствительный элемент для измерения электрических напряжений или напряженностей электрического поля (патент РФ №2121147, G01R 15/24 от 20.02.1993), выполненный с возможностью пропускания поляризованной световой волны через кристалл и изменения по ходу света напряженности поля в кристалле и тем самым показателя преломления кристалла посредством последовательно противолежащих поверхностей электродов, проходящих параллельно к ходу света и присоединенных к напряжению или потенциалу, в соответствии с приложенной к ним разностью напряжений или потенциалов и использования изменения световой волны, создаваемого изменением показателя преломления, в качестве меры для подаваемого на электроды напряжения или потенциала, и содержащий кристалл пластинчатой формы, поверхности которого расположены в направлении плоскости, образованной осями X и Y, а толщина которого расположена в направлении оси Z, причем на поверхности пластинок кристалла расположены попарно противолежащие друг другу, полосообразные и параллельные друг другу электроды, расположенные на расстоянии друг от друга в направлении оси Y или X, при этом соответственно диагонально противолежащие друг другу электроды электропроводяще соединены между собой, а соответственно противолежащие друг другу торцевые поверхности кристалла в направлении оси Y или X являются местом ввода или отвода. Кристалл упомянутого чувствительного элемента выполнен из ниобата лития.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является известное устройство для определения параметров СВЧ-излучения (M. Bernier, G. Gaborit, L. Duvillaret, A. Paupert and J.-L. Lasserre "Electric field and temperature measurement using ultra wide bandwidth pigtailed electro-optic probes", Appl. Opt., vol. 47, pp. 2470-2476 2008), содержащий лазерный диод, оптоволоконный кабели, интерферометр с электрооптическим кристаллом из танталата лития, разделительную призму, электрооптический щуп, волновые пластинки с сервоприводами, управляемые с помощью балансных детекторов различных поляризаций.
Недостатком известных устройств является то, что используемые в них электрооптические кристаллы не позволяют измерять электрические СВЧ-поля малой напряженности (менее 100 В/см). Это обусловлено высоким значением диэлектрической проницаемости используемых в этих устройствах электрооптических кристаллов.
Технический результат, заключающийся в повышении чувствительности и обеспечении измерения в щироком диапазоне напряженностей СВЧ-поля, в том числе и при малых значениях напряженностей, достигается в устройстве для определения параметров СВЧ-излучения, содержащем источник лазерного излучения, связанный через соответствующие оптический коллиматор и оптоволоконный кабель со входом интерферометра с электрооптическим кристаллом, при этом выход интерферометра соединен через другой оптический коллиматор и оптоэлектронный кабель с оптическим входом фотоэлектрического преобразователя, выход которого подключен к анализатору параметров СВЧ-излучения, тем, что в нем интерферометр выполнен в виде интерферометра Маха-Цандера, состоящего из попарно расположенных в противоположных углах прямоугольной зоны полупрозрачных зеркал и глухих зеркал, ориентированных под углом 45° к оптической оси интерферометра, причем в одном плече интерферометра расположен электрооптический кристалл типа DAST:
4-N,N-dimethylamino-4′-N′-methyl-stilbazolium tosylate,
а в другом плече расположен фазосдвигающий элемент, выполненный в виде тонкой стеклянной пластинки или в виде тонкого стеклянного клина с обеспечением плавного изменения разности фаз сигналов в плечах упомянутого интерферометра.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 представлена структурная схема устройства;
- на фиг. 2 приведена диаграмма сигнала, полученная при измерении параметров СВЧ-излучения.
Устройство содержит источник 1 лазерного излучения (одночастотный поляризованный лазер 1 с длиной волны 1550 нм), связанный через оптоволоконный кабель 2 и оптический коллиматор 3 со входом интерферометра 4 (фиг. 1).
Интерферометр 4 выполнен в виде интерферометра Маха-Цандера, состоящего из попарно расположенных в противоположных углах прямоугольной зоны полупрозрачных зеркал 5 и глухих зеркал 6, ориентированных под углом 45° к оптической оси интерферометра.
В одном плече интерферометра 4 расположен электрооптический кристалл 7 типа DAST (расшифровка DAST: 4-N,N-dimethylamino-4′-N′-methyl-Stilbazolium tosylate).
В другом плече интерферометра 4 расположен фазосдвигающий элемент 8, выполненный в виде тонкой стеклянной пластинки или в виде тонкого стеклянного клина с обеспечением плавного изменения разности фаз сигналов в плечах упомянутого интерферометра.
Выход интерферометра 4 соединен через другой оптический коллиматор 9 и оптоэлектронный кабель 10 с оптическим входом фотоэлектрического преобразователя 11, например, фотодиода, выход которого подключен к анализатору 12 параметров СВЧ-излучения.
Устройство работает следующим образом.
Поляризованный лазерный луч с длиной волны 1550 нм поступает через оптоволоконный кабель 2 и оптический коллиматор 3 на вход интерферометра 4 Маха-Цандара. Коллимированный пучок света делится на два пучка первым полупрозрачным зеркалом 5. Разделенные пучки под углом 45° отражаются глухими зеркалами 6 и собираются воедино вторым полупрозрачным зеркалом 5.
Полученный в результате интерференции сигнал поступает через коллиматор 9 и оптоволоконный кабель 10 на оптический вход фотодиода 11, преобразующего интенсивность света в электрический сигнал, поступающий на вход анализатора 12, в качестве которого может использоваться осциллограф.
При этом СВЧ-излучение (стрелка 13), направленное на электрооптический кристалл 7 типа DAST, обеспечивает внутри него соответствующее значение электрического поля, действующее в направлении [100]. Благодаря электрооптическому коэффициенту г 11, из-за действия поля в этом направлении изменяется показатель преломления для поляризации в этом направлении. Изменение показателя преломления изменяет оптический путь света в кристалле, изменяя таким образом фазовую задержку между лучами в плечах интерферометра.
Особенностью кристалла DAST являются большие значения электрооптического коэффициента (порядка 50 пм/В) в сочетании с низкой диэлектрической проницаемостью, что позволяет внешнему электрическому полю проникать в кристалл DAST на порядок лучше, чем в кристаллах танталата и ниобата лития. Таким образом, используя кристалл DAST в электрооптическом преобразователе, можно получить на порядок большую чувствительность к электрическому полю, чем у известных устройств.
Установленный во втором плече интерферометра 4 фазосдвигающий элемент 8 с возможностью поворота тонкой стеклянной пластины или с возможностью вдвигания тонкого клина в луч позволяет осуществлять плавное изменение разности фаз между плечами интерферометра, что позволяет выбрать рабочую точку на линейном участке характеристики.
Изменение фазовой задержки вызывает изменение интенсивности света на выходе интерферометра 4, причем если рабочая точка была установлена в середине линейного участка характеристики устройства, то при модуляции интенсивность будет линейно пропорциональна напряженности СВЧ-поля, воздействующего на кристалл 7. При этом электрический сигнал с фотодиода 11, пропорциональный измеряемой напряженности СВЧ-излучения, поступает на анализатор 12, с помощью которого определяются параметры СВЧ-излучения (см. фиг. 2).
Предлагаемое устройство позволяет измерять параметры сверхширокополосных электромагнитных импульсов с высокой чувствительностью благодаря использованию кристалла типа DAST с существенно меньшим значением диэлектрической проницаемости, чем у кристаллов известных устройств. Меньшая диэлектрическая проницаемость обеспечивает лучшее проникновение электрического поля в кристалл, увеличивая таким образом зависимость фазовой задержки от внешнего электрического СВЧ-излучения.
Проведенные эксперименты показали, что предложенное устройство позволяет проводить измерение амплитуды и определять временную форму сверхширокополосных электромагнитных импульсов, в том числе генерируемых экспериментальными СВЧ-генераторами полей напряженностью от 10 кВ/м до ~300 кВ/м.
Устройство реализовано на доступных элементах оптоэлектронной техники и показало высокую надежность и удобство в эксплуатации.