МОДУЛЯТОР ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
LASER MODULATION DEVICE

Изобретение относится к оптоэлектронике и приборостроению. Предлагаемое устройство предназначено для модуляции лазерного излучения во времени и в пространстве и может применяться в широком диапазоне длин волн лазерного излучения видимого и инфракрасного диапазона.
Известны акустооптические модуляторы лазерного излучения, принцип работы которых основан на эффекте дифракции Брэгга на акустических волнах, распространяющихся в материале звукопровода [1]. Такие модуляторы могут осуществлять модуляцию мощности лазерного пучка, а также и его пространственную модуляцию, т.е. отклонение дифрагированного лазерного пучка от его начального направления при изменении частоты акустической волны. Акустооптические модуляторы - технически сложные и дорогие устройства.
Известны механические модуляторы, которые производят модуляцию направления лазерного пучка [2]. В одном из устройств модуляция направления пучка оптического осуществляется за счет вращения оптического клина, через который проходит пучок оптического излучения. Известны также механические модуляторы, которые производят модуляцию мощности лазерного излучения во времени в результате периодического механического прерывания лазерного пучка. Наиболее близким из известных является модулятор, содержащий модулирующий блок в виде непрозрачного диска с прорезями, через которые проходит пучок лазерного света [3]. При вращении диска происходит прерывание лазерного пучка. Недостатки прототипа состоят в следующем. При очередном прерывании лазерного пучка происходит его частичное перекрытие, нарушается форма пучка и вследствие этого происходит искажение пространственного спектра модулированного лазерного пучка. Модулятор-прототип не дает возможности изменять глубину модуляции мощности оптического пучка пропорционально приложенному управляющему воздействию. Кроме того, модулятор типа диска с прорезями не производит углового отклонения оптического пучка.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, состоит в расширении функциональных возможностей модулятора лазерного излучения.
Сущность изобретения заключается в том, что в модуляторе лазерного излучения, содержащем лазер и модулирующий блок, модулирующий блок выполнен в виде платформы на оси поворота с закрепленной на платформе подложкой, на поверхности которой сформирована рельефная дифракционная решетка с прямоугольным профилем, глубина рельефа которой превышает четверть длины волны модулируемого лазерного излучения, поверх дифракционной решетки нанесено зеркальное отражающее покрытие, платформа опирается на электромеханический вибратор, установленный на расстоянии  от оси поворота платформы, где Δx - амплитуда смещения электромеханического вибратора, а ΔΘ - амплитуда угловых колебаний платформы с решеткой, между электромеханическим вибратором и осью поворота установлена возвратная пружина, на выходе отраженного пучка лазерного излучения установлен пространственный фильтр в нулевом порядке дифракции.
В предлагаемом устройстве процесс модуляции мощности оптического пучка не сопровождается искажением его формы. Модуляция мощности лазерного пучка происходит при его дифракции на отражающей фазовой дифракционной решетке с прямоугольным профилем вследствие изменения угла наклона отражающей плоскости этой решетки. При этом изменяется мощность дифрагированного пучка нулевого порядка и одновременно изменяется его направление. Глубина модуляции мощности пучка нулевого порядка зависит от амплитуды изменения угла наклона отражающей плоскости и может изменяться от нуля до 100%. Наряду с модуляцией во времени мощности дифрагированного оптического пучка имеет место зависимость мощности оптического пучка нулевого порядка дифракции от направления. В результате этого предлагаемое устройство дополнительно производит пространственную модуляцию лазерного пучка. При этом с помощью начальной настройки угла падения лазерного пучка на модулирующий блок возможен выбор типа кривой зависимости мощности пучка от направления. Возможны следующие варианты: возрастающая кривая или монотонно убывающая кривая, либо кривая, имеющая максимум или минимум мощности в секторе изменения углов отклонения светового пучка.
P
Схема предлагаемого устройства изображена на фиг.1. На фиг.2 приведена зависимость мощности нулевого порядка дифракции от угла падения лазерного пучка, а на фиг.3 показаны измеренная экспериментально и рассчитанная теоретически зависимости мощности нулевого порядка от угла падения лазерного пучка для рельефной решетки с глубиной h=13850 Ǻ. Устройство содержит лазер 1, модулирующий блок, содержащий платформу 2, закрепленную на оси поворота 3 с закрепленной на платформе подложкой 4, на поверхности которой сформирована периодическая рельефная дифракционная решетка 5 с прямоугольным профилем, с периодом Λ во много раз меньшим диаметра лазерного пучка и с глубиной, превышающей четверть длины волны модулируемого лазерного излучения, с зеркально отражающим покрытием 6, нанесенным поверх дифракционной решетки, электромеханический вибратор 7, на который опирается платформа 2, установленный на расстоянии L от оси вращения, амплитуда механических колебаний которого может регулироваться внешним генератором, возвратную пружину 8, прикрепленную к платформе 2 между электромеханическим вибратором 7 и осью поворота 3, пространственный фильтр в виде щелевой диафрагмы 9, выделяющий нулевой дифракционный порядок, при этом лазер закреплен на регулируемом столике 10, с помощью которого производят установку необходимого угла падения Θ лазерного пучка на дифракционную решетку. Пространственный фильтр 9 также закреплен на регулируемом столике 11, с помощью которого производят установку необходимого положения для выделения нулевого дифракционного порядка. Плоскость падения-отражения лазерного пучка ориентирована таким образом, чтобы направления линий штрихов дифракционной решетки были параллельны плоскости падения-отражения. Пространственный фильтр 9 может быть выполнен в виде линзы с диафрагмой малого размера, которая выделяет нулевой порядок дифракции в фокальной плоскости линзы.
Устройство работает следующим образом. Пучок излучения лазера 1 направляется на дифракционную решетку 5 под определенным углом падения Θ. При отражении пучка излучения от дифракционной решетки 5 происходит дифракция с образованием многих дифракционных порядков. Поскольку диаметр лазерного пучка во много раз (типично в 5-10 раз) больше периода дифракционной решетки, в отраженном пучке существует дифракционная картина, в которой дифракционные порядки хорошо разделены в пространстве. С помощью щелевого пространственного фильтра 9 выделяют излучение нулевого порядка дифракции и направляют это излучение на выход устройства. Для пояснения принципа работы устройства воспользуемся расчетной зависимостью мощности отраженного пучка излучения в нулевом дифракционном порядке от угла падения лазерного пучка Θ, которая изображена на фиг.2 и соответствует решетке с глубиной рельефа, равной двум длинам волны лазерного излучения. Мощность падающего излучения равна 1 мВт, а коэффициент отражения пленки - 0,9.
i
4
4
max-min
min
max
min-max
max-min,
Начальный угол падения излучения лазера на дифракционную решетку 5 устанавливают с помощью поворотного столика 10. Для обеспечения монотонно возрастающего или монотонно убывающего закона модуляции выберем начальный угол падения, соответствующий одной из точек T, которые расположены на серединах линейных участков зависимости мощности нулевого порядка от угла падения лазерного пучка Θ, которая изображена на фиг.2. Например, выберем угол падения Θ, соответствующий точке Т. После установки начального угла падения включают электромеханический вибратор 7, связанный с платформой 2. Под действием вибратора 7 и возвратной пружины 8 платформа 2 с закрепленной на ней дифракционной решеткой 5 совершает угловые колебания с амплитудой ΔΘ вокруг оси 3. При этом угол падения лазерного пучка на решетку 5 изменяется на величину ΔΘ, равную величине углового отклонения платформы 2, а отклонение выходного дифрагированного пучка от начального положения составляет 2ΔΘ. В результате углового отклонения решетки 5 на ΔΘ мощность лазерного излучения в нулевом порядке дифракции изменяется в соответствии с графиком зависимости, изображенном на фиг.2. В частности, при размахе колебаний, равном ΔΘ, который соответствует диапазону углов от ΔΘ до Θ, при которых достигаются соответственно минимальное и максимальное значения мощности лазерного излучения в нулевом порядке, на выходе достигается наибольшая глубина модуляции, равная 100%. При этом модуляция мощности пучка сопровождается изменением направления выходного пучка (т.е. пространственной модуляцией) в пределах диапазона углов 2Θ V. При величине размаха колебаний, значительно меньшей чем ΔΘ зависимость мощности лазерного излучения в нулевом порядке от угла отклонения платформы близка к линейной.
max
max-min
В другом варианте, если начальный угол падения лазерного пучка установлен равным величине Θ, то при колебаниях платформы 4 с закрепленной на ней дифракционной решеткой 5 в диапазоне углов, равном ±ΔΘ, имеет место пространственно-временная модуляция, при которой зависимость мощности от угла отклонения светового пучка имеет максимум в центре зоны углового отклонения отраженного пучка.
min
max-min
В третьем варианте, если начальный угол падения лазерного пучка установлен равным величине Θ, то при колебаниях платформы 4 с закрепленной на ней дифракционной решеткой 5 в диапазоне углов, равном ±ΔΘ, имеет место пространственно-временная модуляция, при которой зависимость мощности от угла отклонения светового пучка имеет минимум в центре зоны углового отклонения отраженного пучка.
Если пространственная модуляция нежелательна, то ее можно исключить, применив пространственный фильтр с линзой либо поставив линзу после диафрагмы и установив плоскость наблюдения, которая проходила бы через точку оптической оси отраженного пучка, в которой формируется изображение точки отражающей плоскости.
М
Для более детального пояснения принципа работы устройства приведем ряд соотношений. Мощность излучения в нулевом дифракционном порядке зависит от величины амплитуды фазовой модуляции Ф волнового фронта световой волны, отраженной от рельефной поверхности решетки с глубиной h. Эта зависимость определяется выражением (3).
u
М
Здесь P - мощность падающего излучения лазера, R - коэффициент отражения, Ф - амплитуда пространственной фазовой модуляции светового пучка, равная половине фазового набега между лучом, отраженным от выступа, и лучом, отраженным от впадины рельефа дифракционной решетки.
М
Величина Ф зависит от угла падения лазерного пучка Θ, от глубины рельефа h и от длины световой волны λ следующим образом:
В результате, как следует из формул (2) и (3), зависимость мощности дифрагированного пучка нулевого порядка от угла падения выражается формулой:
max
u
max
u
Эта зависимость мощности от угла падения лазерного пучка имеет осциллирующий характер. Величина мощности излучения в отраженном пучке излучения в нулевом дифракционном порядке изменяется от минимальной (нулевой) величины до максимальной величины, равной P=P·R, при изменении угла наклона дифракционной решетки. Зависимость мощности излучения в нулевом дифракционном порядке от угла падения Θ, рассчитанная по формуле (3), показана на фиг.2. При расчетах принимали, что глубина решетки h=2λ, P=P·R=0,9 мВт.
Рассмотрим пример технической реализации. Рельефная решетка 5 с прямоугольным профилем была изготовлена на подложке из стекла с применением технологии фотолитографии и химического травления подложки через маску из фоторезиста. Период решетки составлял 100 мкм. Глубина рельефа составляла h=13850 Ǻ, что при длине используемого полупроводникового лазера с длиной волны λ=0,65 мкм равнялось h=2,13λ. Измерение глубины проводилось с помощью профилометра DECTAC 150. Затем на поверхность рельефа была напылена пленка алюминия, коэффициент отражения пленки составлял 80%.
Измеренная зависимость мощности отраженного пучка в нулевом порядке дифракции от угла падения лазерного пучка приведена на фиг.3. На этой же фигуре сплошной линией начерчена расчетная нормированная зависимость для данной глубины рельефа, рассчитанная по формуле (3). Совмещение вертикальных масштабов расчетных и экспериментальных кривых проводилось путем нормировки значений экспериментальных данных на величину измеренного выходного сигнала в первом максимуме зависимости выходного сигнала от угла падения.
4
max
u
max-min
4
max-min
4
max-min
Когда изготовленную решетку 5 устанавливали на платформу 2, выставляли начальный угол падения, соответствующий точке Т, и приводили платформу в колебательное движение, наблюдалась модуляция мощности оптического излучения. Наибольшая глубина модуляции, от 0 до P=P·R, наблюдалась при изменении угла в пределах ΔΘ. Для данного экземпляра модулятора и для точки Т размах колебаний составил ΔΘ=8,7°. На практике установку начальной точки Т удобно производить по величине выходной мощности, которая должна быть равна половине максимальной мощности излучения в нулевом порядке, измеренная при отклонении платформы 2 с подложкой 4 в пределах, превышающих ΔΘ.
Источники информации
1. Справочник по лазерам под редакцией Прохорова A.M. // 1978. Т.2, с.191-194.
2. Г.П.Катыс. Оптико-электронная обработка информации. // Москва. Изд-во Машиностроение. 1973, с.296.
3. Г.П.Катыс. Оптико-электронная обработка информации. // Москва. Изд-во Машиностроение. 1973, с.287-291.
4. В.А.Комоцкий. Применение методов пространственно-частотного анализа для решения некоторых задач когерентной оптики. // Москва. Изд-во РУДН. 1994, с.13-36.