Устройство для модуляции лазерного излучения
LASER MODULATION DEVICE

Изобретение относится к оптоэлектронике и приборостроению. Предлагаемое устройство предназначено для модуляции мощности лазерного излучения во времени и может применяться в широком диапазоне длин волн лазерного излучения видимого и инфракрасного диапазона.
Известны механические модуляторы, которые осуществляют модуляцию мощности лазерного излучения во времени в результате периодического механического прерывания лазерного пучка. Один из известных вариантов модулятора содержит модулирующий блок в виде непрозрачного диска с прорезями, через которые проходит пучок лазерного света (Катыс Г.П. Оптико-электронная обработка информации. // М., изд Машиностроение, 1973, с. 287-291). При вращении диска происходит прерывание лазерного пучка.
Недостатки данного устройства-аналога следующие. При очередном прерывании лазерного пучка происходит его частичное перекрытие, нарушается форма пучка и, вследствие этого, происходит искажение пространственного спектра модулированного лазерного пучка. Еще один недостаток состоит в том, что модулятор-аналог производит модуляцию с глубиной 100% и не позволяет изменять глубину модуляции мощности оптического пучка пропорционально управляющему фактору, например пропорционально управляющему напряжению.
Наиболее близкий аналог предлагаемого устройства (патент №2411620 с приоритетом от 13 августа 2009 г. «Модулятор лазерного излучения», зарегистрирован в Гос. Реестре изобретений РФ 10 февраля 2011 г.) содержит модулирующий блок, который выполнен в виде платформы, которая установлена на оси поворота, на этой платформе закреплена подложка, на поверхности которой сформирована рельефная отражающая дифракционная решетка, имеющая прямоугольный профиль. Дифракционная решетка ориентирована таким образом, что линии профиля решетки перпендикулярны оси поворота платформы. Глубина рельефа решетки превышает четверть длины волны модулируемого лазерного излучения, а поверх решетки нанесено зеркальное отражающее покрытие. Платформа связана с механизмом управления углом поворота - электромеханическим вибратором, который предназначен для поворота платформы относительно оси. Пучок лазерного излучения направлен на дифракционную решетку под углом, таким образом, что плоскость падения-отражения параллельна линиям дифракционной решетки, а на выходе отраженного пучка лазерного излучения установлен щелевой пространственный фильтр, выделяющий нулевой дифракционный порядок.
При изменении угла наклона платформы устройства-прототипа происходит модуляция мощности излучения нулевого дифракционного порядка, но вместе с этим всегда происходит изменение направления излучения выходного оптического пучка. Таким образом, устройство-прототип является не только модулятором мощности, но одновременно и пространственно-временным модулятором лазерного излучения, что в ряде случаев является недостатком устройства. При решении многих практических задач передачи информационных сигналов и сигналов управления необходимо иметь только модуляцию мощности лазерного пучка без сопутствующего изменения направления лазерного пучка, так как при изменении направления пучка излучение может пройти мимо апертуры приемника лазерного излучения. Таким образом, недостаток устройства-прототипа состоит в том, что вследствие пространственной модуляции снижается точность позиционирования выходного лазерного пучка в пространстве.
Техническим результатом изобретения является повышение точности позиционирования выходного оптического пучка в пространстве при модуляции мощности выходного пучка за счет устранения изменений направления пучка излучения на выходе модулятора.
Технический результат достигается тем, что устройство для модуляции лазерного излучения, содержащее подложку, на поверхности которой сформирована рельефная дифракционная решетка с прямоугольным профилем, глубина рельефа которой превышает четверть длины волны модулируемого лазерного излучения, закрепленную на платформе с осью поворота, которая перпендикулярна линиям профиля дифракционной решетки, механизм управления углом поворота платформы, оптический пространственный фильтр, установленный в нулевом порядке дифракции лазерного пучка после его отражения от дифракционной решетки, дополнительно содержит закрепленное на платформе зеркало, плоскость которого перпендикулярна линиям профиля решетки и образует с плоскостью отражающей дифракционной решетки уголковый отражатель для лазерного пучка, а пространственный фильтр, выделяющий нулевой порядок в дифракционной картине, установлен на выходе пучка излучения после последовательного отражения лазерного пучка от дифракционной решетки и затем от зеркала, при этом глубина рельефа решетки h равна одному из значений, рассчитанных по формуле: , где λ - длина волны лазерного излучения, k - целое положительное число.
max
in
max
ЭФФ
in
РЕШ
З
РЕШ
З
В предлагаемом устройстве направление выходного оптического пучка после его отражения от дифракционной решетки и затем от зеркала противоположно направлению пучка, падающего на отражательную дифракционную решетку, и не изменяется при повороте платформы. При этом в результате углового отклонения платформы при ее повороте вокруг оси, расположенной перпендикулярно линиям профиля решетки, мощность излучения на выходе схемы в нулевом порядке дифракции, выделенном с помощью пространственного фильтра, изменяется в диапазоне от нулевой величины до максимальной величины P, близкой к мощности излучения лазера P на входе устройства: P=P=P⋅R⋅R, где R - коэффициент отражения от поверхности решетки, a R - коэффициент отражения от поверхности зеркала.
Схема предлагаемого устройства изображена на фиг. 1, где 1 лазер, установленный на столике с механическими регулировками его положения и направления излучения, регулируемое поворотное зеркало 2, которое служит для коррекции направления оптического пучка на отражающую решетку, модулирующий блок, содержащий поворотную платформу 4 на оси поворота 5 с закрепленной на поворотной платформе подложкой, на поверхности которой сформирована периодическая рельефная отражательная дифракционная решетка 3 с прямоугольным профилем, сечение которого изображено на фиг. 2, с глубиной рельефа h, с периодом решетки Λ, во много раз меньшим диаметра лазерного пучка d, при этом глубина рельефа равна одному из следующих значений:
где λ - длина волны лазерного излучения, k - целое положительное число. Дополнительно в оптическую схему устройства введено закрепленное на поворотной платформе 4 зеркало 7, установленное на пути пучка, отраженного от дифракционной решетки 3, расположенное так, что его плоскость перпендикулярна плоскости отражательной дифракционной решетки, а на пути пучка, отраженного от зеркала 7, установлен пространственный фильтр 8, который снабжен регулировкой его положения в пространстве так, чтобы он выделял из дифракционной картины только один - нулевой дифракционный порядок, при этом плоскость падения-отражения лазерного пучка ориентирована с помощью направляющего зеркала 2 таким образом, чтобы плоскость падения-отражения лазерного пучка была параллельна направлению линий профиля отражающей дифракционной решетки. Устройство снабжено механизмом перемещения 6, связанным с платформой 4, с помощью которого осуществляется изменение углового положения модулирующего блока относительно оси поворота 5.
Устройство работает следующим образом. Пучок излучения от лазера 1 направляется с помощью регулируемого зеркала 2 на отражающую рельефную дифракционную решетку 3 под углом падения 45° таким образом, чтобы плоскость падения-отражения пучка была параллельна линиям профиля рельефной дифракционной решетки. Поперечный размер оптического пучка d во много раз (типично в 5-10 раз) больше периода дифракционной решетки, поэтому при дальнейшем распространении оптического пучка дифракционные порядки хорошо разделяются по углам в пространстве. После отражения от рельефной дифракционной решетки оптический пучок отражается вторично от зеркала 7 и направляется на пространственный фильтр 8, который выделяет из дифракционной картины только нулевой порядок дифракции. Модуляция (изменение) мощности выделенного оптического пучка нулевого порядка дифракции осуществляется в результате поворота платформы относительно оси 5 под действием механизма перемещений 6 в соответствии с зависимостью мощности нулевого порядка от угла падения лазерного пучка на отражающую решетку. Зависимость мощности нулевого порядка дифракции от угла падения Θ выражается формулой (В.А. Комоцкий, Ю.М. Соколов, А.Н. Алексеев, Е.В. Басистый. Исследование оптоэлектронного датчика угловых смещений на основе глубокой отражающей фазовой дифракционной решетки // Вестник РУДН. Серия Математика. Информатика. Физика. - 2009 - №4 - с. 95-101):
ЭФФ
in
РЕШ
З
Здесь: P=P⋅R⋅R.
0
Из выражения (2) находим те значения параметра относительной глубины отражательной решетки: , которые соответствуют середине линейных участков зависимости P(Θ), которые соответствуют углу падения Θ=45°. Эти значения  можно рассчитать по формуле:
Расчетные значения параметра γ приведены в таблице 1.
MIN
MAX
0
0
MAX
ЭФФ
MIN-MAX
0
0
MAX
ЭФФ
MIN-МАХ
MIN
MIN
На Фиг. 3 приведены зависимости изменения мощности нулевого порядка дифракции от угла падения лазерного пучка на решетку для нескольких вариантов отражательных дифракционных решеток, имеющих различные глубины рельефа: h=1,23λ h=1,93λ и h=2,99λ. Для этих значений глубин рельефа середина одного из линейных участков зависимости мощности нулевого порядка дифракции от угла падения оптического пучка на отражательную дифракционную решетку соответствует углу падения лазерного пучка на решетку 45°. При изменении угла падения от Θ до Θ мощность излучения в нулевом порядке дифракции изменяется от P≈0 до P=P=P. Диапазон углов ΔΘ, в котором мощность нулевого порядка изменяется от P≈0 до P=P=P, различен для разных значений глубины рельефа, т.е. для разных рабочих точек. Расчетные значения ΔΘ приведены в таблице 1. Как видно из таблицы 1, при уменьшении параметра  этот диапазон углов увеличивается. Если ограничить диапазон углов величиной порядка 10°, то следует применять рельефные решетки с глубиной порядка 2-3 длин волн лазерного излучения. Так, например, если глубина рельефа составляет h=2,99λ≈3⋅λ, то при изменении угла падения в диапазоне от Θ=41,4° до Θ=48,1° мощность излучения в нулевом порядке изменяется от нулевой до максимальной величины, которая при высоких коэффициентах отражения решетки 3 и зеркала 7 может быть близкой к мощности излучения лазера на входе оптической схемы. Поскольку плоскость отражающей дифракционной решетки 3 и плоскость зеркала 7 образуют угол 90°, т.е. фактически образуют уголковый отражатель, то при повороте модулирующего блока относительно оси 5 направление выходного оптического пучка нулевого порядка не изменяется. Существует лишь небольшое смещение координаты выходного пучка вследствие наклона модулирующего блока, однако при правильном выборе параметров уголкового отражателя и рабочей точки это смещение не превышает 20-30 процентов от диаметра пучка. В итоге при повороте модулирующего блока относительно оси 5 под действием механизма перемещения достигается технический результат - увеличение точности позиционирования выходного пучка излучения при изменении его мощности.
Рассмотрим пример технической реализации устройства.
0-1
Поставим задачу модуляции излучения лазера с длиной волны λ=10.6 мкм. Для изготовления отражательной решетки выберем подложку из меди, поверхность которой отполирована. На поверхности медной подложки изготовим рельефную решетку в виде канавок с периодом 400 микрометров. Ширина канавок составляет половину периода, т.е. 200 микрометров. При диаметре лазерного пучка d=6 мм период решетки меньше диаметра пучка в 15 раз, что вполне достаточно для хорошего разделения дифракционных порядков. Угол Θ, под которым дифрагирует первый порядок по отношению к нулевому порядку, составит: .
MIN-MAX
MIN-MAX
MIN
MAX
0
0
MAX
ЭФФ
MIN-MAX
MIN-MAX
Для хорошего разделения дифракционных порядков расстояние от дифракционной решетки до диафрагмы должно существенно превышать величину . Тогда, расположив диафрагму на расстоянии 500 мм - 700 мм от модулирующего блока, мы получим хорошее выделение нулевого порядка дифракции. Как отмечалось выше, глубина рельефа может быть различной. Рассмотрим вариант выбора глубины рельефа, соответствующий числу k=5, при этом , а глубина канавок составит 20,5 микрометров. В этом случае диапазон угловых отклонений ΔΘ, в пределах которого мощность изменяется от минимальной до максимальной величины, составит: ΔΘ 10,6° (от Θ=49,6° до Θ=39°). Таким образом, изменяя наклон модулирующего блока на 10,6°, мы получим изменение мощности в самых широких пределах от P≈0 до P=P=P. Направление выходного пучка при наклоне модулирующего блока не изменяется. Рабочий участок зависимости P(Θ) в данном случае имеет отрицательный наклон. Если установить определенный начальный угол наклона модулирующего блока, при котором угол падения входного пучка лазера на решетку составит Θ=45°, и при этом совершать малые угловые движения модулирующего блока в диапазоне углов, существенно меньшем, чем диапазон ΔΘ, то мы получим изменение мощности выходного пучка, пропорциональное угловому смещению модулирующего блока. В результате в этом режиме работы мы получаем линейную зависимость изменения мощности излучения на выходе схемы в соответствии с законом углового смещения модулирующего блока. При этом направление выходного пучка не изменяется. Имеет место лишь незначительное смещение позиции выходного пучка, которое существенно меньше, чем диаметр лазерного пучка. Оценим возможное смещение пучка на выходе при максимальном диапазоне угловых отклонений модулирующего блока 10,6°, т.е. 0,18 радиан. При условии, что расстояние между центрами падающего на решетку пучка и отраженного от зеркала пучка на уголковом отражателе составляет 10 мм, смещение выходного пучка составит: Δ=0,18*10 мм=1,8 мм. При диаметре пучка d=6 мм смещение составит менее 30% диаметра пучка. С увеличением глубины рельефа диапазон углов ΔΘ уменьшается и, соответственно, диапазон отклонений Δ уменьшается.