АКУСТООПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВУХЦВЕТНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Акустооптическое устройство для управления двухцветным излучением
Полезная модель относится к акустооптическому устройству, предназначенному для управления двухцветным излучением, и может быть использовано в лазерной доплеровской анемометрии, двухлучевой интерферометрии, лазерных гироскопах и т.д.
Известно акустооптическое устройство для управления двухцветным излучением [1], содержащее одноосный гиротропный кристалл с двумя взаимно параллельными оптическими поверхностями, первая из которых расположена со стороны входа оптического излучения, пьезопреобразователь, расположенный на поверхности кристалла, параллельной его оптической оси. Для вращения плоскости поляризации двухцветного оптического излучения к пьезопреобразователю подводятся два высокочастотных электрических сигнала, один из которых управляет низкочастотной составляющей двухцветного излучения, а другой - высокочастотной составляющей. С изменением частоты каждого из сигналов изменяются углы отклонения составляющих двухцветного излучения, что приводит к изменению оптического пути, проходящего излучением в кристалле. На выходе кристалла поляризация составляющих двухцветного излучения оказывается повернутой на некоторый угол, зависящий от пути, пройденного излучением в кристалле. Недостатками этого устройства являются: статический угол поворота, который определяется величиной частоты акустической волны и меняется только при изменении частоты; необходимость использования кристалла, в котором составляющие излучения дифрагируют с одинаковой эффективностью; низкая скорость изменения плоскости поляризации, определяемая временем прохождения акустической волны через апертуру светового излучения; ограниченный диапазон вращения плоскости поляризации, определяемый узкой полосой частот брэгговской дифракции. Подвод к одному устройству двух электрических сигналов означает подвод двойной акустической мощности. Это приводит к перегреву устройства в целом. Кроме того, использование двух и более электрических сигналов приводит к появлению на выходе устройства дополнительных оптических лучей в результате дифракции на комбинированных частотах (частотной интермодуляции) [2]), что приводит в конечном итоге к потерям оптического излучения.
Наиболее близким к предлагаемой конструкции является устройство [3], содержащее одноосный гиротропный кристалл с двумя взаимно параллельными оптическими поверхностями, первая из которых расположена со стороны входа оптического излучения, пьезопреобразователь, расположенный на поверхности кристалла, параллельной его оптической оси и ортогональной его входной и выходной оптическим поверхностям, входная оптическая поверхность кристалла расположена под углом α к его оптической оси, выбранным из условия
0
e
где λ - длина волны коротковолновой составляющей двухцветного излучения, n и n - главные показатели преломления света в кристалле для указанной длины волны λ, L - размер пьезопреобразователя в направлении оптической оси кристалла.
Недостатком этого устройства является неспособность его работы с циркулярно-поляризованным излучением, что ограничивает его функциональные возможности, в частности, не позволяет использовать его в составе ротатора плоскости поляризации двухцветного излучения.
Техническая задача, решаемая в предложенной конструкции, состоит в расширении функциональных возможностей. В частности, в отличие от прототипа, предложенное устройство обеспечивает работу с циркулярно-поляризованным излучением и может использоваться в качестве основного узла ротатора плоскости поляризации двухцветного излучения.
Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве, содержащем одноосный гиротропный кристалл с двумя взаимно параллельными оптическими поверхностями, первая из которых расположена со стороны входа оптического излучения, пьезопреобразователь, расположенный на поверхности кристалла, параллельной его оптической оси, в отличие от прототипа, первая оптическая поверхность кристалла составляет с его оптической осью угол α, выбираемый из условия
0
e
33
где n и n - главные показатели преломления света в кристалле длинноволновой составляющей двухцветного излучения, ρ - эллиптичность этой же составляющей, G - компонента псевдотензора гирации кристалла [4].
При использовании устройства в составе ротатора плоскости поляризации оно дополнительно может содержать линзу и вогнутое зеркало, последовательно расположенные со стороны второй оптической поверхности кристалла, и призму, расположенную со стороны его первой оптической поверхности на пути отраженного от зеркала и продифрагировавшего в кристалле излучения.
В другом варианте устройство может содержать призму и первое плоское зеркало, последовательно расположенные со стороны второй оптической поверхности кристалла на пути продифрагировавшего в кристалле излучения, второе плоское зеркало, расположенное со стороны второй оптической поверхности кристалла на пути прошедшего через кристалл излучения, и призму, расположенную со стороны его первой оптической поверхности на пути отраженного от первого зеркала и продифрагировавшего в кристалле излучения.
В варианте с минимальными оптическими потерями и минимальным искажением оптических излучений оно дополнительно может содержать плоское зеркало, расположенное со стороны второй оптической поверхности кристалла на пути прошедшего через кристалл излучения, и две двугранные призмы, одна грань которых покрыта многослойной селективной пленкой, а другая - отражающей пленкой, при этом одна призма расположена со стороны второй оптической поверхности кристалла на пути продифрагировавшего в кристалле излучения, а другая - со стороны его первой оптической поверхности на пути отраженного от зеркала и продифрагировавшего в кристалле излучения.
В варианте с пространственным разделением излучений, падающих со стороны оптических поверхностей 2 и 3, оно дополнительно может содержать уголковый отражатель, расположенный со стороны второй оптической поверхности кристалла на пути прошедшего через него излучения, трехгранную призму и зеркало, последовательно расположенные со стороны второй оптической поверхности кристалла на пути продифрагировавшего в кристалле излучения, причем одна грань призмы прозрачна, вторая покрыта отражающей пленкой, и третья покрыта многослойной селективной пленкой и ориентирована параллельно зеркалу, при этом со стороны первой оптической поверхности кристалла на пути излучения, отраженного от трехгранной призмы и зеркала, расположена двугранная призма, одна грань которой покрыта селективной многослойной пленкой, а другая - отражающей пленкой.
Предложенное техническое решение поясняется рисунками, где на фиг.1 приведена оптическая схема предлагаемого устройства, на фиг.2, 3, 4 и 5 приведены оптические схемы динамического ротатора плоскости поляризации двухцветного излучения с использованием предлагаемого устройства.
Предлагаемое устройство содержит одноосный гиротропный кристалл 1 (фиг.1) с входной 2 и выходной 3 взаимно параллельными оптическими поверхностями и поверхностью 4, на которой расположен пьезопреобразователь 5. Поверхность 4 параллельна оптической оси 6 кристалла. Поверхность 2 наклонена к оптической оси 6 под углом α, удовлетворяющим соотношению (2).
2
Акустооптическое устройство может быть изготовлено из одноосного положительного гиротропного кристалла ТеО. Входной оптической поверхностью 2 выбирается поверхность, ортогональная поверхности  и наклоненная к оптической оси 6, представляющей в кристалле направление [001], под углом α, выбираемым согласно соотношению (2). Выходная оптическая поверхность 3 параллельна входной поверхности 2. Поверхностью 4 кристалла, на которой располагается пьезопреобразователь 5, выбирается поверхность {110}.
При использовании устройства в составе ротатора плоскости поляризации (фиг.2) оно дополнительно содержит линзу 7 и вогнутое зеркало 8, последовательно расположенные со стороны второй оптической поверхности 3 кристалла, и призму 9, расположенную со стороны его первой оптической поверхности 2 на пути отраженного от зеркала 8 и продифрагировавшего в кристалле 1 излучения.
При использовании устройства в составе ротатора плоскости поляризации, вносящего минимальные искажения в излучение (фиг.3), оно дополнительно содержит призму 10 и первое плоское зеркало 11, последовательно расположенные со стороны второй оптической поверхности 3 кристалла на пути продифрагировавшего в кристалле излучения, второе плоское зеркало 12, расположенное со стороны второй оптической поверхности 3 кристалла на пути прошедшего через кристалл излучения, и призму 13, расположенную со стороны его первой оптической поверхности 2 на пути отраженного от первого зеркала 11 и продифрагировавшего в кристалле излучения.
1
2
При использовании устройства в составе ротатора плоскости поляризации, вносящего как минимальные оптические потери, так и минимальные искажения в излучение (фиг.4), оно дополнительно содержит плоское зеркало 14, расположенное со стороны второй оптической поверхности 3 кристалла на пути прошедшего через кристалл излучения, и две двугранные призмы 15 и 16, одна грань которых покрыта селективной многослойной пленкой, пропускающей излучение с длиной волны λ и отражающей излучение с длиной волны λ, а другая грань покрыта отражающей пленкой. Призма 15 расположена со стороны второй оптической поверхности 3 кристалла 1 на пути продифрагировавшего в кристалле 1 излучения, а призма 16 - со стороны его первой оптической поверхности 2 на пути отраженного от зеркала 14 и продифрагировавшего в кристалле 1 излучения.
1
2
При использовании устройства в составе ротатора плоскости поляризации с пространственным разделением излучений (фиг.5), падающих со стороны оптических поверхностей 2 и 3, оно дополнительно содержит трехгранную призму 17 и зеркало 18, последовательно расположенные со стороны второй оптической поверхности 3 кристалла на пути продифрагировавшего в кристалле излучения, уголковый отражатель 19, расположенный со стороны второй оптической поверхности 3 кристалла 1 на пути прошедшего через кристалл излучения, и двугранную призму 20, расположенную со стороны первой оптической поверхности 2 кристалла 1 на пути продифрагировавшего в кристалле 1 излучения. В призме 17 одна грань, обращенная к поверхности 3 кристалла 1, выполнена прозрачной для двухцветного излучения, другая грань покрыта отражающей, например, металлической пленкой, а третья грань, обращенная к зеркалу 18 и параллельная ему, покрыта многослойной селективной пленкой, пропускающей излучение с длиной волны λ и отражающей излучение с длиной волны λ. Двугранная призма 20 выполнена аналогично призме 16 (фиг.4).
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Устройство работает следующим образом. Двухцветное оптическое излучение 21 (фиг.1) с длинами волн λ и λ направляется на кристалл 1 ортогонально его входной оптической поверхности 2. Внутри кристалла двухцветное излучение представляется в виде четырех излучений 22, 23, 24, 25, из которых 22, 23 являются излучениями с длиной волны λ, а 24, 25 - с длиной волны λ, причем поляризации излучений 22 и 24 - право-циркулярные, а поляризации излучений 23 и 25 - лево-циркулярные. На пьезопреобразователь 5 подается высокочастотный электрический сигнал с частотой, обеспечивающей брэгговскую дифракцию излучений 23 и 25 с лево-циркулярными поляризациями на акустической волне 26, генерируемой пьезопреобразователем 5. В результате анизотропной брэгговской дифракции на выходе устройства образуются два продифрагировавших излучения 27 и 28 с длинами волн λ и λ, соответственно, поляризации которых являются право-циркулярными, и прошедшие излучения 22, 24 с теми же длинами волн λ, λ, поляризации которых так же право-циркулярные. Кроме того, частоты продифрагировавших излучений 27 и 28 становятся равными (ω-Ω) и (ω-Ω) в результате изменения частоты при отражении от бегущей волны, где ω, ω - частоты излучений с длинами волн λ, λ, соответственно, Ω - частота звука. Частоты прошедших излучений 22, 24 остаются неизменными, равными ω и ω.
1
2
2
2
0
e
33
2
-5
5
Пусть в качестве примера двухцветным излучением является излучение с длинами волн λ=0.488 мкм (синяя линия) и λ=0.514 мкм (зеленая линия), генерируемые Аr лазером. Эллиптичность длинноволновой составляющей двухцветного излучения выберем равной ρ=0.8. При этом, согласно расчетам, эллиптичность коротковолновой составляющей будет заведомо больше 0.8, т.е. ближе к состоянию циркулярной поляризации (ρ=1). Другими словами для работы устройства вполне достаточно задавать эллиптичность только длинноволновой составляющей двухцветного излучения. Показатели преломления длинноволновой составляющей λ в ТеО равны [5] n=2,3115, n=2,4735, компонента псевдотензора гирации G=3.69*10 [4, 6], откуда угол α должен выбираться в пределах 90°≥α≥88.5°. Возьмем α=88.7°. Направим двухцветное излучение ортогонально входной оптической поверхности 2. Пьезопреобразователь 5 генерирует поперечную акустическую волну, скорость которой в ТеО равна 0.617*10 см/с. На частоте звука f=88.9 МГц составляющие двухцветного излучения с лево-циркулярной поляризацией будут претерпевать брэгговскую дифракцию, а с право-циркулярной поляризацией - нет, при этом поляризации дифрагировавших и прошедших лучей будут одинаковыми, имеющими правоциркулярную поляризацию.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Устройство в составе ротатора плоскости поляризации двухцветного оптического излучения (фиг.2) работает следующим образом. Двухцветное линейно поляризованное излучение 21 направлено ортогонально входной оптической поверхности 2 кристалла. Внутри кристалла двухцветное излучение представляется в виде четырех излучений 22, 23, 24, 25, из которых излучения 22, 23 являются излучениями с длиной волны λ, а излучения 24, 25 - с длиной волны λ, причем поляризации излучений 22 и 24 - право-циркулярные, а поляризации излучений 23 и 25 - лево-циркулярные. На пьезопреобразователь 5 подается высокочастотный электрический сигнал с частотой, обеспечивающей брэгговскую дифракцию излучений 23 и 25 с лево-циркулярными поляризациями на акустической волне 26, генерируемой пьезопреобразователем 5. В результате анизотропной брэгговской дифракции на выходе устройства образуются два продифрагировавших излучения 27 и 28 с длинами волн λ и λ, соответственно, поляризации которых являются право-циркулярными, и прошедшие излучения 22, 24 с теми же длинами волн λ, λ, поляризации которых так же право-циркулярные. При этом частоты излучений 27 и 28 стали равными (ω-Ω) и (ω-Ω). Излучения 27, 28, 22 и 24 проходят через линзу 7, фокусируются на вогнутое зеркало 8 и отражаются от него в строго противоположном направлении. Эти излучения, имеющие право-циркулярные поляризации, при отражении от зеркала 8 приобретают лево-циркулярную поляризацию. Излучения 27, 28 после отражения от зеркала 8 и прохождении линзы 7 пересекают кристалл 1 без дифракции в направлении лучей 29, 30, соответственно. Излучения же 22, 24 после отражения от зеркала 8 и прохождении линзы 7 распространяются в кристалле 1 в виде излучений 31, 32, которые претерпевают брэгговскую дифракцию на звуковой волне 26. После дифракции они распространяются в направлениях излучений 33, 34, соответственно, их поляризации стали право-циркулярными. Кроме того, их частоты стали равными (ω+Ω) и (ω+Ω) в результате изменения частоты при отражении от бегущей звуковой волны. Излучения 29 и 33 с длиной волны λ распространяются параллельно друг другу, аналогично распространяются и излучения 30, 34 с длиной волны λ. Излучения 29, 33, 30 и 34, направляются на призму 9, после которой они распространяются параллельно друг другу. При этом пара излучений 29, 33 формирует излучение с длиной волны λ, поляризация которого вращается с частотой 2Ω, а пара излучений 30, 34 - излучение с длиной волны λ, поляризация которого вращается с той же частотой 2Ω. На основе явления «биения» [7] между излучениями, суммарное излучение представляется в виде двух плоских волн с длинами волн λ и λ, поляризации которых вращаются вокруг направления распространения излучений с частотой 2Ω. В описываемом устройстве частота звука равна 88.9 МГц, т.е. частота вращения плоскости поляризации каждого из излучений составит 177.8 МГц.
Устройство, представленное на фиг.3, работает следующим образом. Двухцветное оптическое излучение 21 направлено ортогонально к оптической поверхности 2 кристалла. Все процессы, происходящие внутри кристалла, аналогичны описанным выше. Принципиальным отличием этого устройства от устройства, представленного на фиг.2, является то, что вместо линзы 7 и вогнутого зеркала 8 оно содержит призму 10 и плоские зеркала 11 и 12. Эти элементы не меняют угловую расходимость оптических излучений, как это происходит при использовании линз и вогнутых зеркал, и, следовательно, вносят минимальные искажения в оптические излучения. Здесь продифрагировавшие излучения 27 и 28 направляются на призму 10, после которой они распространяются параллельно друг другу. Отразившись от зеркала 11 в строго противоположном направлении, они пересекают кристалл 1 без дифракции. Отраженные от плоского зеркала 12 излучения 22, 24 дифрагируют на акустической волне 26. Остальной процесс формирования двухцветного излучения с вращающейся поляризацией аналогичен описанному выше.
1
2
Устройство, представленное на фиг.4, работает следующим образом. Двухцветное оптическое излучение 21 направлено ортогонально к оптической поверхности 2 кристалла 1. Все процессы, происходящие внутри кристалла, аналогичны описанным выше. Это устройство отличается от устройства, представленного на фиг.3, тем, что вместо призм 10, 13 и зеркала 11 оно содержит две двугранные призмы 15 и 16, одна грань которых отражает излучение с длиной волны λ, а другая - λ. Таким образом, в сравнении с устройством, приведенным на фиг.3, оно содержит минимальное число дополнительных оптических элементов, необходимых для работы ротатора, и, следовательно, вносит как минимальные оптические потери, так и минимальные искажения. В остальном работа устройства аналогична описанным выше.
Устройство, представленное на фиг.5, работает следующим образом. Двухцветное оптическое излучение 21 направлено ортогонально к оптической поверхности 2 кристалла. Все процессы, происходящие внутри кристалла, аналогичны описанным выше. Вышедшее из кристалла 1 излучение 28 отражается от граней призмы 17 и проходит через кристалл 1 в направлении излучения 30, параллельного излучению 28, но не совпадающего с ним пространственно. Излучение 27 отражается от грани призмы 17 и зеркала 18, проходит через кристалл 1 в направлении излучения 29, параллельного излучению 27 таким образом, что оно пересекается с излучением 30 внутри кристалла 1. Излучения 22, 24, отразившись от уголкового отражателя 19, распространяются в кристалле 1 в виде излучений 31, 32, которые пересекаются внутри кристалла 1 с излучениями 29 и 30. Таким образом, излучения 22, 24, 27 и 28, пересекающие кристалл 1 со стороны поверхности 2, не пересекаются с теми же излучениями, входящими в кристалл 1 со стороны поверхности 3. Эти излучения группируются в разных точках кристалла, что позволяет управлять оптическим излучением большой мощности без опасения перегрева кристалла.
В остальном работа устройства аналогична описанным выше.
Как видно из этих примеров, предложенное устройство имеет более широкие функциональные возможности в сравнении с прототипом. Оно позволяет эффективно управлять двухцветным излучением с циркулярными поляризациями. Его использование в сочетании с пассивными оптическими элементами позволяет создавать новый класс оптических приборов - динамических ротаторов плоскости поляризации двухцветного излучения, управляемых одной акустической волной. Частота вращения плоскости поляризации может значительно превышать предельную частоту звука в кристалле, ограниченного главным образом поглощением звуковой волны: в предлагаемом устройстве частота вращения равна удвоенной частоте звука. Предложено несколько вариантов ротаторов поляризации двухцветного излучения, каждый из которых обладает своими особенностями и достоинствами.
Источники информации
1. Патент США №4558926, кл. 350/373, 1985.
2. Hecht D.L. Multifrequency Acoustooptic Diffraction.//IEEE, 1977. V. SU-24, No 1. P.7-18.
3. Заявка на полезную модель №2009126223/22, Кл. G02F 1/33, дата подачи 08.07.2009 г., решение о выдаче 10.08.2009 г.
4. Сиротин Ю.И., Шаскольская М.П. Основы кристаллофизики. - М.: Наука, 1979. 640 с.
5. Акустические кристаллы/ Под ред. Шаскольской М.П. - Москва: Наука, 1982.
6. Кизель В.А., Бурков В.И. Гиротропия кристаллов. - М.: Наука, 1980. 304 с.
7. Най Дж. Физические свойства кристаллов. - М.: Мир, 1967. 385 с.