ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР ПОЛЯРИЗОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, а именно к элементам поляризационной оптики, предназначенным для преобразования состояния поляризации излучения в оптических системах, и может быть использована в поляризационных измерениях, в частности, в солнечных магнитографах.
В настоящее время остро ощущается необходимость решения проблемы эффективного анализа и управления параметрами поляризации солнечного излучения для измерения магнитных полей как на высоких частотах для уменьшения влияния атмосферного дрожания, так и на очень низких частотах, на которых работают малошумящие приемники излучения. В составе фотоэлектрического анализатора полного состояния поляризации используются модуляторы поляризации излучения, которые вносят переменный фазовый сдвиг для определения всех параметров Стокса и получения полного вектора магнитного поля в солнечных магнитографах [1, 2].
Целью изобретения является увеличение срока службы и улучшение эксплуатационных характеристик модулятора для управления поляризацией излучения в широком диапазоне частот при любой форме управляющих напряжений (синусоидальной или прямоугольной).
В поляриметрических измерениях наиболее распространены электрооптические модуляторы (ЭОМ), основанные на продольном электрооптическом эффекте в твердых кристаллах (эффект Поккельса), несмотря на необходимость приложения высокого напряжения для получения значительной разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами. Обычно кристалл модулятора помещают в кювету, заполненную иммерсионной жидкостью, а внутренние боковые прозрачные стенки кюветы с нанесенным токопроводящим покрытием образуют систему электродов [2, З]. По сути своей ячейка Поккельса является электрическим конденсатором. Емкость такого конденсатора, его собственные токи утечки в значительной степени определяется конструкцией ячейки. Частотный интервал ЭОМ современных магнитографов, как правило, лежит в области 1 кГц. По мере развития сложных многоканальных систем частота модуляции снижалась, и могла составлять от 8 до 0.5 Гц. Ячейка Поккельса на основе электрооптического кристалла ДКДР (дейтерированный дигидрофосфат калия) находит применение для быстрой модуляции поляризации. Управляющее полуволновое напряжение для этих кристаллов 3600 вольт (при длине волны оптического излучения λ 6328 А). Однако применение низкочастотной прямоугольной модуляции приводит к «заваливанию» фронтов сигнала и к уменьшению глубины модуляцию, как следствие проявления эффекта поляризуемости в электрооптическом кристалле, помещенном в кювету [3]. Фактически в этом случае, электрооптический эффект хорошо проявляется при переменном управляющем напряжении на частотах выше 50 герц и существенно меньше или полностью отсутствует при низких частотах (единицы герц) и постоянном напряжении [4].
Для расширения частотного диапазона электрооптических модуляторов прозрачную электропроводящую среду примыкают непосредственно к поверхностям электрооптического кристалла. Известны модуляторы, в которых напряжение подводится к электрооптическому кристаллу с помощью электропроводящей жидкости, помещенной в отдельные прозрачные кюветы или непосредственно примыкающие к кристаллу [5]. Однако такие модуляторы имеют сложную конструкцию для обеспечения жидких электродов и защиты кристаллов от растворения и работоспособны в ограниченном интервале рабочих температур. В электрооптической ячейке с плазменными электродами [6, 7] управляющее напряжение подводится к торцам (рабочим поверхностям) электрооптического кристалла КДР (калия дигидрофосфат) через разреженную газовую плазму, созданную ионизирующим электрическим импульсом. Плазма, прозрачная для входящего излучения, играет роль проводящих электродов плоского конденсатора, внутри которого находится электрооптический кристалл.
Однако для получения плазмы, требуемой для эффективной работы плазменных электродов необходимы вакуумное оборудование, источники питания, плазменный импульсный генератор для тока разряда и др. Вблизи пика тока этого разряда включается генератор, который заряжает КДР кристалл до требуемого напряжения. Фактически это устройство дает крутые фронты пропускаемого излучения, может работать как источник отдельных импульсов, но не может работать как непрерывный модулятор излучения.
Наиболее близким техническим решением является модулятор поляризации [8], в котором прозрачная электропроводящая среда нанесена на поверхности электрооптического кристалла, обладающего продольным электрооптическим эффектом Поккельса. Модулятор включает электрооптический кристалл с прозрачными токопроводящими электродами - покрытиями из смеси оксида индия и оксида олова, нанесенными непосредственно на рабочие поверхности кристалла. Кристалл помещен в защитный корпус в иммерсию между оптическими окнами. Подвод модулирующего напряжения к токопроводящему покрытию на поверхностях кристалла осуществляется локально через высоковольтный вывод.
Однако такое решение имеет недостатки. Несмотря на то, что в оптических модуляторах нагрузка чисто емкостная, величина подводимых токов может достигать значительной величины за счет крутизны фронтов, которую стремятся сделать как можно высокой. Поэтому локальное присоединение высоковольтных вводов к токопроводящему покрытию вызывает разрушение токопроводящего прозрачного покрытия из-за значительной плотности тока в точке контакта. Кроме того при использовании токопроводящих клеев для закрепления вводов с покрытием происходит разрушение водорастворимого кристалла ДКДР от влаги, адсорбированной клеем. Эти факторы значительно снижают эксплуатационные характеристики и срок работоспособности модулятора.
В предлагаемой конструкции высоковольтный ввод осуществляется через контактные кольца по всему периметру токопроводящего покрытия рабочей поверхности электрооптического кристалла вне рабочей зоны. В качестве токопроводящего крепления кольца к покрытию используется диффузионное сцепление с помощью металлического индия, который обладает хорошей адгезией к большинству материалов и высокой пластичностью. Последнее качество важно, так как кристалл вибрирует при подаче переменного напряжения вследствие эффекта электрострикции. Само контактное кольцо со стороны кристалла имеет такое же токопроводящее покрытие, как и электрооптический кристалл.
Схематическое изображение (сборки) электрооптического модулятора в оправе представлено на рисунке 1.
Электрооптический кристалл 1 имеет на двух рабочих поверхностях токопроводящие прозрачные покрытия 2. Управляющий сигнал подключается к модулятору с помощью клемм 10, и далее к токопроводящим прозрачным покрытиям обеих поверхностей электрооптического кристалла напряжение подводится по всему периметру через электропроводящие контактные кольца 3, которые со стороны кристалла имеют такое же токопроводящее покрытие 4. Контактные кольца прикреплены к токопроводящим поверхностям электрооптического кристалла с помощью кольцевой прокладки из индия 5 за счет диффузии индия и в контактные кольца и в кристалл при соединении под давлением. Сборка - электрооптический кристалл с контактными кольцами - помещена в оправу 6. Рабочие поверхности электрооптического кристалла защищены от воздействия внешней атмосферы оптическими окнами 7, расположенными на иммерсии 8 внутри контактных колец, а боковая поверхность электрооптического кристалла и контактные кольца защищены герметикой 9 и оправой 6.
В ходе испытаний доказана длительная работоспособность устройства в режиме постоянного и переменного управляющих сигналов, при этом электрическая прочность конструкции позволяет достигать полуволновых напряжений в видимой области спектра. Модуляторы поляризованного излучения успешно прошли испытания, проработав в течение 2 лет в Саянской и Байкальской солнечных обсерваториях.
Список использованных источников
1. Д.Ю.Колобов, Н.И.Кобанов, В.М.Григорьев // Приборы и техника эксперимента. - 2008. №1, С.136-141.
2. Е.Р.Мустель, В.Н.Парыгин. Методы модуляции и сканирования света М.: Наука, 1970. - 296 с.
3. В.М.Григорьев, Н.И.Кобанов. Phisica Solari-Terrestris. 1980. Vol.14. P.77-80. Potsdam. DDR.
4. В.С.Марков, Г.Н.Домышев, В.И.Скоморовский. Работа электрооптического модулятора магнитографа на низких частотах. II. Нестабильность действующего напряжения в электрооптическом кристалле. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, выпуск 83, с 141-149. М.:, Наука, 1988.
5. М.М.Волынкин, В.А.Малинов, Н.В.Никитин, А.Д.Стариков, А.В.Чарухчев. Электрооптический затвор большой апертуры с жидкими электродами. О.М.П. 1986, №1, с.10-11.
6. M.A.Rhodes, C.D.Boley, A.G.Tarditi, B.s.Bauer, Plasma Electrode Pockels Cell for ICF Lasers, SPIE Proc, vol.2633, 1997, p.94-104
7. Н.Андреев, А.Бабаин, В.Бредихин, В.Ершов. Производство крупногабаритной оптики из водорастворимых кристаллов. Фотоника, 2007, №5, 34-37.
8. Бородин А.Н., Петров А.С., Домышев Г.Н., Скоморовский В.И. «Электрооптический фазовый модулятор», Патент RU 2248601 G02F 1/03