Устройство для периодической модуляции лазерного излучения

Полезная модель относится к оптоэлектронике и приборостроению. Предлагаемое устройство предназначено для периодической модуляции мощности лазерного излучения во времени.
Известны модуляторы лазерного излучения с механическим приводом, которые построены с применением рельефных отражательных дифракционных решеток, глубина рельефа которых равна нескольким длинам волн оптического излучения. Эти устройства описаны в следующих патентах (патент РФ № 2411620 «Модулятор лазерного излучения», патент РФ № 2477914 «Модулятор лазерного излучения»). В этих устройствах пучок лазерного излучения направляют на отражательную дифракционную решетку, а после отражения от нее, в дифракционной картине выделяют нулевой порядок дифракции. На выходе, в нулевом дифракционном порядке получают модуляцию мощности нулевого порядка дифракции в результате поворота дифракционной решетки, или в результате механического изменения глубины рельефа.
В устройстве по патенту № 2411620 модуляция мощности излучения происходит в результате угловых колебаний дифракционной отражающей решетки, при которых изменяется угол падения - отражения лазерного пучка. Модулятор этого типа позволяет получать модуляцию мощности лазерного излучения, однако ввиду инерционности колебательной системы, включающей дифракционную решетку, диапазон частот модуляции на практике невелик, он ограничен величиной порядка нескольких десятков или сотен герц. Дифракционная решетка в сочетании с возвратной пружиной образуют колебательную систему, резонансная частота которой может составлять порядка десятков герц. При частотах, значительно превышающих резонансную частоту, амплитуда вынужденных колебаний резко снижается и эффективность модулятора падает.
В модуляторе лазерного излучения, который также построен с применением глубокой отражательной дифракционной решетки (патент № 2477914), также имеется электромеханический привод, который приводит в возвратно - поступательное движение определенную часть составной дифракционной решетки. При этом, как и в предыдущей конструкции, частота колебаний ограничивается инерционностью подвижной части устройства. Частотный диапазон ограничивается десятками герц.
Наиболее близким аналогом является механический модулятор, который осуществляет модуляцию мощности лазерного излучения во времени в результате периодического механического прерывания лазерного пучка (Катыс Г.П. Оптико-электронная обработка информации./М., изд Машиностроение, 1973, с. 287-291). Модулятор содержит модулирующий блок в виде непрозрачного вращающегося диска с прозрачными прорезями, расположенными вдоль окружности по периферии диска, сквозь которые проходит пучок лазерного излучения. При вращении диска происходит периодическая модуляция мощности лазерного пучка, проходящего сквозь прорези в диске, в результате периодического прерывания лазерного пучка непрозрачными участками диска.
О
О
0
Недостаток данного устройства-прототипа состоит в том, что частота модуляции невелика, порядка единиц килогерц, она ограничивается числом оборотов диска в секунду (n) и количеством прорезей (N), расположенных на окружности радиусом R по периферии диска. Так, например, если радиус окружности R, на которой расположены прорези, равен R=50 мм, и при этом ширина прорези составляет d=3,14 мм, а промежуток между прорезями равен ширине прорези, получаем, что число прорезей в расчете на один оборот диска равно N=50. Если диск вращается с частотой n=100 оборотов в секунду (6000 оборотов в минуту), то частота периодической модуляции лазерного пучка составит F=n⋅N=5000 Гц.
Техническим результатом полезной модели является повышение частоты периодической модуляции мощности пучка.
g
P
Технический результат достигается тем, что устройство для периодической модуляции лазерного излучения, содержащее модулирующий блок, состоящий из двух дисков, один из которых представляет собой неподвижный прозрачный диск, на поверхности которого нанесена периодическая фазовая дифракционная решетка, образованная рельефом, который имеет прямоугольный профиль с формой типа меандр и радиально направленными линиями рельефа, при этом решетка расположена вдоль окружности на расстоянии R от оси диска, и второй диск, имеющий дифракционную решетку, идентичную неподвижному диску, выполненный с возможностью вращения и установленный соосно с неподвижным диском, при этом диски расположены в параллельных плоскостях, на расстоянии между дифракционными решетками, удовлетворяющему условию: , где величина Λ - период дифракционной решетки, а величина λ - длина волны излучения лазера, а на выходе устройства, после дисков размещен пространственный фильтр.
Модуляция лазерного излучения происходит в результате последовательной двукратной дифракции лазерного пучка вначале на неподвижной фазовой дифракционной решетке, расположенной на поверхности прозрачного стационарного диска, а затем на фазовой дифракционной решетке, расположенной на поверхности прозрачного вращающегося диска.
Дифракционные решетки могут быть образованы рельефными структурами на поверхностях прозрачных дисков. Оптимальной является ситуация, при которой функции пространственной модуляции фазы обеих фазовых дифракционных решеток идеально прямоугольные, и при этом имеют форму типа «меандр», т.е. форму, при которой ширина выступа рельефа дифракционной решетки равна ширине впадины рельефа и равна половине периода решетки. В этом случае, как показывает теоретический анализ, проведенный в работе: (Комоцкий В.А., Соколов Ю.М. «Анализ интенсивностей дифракционных порядков в оптической схеме, содержащей две фазовые дифракционные решетки, Журнал Вестник РУДН. Сер. Физика. 2006 г., №1, с. 90-95.), форма модуляции мощности излучения в первых порядках дифракции на выходе схемы модулятора будет чисто гармонической. При этом в нулевом порядке дифракции форма модуляции будет отличаться от гармонической и имеет вид последовательности импульсов специфической формы, которая зависит от расстояния 1 г, разделяющего подвижную и неподвижную дифракционные решетки, расположенные на соответствующих дисках.
P
g
Частота модуляции мощности лазерных пучков нулевого и первых дифракционных порядков на выходе схемы , где Λ - период решетки, а V - линейная скорость движения поверхности вращающегося диска в области прохождения лазерного пучка через решетку; V=2⋅π⋅R⋅n,
g
P
м
Для оценки величины частоты модуляции возьмем параметры диска, и параметры вращения сопоставимые с параметрами диска устройства - прототипа: R=50 мм, n=100 . При этом зададим реальную величину периодов дифракционных решеток равными Λ=0,2 мм. При этих условиях частота модуляции мощности лазерного пучка составит: F=157 кГц. Таким образом, из этих оценок видно, что значение частоты модуляции, которую обеспечивает предлагаемое устройство, более чем в 30 раз выше частоты модуляции (5 кГц), которую дает модулятор - прототип. При уменьшении скорости вращения диска частота модуляции может быть изменена в очень широких пределах.
P
В предлагаемом устройстве периоды дифракционных решеток, Λ, равны между собой, при этом должны выполняться два условия:
P
Λ>>λ, где λ - длина волны лазерного излучения
P
П
П
Λ<<D, где D - диаметр лазерного пучка.
Следует дополнительно отметить, что при выполнении этих условий пространственный спектр выходного пучка выбранного дифракционного порядка подобен пространственному спектру входного пучка лазера и, в отличие от выходного пучка при модуляции по схеме прототипа, не искажается в процессе модуляции.
P
g
P
g
Схема устройства изображена на фиг. 1. Оно включает в себя неподвижный прозрачный диск 1 с нанесенной на диске периодической фазовой дифракционной решеткой 2 с периодом Λ, расположенной по периферии диска на расстоянии R от оси его вращения и второй, вращающийся диск 3, идентичный первому, с нанесенной на диске периодической фазовой дифракционной решеткой 4, которая идентична дифракционной решетке, расположенной на первом диске. Центры дисков находятся на одной оси. Диски расположены в параллельных плоскостях на небольшом удалении друг от друга, при этом расстояние  между дифракционными решетками, которые находятся на поверхностях дисков, обращенных друг к другу, в область пространства между дисками, должно удовлетворять условию: . На выходе устройства, в области, где дифракционные порядки уже не перекрываются друг с другом, т.е. на расстоянии, большем чем , установлен пространственный фильтр 5, выполненный в виде отверстия в непрозрачном экране. Пространственный фильтр 5 предназначен для выделения одного из дифракционных порядков, выбранного для дальнейшего применения: нулевого или первого. Двигатель 6, связанный с диском 3 служит для привода диска 3 во вращение. Штрихи дифракционных решеток 2 и 4 расположены по радиальным линиям, направленным к центру вращения диска. Дифракционные решетки образованы за счет рельефа с прямоугольной формой с глубиной Н на поверхности прозрачных дисков, или на поверхности прозрачного вещества, нанесенного на поверхность диска. Если материал, из которого изготовлена дифракционная решетка, имеет показатель преломления, равный n, то при этом условии оптимальная глубина рельефа дифракционной решетки рассчитывается по формуле
где λ - длина волны излучения лазерного пучка, направленного на дифракционную решетку.
Лазер 7 установлен таким образом, чтобы пучок излучения лазера был направлен сквозь систему из двух дифракционных решеток 2 и 4.
Устройство работает следующим образом. Пучок излучения от лазера 7 проходит через блок из двух близко расположенных дифракционных решеток 2 и 4, одна из которых - решетка 4, расположенная на окружности вращающегося диска, непрерывно движется относительно другой решетки 2, расположенной на неподвижном диске 3. В результате двойной последовательной дифракции лазерного пучка на этих двух решетках мощность излучения в нулевом порядке и в первых дифракционных порядках изменяется с частотой, которая равна частоте прохождения штрихов подвижной дифракционной решетки относительно штрихов неподвижной дифракционной решетки
p
П
P
P
П
P
лаз
лаз
лаз
лаз
P
g
При практической реализации устройства для модуляции лазерного излучения с длиной волны λ=0,63 мкм. диск может быть изготовлен из стекла. При этом рельеф фазовой дифракционной решетки может быть изготовлен с помощью технологии фотолитографии и травления поверхности диска. Оптимальная глубина Н рельефа дифракционной решетки рассчитывается по формуле (1). Целесообразно принять для расчета, что периоды дифракционных решеток равны 0,2 мм, а диаметр лазерного пучка D=2 мм. В этом случае выполняются оба условия, записанные выше: Λ>>λ и Λ<<D. При этом расстояние между решетками целесообразно выбрать в соответствии со следующим расчетным соотношением: . Если Λ=0,2 мм, то расчет по формуле  дает результат: расстояние между диском и стационарной дифракционной решеткой . При этих параметрах схемы мощность в первых порядках изменяется по гармоническому закону от нулевого уровня до уровня 0,42Р, где Р - мощность излучения лазера, а мощность излучения в нулевом порядке изменяется в пределах от уровня 0,05 Р до 0,8 Р. Частота модуляции мощности лазера при Λ=0,2 мм R=50 мм, n=100 , рассчитанная по формуле (2), составит 157 кГц. Эта частота модуляции превышает частоту модуляции, которую дает устройство - прототип при сопоставимой скорости вращения диска более, чем в 30 раз.