СПОСОБ ОТКЛОНЕНИЯ СВЕТОВОГО ПУЧКА
METHOD OF DEFLECTING LIGHT BEAM

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к устройствам управления параметрами оптического излучения, и может быть использовано в устройствах вычислительной техники и систем управления.
Известен способ отклонения светового пучка (Патент США №4639091, МПК G02F 1/137, опубл. 27.01.1987), заключающийся в том, что световой пучок пропускают через электрооптический материал в виде плоского слоя жидкокристаллического материала с нанесенными на одну или обе его поверхности управляющими электродами, подключенными к различным потенциалам с целью формирования отклоняющей ступенчатой квазитреугольной фазовой функции.
Недостатком данного способа отклонения являются малые углы отклонения, равные по порядку величины arcsin(λ/(Nd)), где λ - длина волны светового пучка, м; N - число градаций фазовой функции, равное количеству электродов, образующих период отклоняющей ступенчатой квазитреугольной фазовой функцией; d - период электродов, м. Например, для d=10 мкм, N=3, λ=0,633 мкм угол отклонения равен всего 1,21°, что ограничивает применение данного способа отклонения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ отклонения светового пучка (Патент США №5093747, МПК H01Q 19/06, опубл. 03.03.1992), заключающийся в том, что световой пучок пропускают через пластину из электрооптического материала с нанесенными на ее поверхность управляющими электродами, подключенными к различным потенциалам, формирующим отклоняющую ступенчатую квазитреугольную фазовую функцию.
Недостатком данного способа отклонения, как и в предыдущем случае, являются малые углы отклонения в десятые доли - единицы градуса, что ограничивает применение данного способа отклонения.
Целью изобретения является увеличение углов отклонения светового пучка.
Данная цель достигается за счет того, что в способе отклонения светового пучка, заключающемся в том, что световой пучок пропускают через пластину из электрооптического материала с нанесенными на ее поверхность управляющими электродами, подключенными к различным потенциалам, формирующим отклоняющую ступенчатую квазитреугольную фазовую функцию, согласно предложенному техническому решению, дополнительно устанавливают вторую пластину из электрооптического материала, контактирующую с управляющими электродами, а световой пучок пропускают через обе пластины, причем направление распространения светового пучка выбирают наклонным к поверхности пластин.
Способ отклонения светового пучка поясняется чертежами,
где на Фиг.1 изображен вид сбоку устройства для осуществления заявляемого способа, где 1 - световой пучок, 2 - пластина из электрооптического материала с нанесенными на ее поверхность управляющими электродами, 3 - управляющие электроды, 4 - вторая пластина из электрооптического материала, 5 - отклоненный световой пучок.
0,25
0,75
2
6
на Фиг.2 изображены фазовые функции, формируемые при наклонном падении светового пучка, поляризованного в yz-плоскости, на пластину из электрооптического материала - z-среза кристалла ниобата бария стронция BaSiNbO, причем углы падения равны: 1 - 4π/16,
2 - 5π/16, 3 - 6π/16, 4 - 7π/16, межэлектродный зазор а=5 мкм, ширина электрода b=5 мкм, толщина электродов h=0,1 мкм, а управляющие электроды параллельны х-оси кристалла,
0,25
0,75
2
6
на Фиг.3 изображены фазовые функции, формируемые согласно предложенному техническому решению при наклонном падении светового пучка, поляризованного в yz-плоскости, на обе пластины из электрооптического материала - z-среза кристалла ниобата бария стронция BaSrNbO, причем углы падения равны: 1 - 4π/16,
2 - 5π/16, 3 - 6π/16, 4 - 7π/16, межэлектродный зазор а=5 мкм, ширина электрода b=5 мкм, толщина электродов h=0,1 мкм, а управляющие электроды параллельны х-оси кристалла.
Способ осуществляют следующим образом.
Световой пучок 1 пропускают через пластину из электрооптического материала 2 с нанесенными на ее поверхность управляющими электродами 3 и вторую пластину из электрооптического материала 4, контактирующую с управляющими электродами 3. При этом направление распространения светового пучка 1 выбирают наклонным к поверхности пластин 2, 4. Управляющие электроды 3 подключаются к различным потенциалам, например, вида …, U, 0, 0, U, …, формирующим отклоняющую ступенчатую квазитреугольную фазовую функцию с несколькими градациями фазы, вызывающую отклонение светового пучка 1.
0,25
0,75
2
6
z
у
Пример. Рассмотрим отклоняющий элемент на основе z-среза электрооптического кристалла BaSrNbO. На поверхность пластины из электрооптического материала параллельно оси х кристалла нанесены управляющие электроды в виде одномерной прямоугольной решетки. Ширина электрода составляет b=5 мкм, толщина электродов h=0,1 мкм, межэлектродный зазор а=5 мкм. На управляющие электроды поданы потенциалы вида …, U, 0, 0, U, …, формирующие ступенчатую квазитреугольную фазовую функцию с тремя градациями фазы N=3. Разность потенциалов между соседними электродами формирует в межэлектродном зазоре неоднородное электрическое поле с z- и у-составляющими E и Е, изменяющими показатель преломления электрооптического материала. Уравнение эллипсоида показателей преломления для рассматриваемого случая имеет вид:
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msubsup><mi>n</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mn>13</mn></mrow></msub><msub><mi>E</mi><mi>z</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msubsup><mi>n</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mn>13</mn></mrow></msub><msub><mi>E</mi><mi>z</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msubsup><mi>n</mi><mi>e</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mn>33</mn></mrow></msub><msub><mi>E</mi><mi>z</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mi>z</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>y</mi><mi>z</mi><msub><mi>r</mi><mrow><mn>51</mn></mrow></msub><msub><mi>E</mi><mi>y</mi></msub><mo>=</mo><mn>1,</mn><mtext>               </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
e
13
33
51
-12
-12
-12
где n, n - обыкновенный и необыкновенный показатели преломления соответственно; r, r, r - электрооптические коэффициенты, для λ=0,633 мкм равные соответственно 67·10, 1340·10, 42·10 м/В для частот порядка единиц - десятков кГц (Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах: Пер. с англ. - М.: Мир, 1987. - 616 с.). Запишем уравнение индикатрисы в плоскости yz, полагая, что угол падения β=0° соответствует нормальному падению у-поляризованного излучения на плоскость yz:
<mrow><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msubsup><mi>n</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mn>13</mn></mrow></msub><msub><mi>E</mi><mi>z</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msubsup><mi>n</mi><mi>e</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mn>33</mn></mrow></msub><msub><mi>E</mi><mi>z</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mi>z</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>y</mi><mi>z</mi><msub><mi>r</mi><mrow><mn>51</mn></mrow></msub><msub><mi>E</mi><mi>y</mi></msub><mo>=</mo><mn>1,</mn><mtext>                  </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>2</mtext><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>z</mi><mo>=</mo><mi>y</mi><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><mrow><mo>(</mo><mi>β</mi><mo>)</mo></mrow><mtext>. </mtext></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow>
где β - угол падения светового пучка на поверхность электрооптического материала, на которую нанесены управляющие электроды.
Выразим из (2) показатель преломления оптического излучения, поляризованного в yz-плоскости:
<mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mi>y</mi><mi>z</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>n</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>n</mi><mi>e</mi></msub></mrow><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mrow><mo>(</mo><mi>β</mi><mo>)</mo></mrow><msqrt><mrow><mi>t</mi><msup><mi>g</mi><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mi>β</mi><mo>)</mo></mrow><msubsup><mi>n</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>n</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><msubsup><mi>n</mi><mi>e</mi><mn>2</mn></msubsup><msub><mi>r</mi><mrow><mn>1</mn><mn>3</mn></mrow></msub><msub><mi>E</mi><mi>z</mi></msub><mo>+</mo><msubsup><mi>n</mi><mi>e</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><mi>t</mi><msup><mi>g</mi><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mi>β</mi><mo>)</mo></mrow><msubsup><mi>n</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><msubsup><mi>n</mi><mi>e</mi><mn>2</mn></msubsup><msub><mi>r</mi><mrow><mn>3</mn><mn>3</mn></mrow></msub><msub><mi>E</mi><mi>z</mi></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>t</mi><mi>g</mi><mrow><mo>(</mo><mi>β</mi><mo>)</mo></mrow><msubsup><mi>n</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><msubsup><mi>n</mi><mi>e</mi><mn>2</mn></msubsup><msub><mi>r</mi><mrow><mn>5</mn><mn>1</mn></mrow></msub><msub><mi>E</mi><mi>y</mi></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
у
z
yr
0
yr
e
Согласно (3) при β=0° и Е, E=0 показатель преломления n=n, а при β→90° n→n, что подтверждает верность вывода формулы (3).
у
z
На Фиг.2 показаны фазовые функции, рассчитанные на основе формулы (3) и неоднородного распределения электрического поля Е, E. На поверхность пластины параллельно х-оси кристалла нанесены управляющие электроды в виде одномерной прямоугольной решетки. Ширина электрода составляет b=5 мкм, толщина электродов h=0,1 мкм, межэлектродный зазор а=5 мкм. Управляющие электроды подключены к потенциалам вида …, U, 0, 0, U, …, формирующим ступенчатую квазитреугольную фазовую функцию с тремя градациями фазы N=3. Кривая 1 на Фиг.2 соответствует углу падения светового пучка β=4π/16, кривая 2 - β=5π/16, кривая 3 - β=6π/16, кривая 4 - 7π/16. Фазовые функции характерны для случая только одной пластины из электрооптического материала. Из данных Фиг.2 следует, что использование наклонного падения приводит к нарушению вида отклоняющей ступенчатой квазитреугольнойй фазовой функции и, следовательно, нарушению отклонения светового пучка.
0,25
0,75
2
6
0,25
0,75
2
6
На Фиг.3 показаны фазовые функции, формируемые согласно предложенному техническому решению для случая z-среза кристалла BaSrNbO и светового пучка, поляризованного в yz-плоскости. На поверхность пластины параллельно х-оси кристалла нанесены управляющие электроды в виде одномерной прямоугольной решетки. Ширина электрода составляет b=5 мкм, толщина электродов h=0,1 мкм, межэлектродный зазор а=5 мкм. Управляющие электроды подключены к потенциалам вида …, U, 0, 0, U, …, формирующим отклоняющую ступенчатую квазитреугольную фазовую функцию с тремя градациями фазы N=3. Кривая 1 на Фиг.3 соответствует углу падения светового пучка β=4π/16, кривая 2 - β=5π/16, кривая 3 - 6π/16, кривая 4 - 7π/16. Из данных Фиг.3 следует, что при использовании наклонного падения светового пучка и второй пластины из электрооптического материала сохраняется ступенчатый квазитреугольный вид отклоняющей фазовой функции. Следовательно, реализуется отклонение светового пучка. При этом за счет наклонного падения увеличивается угол отклонения α=arcsin(-λ/(N*d)+sin(β)) (-1 дифракционный максимум), где β - угол падения светового пучка, град.; λ - длина волны светового пучка, м; N - число электродов, образующих элемент апертуры со ступенчатой квазитреугольной фазовой функцией; d - период электродов, м. Для z-среза кристалла BaSrNbO и светового пучка, поляризованного в yz-плоскости, при углах падения β=6π/16…7π/16 (67,5…78,8°), λ=0,633 мкм, а=b=5 мкм, d=10 мкм, N=3 углы отклонения увеличиваются в 1,7…6 раз по сравнению с нормальным падением светового пучка и при одинаковых потенциалах управляющих электродов.