УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФОРМ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и предназначена для поточной диагностики оптических элементов, работающих в широком спектральном диапазоне, таких как светофильтры, цветное стекло, поляризационные фильтры и т.п., определение их оптических характеристик.
Общеизвестно, что получение поляризованного излучения основано на изменении разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами. Разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами приобретается при прохождении излучения через анизотропный кристалл:
где d - толщина кристалла вдоль распространения излучения, λ - длина волны излучения, Δn - величина двулучепреломления.
Разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами зависит от толщины кристалла, длины волны и двулучепреломления. Величину двулучепреломления можно изменять несколькими способами: путем поворота кристалла вокруг вертикальной оси, перпендикулярной направлению распространения излучения, путем изменения длины волны излучения, путем приложения электрического поля к граням электрооптического кристалла:
o
e
33
где E=U/b - напряженность электрического поля, U - напряжение, b - толщина кристалла в направлении приложения напряжения, n и n - показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно, и r - электрооптические коэффициенты кристалла.
Известно устройство для преобразования форм поляризации, принцип работы которого основан на изменении разности фаз Δφ между обыкновенным и необыкновенным лучами, при постоянной толщине кристалла d, приводящий к преобразованию линейной поляризации в эллиптическую поляризацию за счет поворота кристалла вокруг вертикальной оси при горизонтальном распространении излучения [Патент 48080 РФ. МПК G02B 26/00 A. Устройство для преобразования форм поляризации излучения [Текст] / Пикуль О.Ю.; заявитель и патентообладатель ДВГУПС (RU) - №2005108832. Заявл. 28.03.2005. Опубл. 10.09.2005. Бюл. №25. - 1 с.: ил.].
Устройство для преобразования форм поляризации содержит установленные перпендикулярно оси оптической системы и последовательно расположенные источник монохроматического излучения, поляризатор, одноосный кристалл, анализатор и фотоэлектрический прибор.
Направления пропускания поляризатора и анализатора расположены перпендикулярно оси оптической системы и относительно друг друга.
3
В качестве одноосного кристалла выбран ниобат лития LiNbO, оптическая ось которого лежит в плоскости входной грани кристалла.
При этом плоскость главного сечения кристалла образует некоторый угол 0°<α<90° с плоскостью пропускания поляризатора. Рабочий диапазон длин волн λ для каждого кристалла определяется спектром ее пропускания 400-4500 нм.
Одноосный кристалл установлен с возможностью поворота вокруг вертикальной оси.
Устройство работает следующим образом.
Излучение с выбранной из рабочего диапазона длиной волны λ, направляется на поляризатор, в котором происходит преобразование поляризации излучения в линейную. Линейно поляризованное излучение направляется в одноосный кристалл под углом α. На выходе из кристалла излучение приобретает разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами Δφ. В зависимости от величины разности фаз Δφ преобразуется форма поляризованного излучения. Например, при Δφ=π на выходе из одноосного кристалла излучение имеет эллиптическую поляризацию.
Для контроля формы поляризации осуществляется поворот анализатора на 360 градусов и по изменению интенсивности излучения, вышедшего из анализатора и определенной фотоэлектрическим прибором, делается вывод о форме поляризации.
0
Если интенсивность излучения остается постоянной (I=const). Делается вывод, что на выходе из одноосного кристалла излучение имеет круговую поляризацию.
1
1
Если интенсивность излучения изменяется от нуля до некоторого значения I, то на выходе из одноосного кристалла излучение имеет линейную поляризацию. Плоскость линейной поляризации излучения определяется углом поворота анализатора, который соответствует некоторому значению интенсивности I.
min
max
min
max
Если интенсивность излучения изменяется от какого-то минимального значения I до некоторого максимального значения I, то на выходе из одноосного кристалла излучение имеет эллиптическую поляризацию. При этом угол поворота анализатора, который соответствует значению I, определяет положение в пространстве малой полуоси эллипса поляризованного излучения, а угол поворота анализатора, который соответствует значению I определяет положение в пространстве большой полуоси эллипса поляризованного излучения.
Для изменения формы поляризованного излучения с длиной волны λ (величины полуосей эллипса поляризации и положения в пространстве) осуществляется поворот одноосного кристалла вокруг вертикальной оси. Поворот приводит к изменению длины оптического пути, пройденного излучением в одноосном кристалле, что приводит к изменению величины разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами Δφ при постоянной толщине одноосного кристалла d.
Для каждой длины волны излучения из рабочего диапазона длин волн на выходе из одноосного кристалла формируется разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами в соответствии с формулой (1).
Для задания определенных параметров поляризованного излучения необходимо провести аналогичные действия.
Достоинством известного устройства является простота получения различных форм поляризации с использованием одного одноосного кристалла постоянной толщины d.
Недостатком известного устройства является низкая точность задания определенных параметров поляризованного излучения, обусловленная механическим поворотом кристалла. При погрешности поворота одноосного кристалла на 1 угловую секунду погрешность разности фаз составляет 1-2%.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для преобразования форм поляризации, принцип работы которого основан на изменении разности фаз Δφ между обыкновенным и необыкновенным лучами, при постоянной толщине одноосного электрооптического кристалла d, приводящий к преобразованию линейной поляризации в эллиптическую поляризацию за счет приложения электрического поля к граням кристалла в направлении перпендикулярном направлению распространения излучения [Е.Р. Мустель, В.Н. Парыгин Методы модуляции и сканирования света / М.: Наука, 1970, с. 76].
Устройство для преобразования форм поляризации содержит установленные перпендикулярно оси оптической системы и последовательно расположенные источник неполяризованного монохроматического излучения, поляризатор, одноосный электрооптический кристалл, анализатор и фотоприемник, а также высоковольтный источник питания, электромеханическое поворотное устройство и мультиметр.
Направления пропускания поляризатора и анализатора расположены перпендикулярно оси оптической системы и относительно друг друга.
3
В качестве одноосного электрооптического кристалла выбран, например ниобат лития LiNbO, оптическая ось которого лежит в плоскости входной грани кристалла. При этом плоскость главного сечения одноосного электрооптического кристалла образует некоторый угол 0°<α<90° с плоскостью пропускания поляризатора. Рабочий диапазон длин волн λ для каждого одноосного электрооптического кристалла определяется спектром ее пропускания 400-4500 нм.
Источник излучения представляет собой источник неполяризованного монохроматического излучения.
Выход высоковольтного источника питания подключен к граням одноосного электрооптического кристалла.
Электромеханическое поворотное устройство связано с анализатором для обеспечения поворота анализатора вокруг оптической оси устройства.
Вход фотоприемника, оптически связан с анализатором, а выход фотоприемника соединен с входом мультиметра.
Устройство работает следующим образом.
Излучение с выбранной из рабочего диапазона длиной волны λ направляется на поляризатор, в котором происходит преобразование поляризации излучения в линейную. Линейно поляризованное излучение направляется в одноосный электрооптический кристалл. На выходе из кристалла излучение приобретает разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами Δφ. В зависимости от величины разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами Δφ преобразуется форма поляризованного излучения, например, при Δφ=π на выходе из одноосного электрооптического кристалла излучение имеет эллиптическую поляризацию.
0
1
1
min
max
min
max
Форма поляризации определяется по интенсивности излучения, вышедшего из анализатора при помощи мультиметра. Например, электромеханическое поворотное устройство приводит во вращение анализатор на 360 градусов. При этом интенсивность излучения, прошедшего анализатор может не меняться (I=const). Это означает, что на выходе из одноосного электрооптического кристалла излучение имеет круговую поляризацию. Если интенсивность изменяется от нуля до некоторого значения I, то на выходе из одноосного электрооптического кристалла излучение имеет линейную поляризацию. При этом угол поворота анализатора, который соответствует некоторому значению интенсивности 1, определяет плоскость линейной поляризации излучения. Если интенсивность изменяется от какого-то минимального значения I до некоторого максимального значения I, то на выходе из одноосного электрооптического кристалла излучение имеет эллиптическую поляризацию. При этом угол поворота анализатора, который соответствует значению I, определяет положение в пространстве малой полуоси эллипса поляризованного излучения, а угол поворота анализатора, который соответствует значению I, определяет положение в пространстве большой полуоси эллипса поляризованного излучения.
Для изменения формы поляризованного излучения (величины полуосей эллипса поляризации и положения в пространстве) к граням одноосного электрооптического кристалла, перпендикулярным направлению распространения излучения, прикладывается напряжение при помощи высоковольтного источника питания. Регулировка величины напряжения производится вручную. Электрическое поле, созданное прикладываемым напряжением изменяет величину двулучепреломления кристалла Δn согласно формулы (2) с учетом электрооптических коэффициентов одноосного электрооптического кристалла и его геометрических размеров.
При смене длины волны для получения определенных параметров поляризованного излучения осуществляется перестройка устройства путем ручной корректировки величины прикладываемого напряжения. При изменении величины напряжения на выходе из одноосного электрооптического кристалла изменяется величина разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами в соответствии с формулой (1), которая определяет форму поляризации.
Для получения эллиптической поляризации прикладывается полуволновое напряжение, для получения круговой поляризации - четвертьволновое напряжение.
Поворот одноосного электрооптического кристалла вокруг оптической оси устройства приводит к изменению параметров эллипса поляризации в пространстве, т.е. повороту осей эллипса поляризованного излучения.
Изменение разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами осуществляется путем приложения напряжения к граням одноосного электрооптического кристалла, что приводит к точному изменению разности фаз и повышению точности получения определенных параметров поляризованного излучения.
Перестройка устройства на другую длину волны для задания определенных параметров поляризованного излучения занимает длительное время, что не позволяет использовать его при поточной диагностике оптических элементов, работающих в широком спектральном диапазоне, таких как светофильтры, цветное стекло, поляризационные фильтры и т.п. При поточной диагностике таких оптических элементов определение их оптических характеристик для одной длины волны составляет около 1 часа.
Достоинством известного устройства является высокая точность получения различных форм поляризации с использованием одного одноосного электрооптического кристалла постоянной толщины путем приложения напряжения к его граням.
Недостатком известного устройства преобразования форм поляризации является ограничение функциональных возможностей его использования при поточной диагностике оптических элементов, что обусловлено низкой скоростью перестройки устройства на другую длину волны для задания определенных параметров поляризованного излучения за счет ручной настройки подачи напряжения.
Задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в разработке устройства для преобразования форм поляризации, расширяющего функциональные возможности его использования при поточной диагностике оптических элементов благодаря увеличению скорости перестройки устройства на другую длину волны для задания определенных параметров поляризованного излучения за счет автоматической настройкой подачи напряжения.
Для решения задачи в устройство для преобразования форм поляризации дополнительно введен блок управления напряжением.
Для решения задачи в устройство для преобразования форм поляризации, содержащее последовательно установленные вдоль оптической оси и оптически связанные между собой источник излучения, поляризатор, одноосный электрооптический кристалл, анализатор и фотоприемник, а также высоковольтный источник питания, электромеханическое поворотное устройство и мультиметр, при этом в качестве источника излучения выбран источник неполяризованного излучения, в качестве одноосного электрооптического кристалла выбран кристалл ниабата лития, выход высоковольтного источника питания подключен к граням одноосного электрооптического кристалла, электромеханическое поворотное устройство связано с анализатором, выход фотоприемника подключен к входу мультиметра. В устройство для преобразования форм поляризации дополнительно введен блок управления напряжением, вход которого соединен с выходом мультиметра, а один выход соединен с входом высоковольтного источника питания, другой выход - с входом электромеханического поворотного устройства, причем блок управления выполнен на основе электронно-вычислительной машины с базой данных зависимости прикладываемого к граням одноосного электрооптического кристалла напряжения от длины волны при различных соотношениях толщины кристалла в направлении приложения напряжения (b) к толщине кристалла вдоль распространения излучения (d) и от ориентации кристалла относительно оптической оси устройства.
Заявляемое решение отличается от прототипа введением в устройство для преобразования форм поляризации блока управления напряжением, вход которого соединен с выходом мультиметра, один выход соединен с входом высоковольтного источника питания, а другой выход - с входом электромеханического поворотного устройства, причем блок управления напряжением выполнен на основе электронно-вычислительной машины с базой данных зависимости прикладываемого к граням одноосного электрооптического кристалла напряжения от длины волны при различных соотношениях толщины кристалла в направлении приложения напряжения (b) к толщине кристалла вдоль распространения излучения (d) и от ориентации кристалла относительно оптической оси устройства. Наличие существенных отличительных признаков в совокупности признаков, характеризующих заявляемое устройство для преобразования форм поляризации, свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности полезной модели «новизна».
Наличие существенных отличительных признаков в совокупности со всеми признаками устройства приводит к расширению функциональных возможностей его использования при поточной диагностике оптических элементов благодаря увеличению скорости перестройки устройства на другую длину волны для задания определенных параметров поляризованного излучения за счет автоматической настройкой подачи напряжения.
На фигуре представлена схема устройства для преобразования форм поляризации, позволяющая подтвердить его работоспособность и «промышленную применимость».
Заявляемое устройство для преобразования форм поляризации основано на изменении разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами при приложении напряжения к граням одноосного электрооптического кристалла.
Устройство для преобразования форм поляризации содержит последовательно установленные вдоль оптической оси источник неполяризованного излучения 1, поляризатор 2, одноосный электрооптический кристалл 3, анализатор 4 и фотоприемник 5, а также блок управления напряжением 6, высоковольтный источник питания 7, электромеханическое поворотное устройство 8 и мультиметр 9.
Источник излучения 1 представляет собой источник неполяризованного излучения.
В качестве одноосного электрооптического кристалла 3 выбран ниабат лития - кристалл класса симметрии 3 т, обладающий хорошими электрооптическими свойствами благодаря высоким значениям электрооптических коэффициентов. Направление пропускания поляризатора 2 составляет с главным сечением кристалла некоторый угол 0°<α<90°.
Вход высоковольтного источника питания 7 соединен с одним выходом блока управления напряжением 6, а выход высоковольтного источника питания 7 подключен к граням одноосного электрооптического кристалла 3.
Другой выход блока управления напряжением 6 соединен с входом электромеханического поворотного устройства 8, связанного с анализатором 4.
Вход фотоприемника 5 оптически связан с анализатором 4, а выход фотоприемника 5 связан с входом мультиметра 9. Выход мультиметра 9 соединен с входом блока управления напряжением 6.
Блок управления напряжением 6 содержит блок сравнения (на фиг. не показан) и ЭВМ с базой данных зависимости напряжения от длины волны при различных соотношениях толщины одноосного электрооптического кристалла в направлении приложения напряжения (b) к толщине кристалла вдоль распространения излучения (d) и от ориентации кристалла относительно оптической оси устройства (на фиг. не показан).
Для ниобата лития рассчитанное по известным формулам полуволновое и четвертьволновое напряжение для выборочных длин волн представлено в виде таблицы.
Устройство работает следующим образом.
Неполяризованное излучение от источника излучения 1 подается на поляризатор 2. В поляризаторе 2 неполяризованное излучение преобразуется в линейно поляризованное излучение с плоскостью поляризации, ориентированной под углом а к плоскости главного сечения одноосного электрооптического кристалла 3. Далее линейно поляризованное излучение подается на одноосный электрооптический кристалл 3. В этом кристалле 3 рождается два луча: обыкновенный и необыкновенный, которые на выходе из кристалла 3 приобретают разность фаз Δφ. Каждой величине разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами Δφ соответствует определенная форма поляризованного излучения. Например, при Δφ=π на выходе из одноосного электрооптического кристалла 3 излучение имеет эллиптическую поляризацию.
Для контроля формы поляризации осуществляется поворот анализатора 4 на 360 градусов с помощью электромеханического поворотного устройства 8. Сигнал для включения электромеханического поворотного устройства 8 подает блок управления напряжением 6. При повороте анализатора 4 на 360 градусов, интенсивность вышедшего из него излучения попадает в фотоприемник 5. Сигнал с фотоприемника 5 подается на мультиметр 9, в котором и определяется величина интенсивности излучения. Значения интенсивности полученные с мультиметра 9 в блоке управления напряжением 6 сравниваются с эталонными значениями интенсивности. По изменению интенсивности излучения делается вывод о форме поляризации.
0
Если интенсивность излучения остается постоянной (I=const), делается вывод, что на выходе из одноосного электрооптического кристалла 3 излучение имеет круговую поляризацию.
1
1
Если интенсивность излучения изменяется от нуля до некоторого значения I, то на выходе из одноосного электрооптического кристалла 3 излучение имеет линейную поляризацию. Плоскость линейной поляризации излучения определяется углом поворота анализатора 4, который соответствует некоторому значению интенсивности I.
min
max
min
max
Если интенсивность изменяется от какого-то минимального значения I до некоторого максимального значения I, то на выходе из одноосного электрооптического кристалла 3 излучение имеет эллиптическую поляризацию. При этом угол поворота анализатора 4, который соответствует значению I, определяет положение в пространстве малой полуоси эллипса поляризованного излучения, а угол поворота анализатора 4, который соответствует значению I, определяет положение в пространстве большой полуоси эллипса поляризованного излучения.
Если форма поляризации излучения на выходе из одноосного электрооптического кристалла 3 отличается от заданной, то блоком управления напряжением 6 делается автоматическая корректировка разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами. Для этого с блока управления напряжением 6 подается сигнал о подаче корректирующего напряжения, на высоковольтный источник питания 7. Высоковольтный источник питания 7 подает на грани одноосного электрооптического кристалла 3 корректирующее напряжение, соответствующее заданной разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами, выбранное из базы данных блока управления напряжением 6. Некоторые величины полуволнового и четвертьволнового напряжения при различных соотношениях b/d в зависимости от ориентации кристалла в оптической схеме из базы данных приведены в таблице.
После подачи корректирующего напряжения на выходе из одноосного электрооптического кристалла 3 излучение имеет заданную форму поляризации.
Для контроля формы заданного поляризованного излучения снова блоком управления напряжением 6 подается сигнал на электромеханическое поворотное устройство 8 для поворота анализатора на 360 градусов, и по изменению интенсивности излучения в блоке управления напряжением 6 делается вывод о соответствии формы заданного поляризованного излучения.
Поворот одноосного электрооптического кристалла 3 вокруг оптической оси устройства приводит к изменению параметров эллипса поляризации в пространстве, т.е. повороту осей эллипса поляризованного излучения.
Для другой длины волны излучения блоком управления напряжением 6 подается сигнал о подаче корректирующего напряжения на высоковольтный источник питания 7. Высоковольтный источник питания 7 подает на грани одноосного электрооптического кристалла 3 корректирующее напряжение, соответствующее заданной разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами, выбранное из базы данных блока управления напряжением 6.
λ/2
λ/4
Пример 1. Для кристалла ниобата лития с геометрическими размерами X=10 мм, Y=2 мм, Z=2 мм при длине волны излучения λ=400 нм, соотношение имеем b/d=1/5 при распространении света вдоль оси X и приложении напряжения вдоль оси Z полуволновое напряжение U=393,02 В, а четвертьволновое напряжение U=196,51 В.
λ/2
λ/4
Пример 2. Для кристалла ниобата лития с геометрическими размерами X=12 мм, Y=1,5 мм, Z=1,5 мм при длине волны излучения λ=650 нм, соотношение имеем b/d=1/8 при распространении света вдоль оси X и приложении напряжения вдоль оси Z полуволновое напряжение U=399,16 В, а четвертьволновое напряжение U=199,58 В.
λ/2
λ/4
Пример 3. Для кристалла ниобата лития с геометрическими размерами X=14 мм, Y=2 мм, Z=2 мм при длины волны λ=650 нм, соотношение имеем b/d=1/7 при распространении света вдоль оси X и приложении напряжения вдоль оси Y полуволновое напряжение U=1001,24 В, а четвертьволновое напряжение U=500,62 В.
Заявляемое устройство автоматически осуществляет изменение разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами, вышедшего из одноосного электрооптического кристалла 3 излучения. Погрешность задания разности фаз составляет 0,1%.
Смена длины волны излучения и определение оптических характеристик оптических элементов, работающих в широком спектральном диапазоне, таких как светофильтры, цветное стекло, поляризационные фильтры и т.п. при поточной диагностике осуществляется за несколько секунд, что позволяет расширить функциональные возможности использования устройства для преобразования форм поляризации.