ПОЛЯРИЗАЦИОННО-НЕЗАВИСИМОЕ АДАПТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ЛИНЕЙНОЙ ДЕМОДУЛЯЦИИ ФАЗЫ

Полезная модель относится к области оптоэлектроники и может быть использована в конструкциях адаптивных фильтров на основе динамических голограмм, записываемых в фоторефрактивных кристаллах.
Известно устройство для анизотропной дифракции световых волн, содержащее лазер, поляризатор, фазовую пластинку, кристалл [1]. Две линейно поляризованные волны взаимодействуют в кристалле в условиях анизотропной дифракции. Разность фаз между прошедшей и дифрагированной волной вносится за счет их пропускания через систему «четверть-волновая пластинка-поляризатор».
Недостатками данного устройства являются наличие дополнительного поляризатора, работа которого приводит к дополнительным потерям световой мощности, и использование в качестве сигнального луча светового пучка только линейной поляризации.
Известно также устройство, основанное на векторном смешении волн в кубическом кристалле в присутствии переменного электрического поля [2]. Известное устройство содержит источники световых когерентных волн, которые расположены таким образом, что световые волны, пересекают под углом друг друга. В месте их пересечения установлен фоторефрактивный кристалл кубической симметрии для формирования динамической голограммы. В кристалл попадает две волны, одна из которых является сигнальной, а другая - опорной. Волны имеют разные состояния поляризации - линейное и эллиптическое. Волны распространяются в кристалле под малым углом друг к другу, в результате чего в кристалле формируется голографическая решетка пропускающего типа, обладающая небольшой дифракционной эффективностью. Для повышения эффективности работы устройства используют внешнее знакопеременное электрическое поле, получаемое от генератора переменного тока.
К недостаткам известного устройства следует отнести:
- большой пространственный период голографической решетки;
- низкие метрологические параметры;
- использование в качестве сигнального луча светового пучка только линейной поляризации.
Наиболее близким к заявляемому устройству является энергонезависимое адаптивное устройство линейной демодуляции фазы [3]. Устройство содержит волоконно-оптический сенсор и лазер, расположенные таким образом, что световые волны, излучаемые ими, направлены относительно друг друга под углом близким к 180°, фоторефрактивный кристалл, расположенный на пересечении этих световых волн, фотоприемник, расположенный на одной горизонтальной оси с сигнальной световой волной волоконно-оптического сенсора за фоторефрактивным кристаллом, поляризатор, расположенный на одной горизонтальной оси между волоконно-оптическим сенсором и фоторефрактивным кристаллом, и две фазовые пластинки, расположенные на одной горизонтальной оси между лазером и фоторефрактивным кристаллом. Интенсивность сигнальной волны регистрируется фото детектором.
Данное техническое решение по своему функциональному назначению и по своей технической сущности является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип.
К недостаткам данного устройства следует отнести:
- наличие высоких оптических потерь, вносимых в сигнальную волну поляризатором;
- пониженная чувствительность;
- наличие поляризационных шумов;
- использование в качестве сигнального луча светового пучка только линейной поляризации.
Задачей настоящей полезной модели является создание поляризационно-независимого адаптивного устройства линейной демодуляции фазы, которое позволит использовать в качестве сигнального светового пучка луч с произвольной поляризацией, устранив тем самым необходимость использования в устройстве поляризатора, снизив, как следствие, оптические потери, устранив поляризационные шумы и повысив чувствительность.
Поставленная задача решается тем, что в поляризационно-независимом адаптивном устройстве линейной демодуляции фазы, содержащем источник опорной когерентной световой волны и источник сигнальной когерентной световой волны, причем источники когерентных световых волн расположены так, что когерентные световые волны пересекаются под углом друг другу, а в месте их пересечения установлен фоторефрактивный кристалл для формирования голограммы, при этом опорная когерентная световая волна пропускается через фазовую четверть волновую пластинку для придания ей эллиптической поляризации, и фотоприемник, после фазовой четверть волновой пластинки устройства установлен светоделитель, разделяющий когерентную опорную волну на две волны, и зеркала, посредством которых когерентные опорные волны направляются в фоторефрактивный кристалл под прямым углом друг к другу вдоль осей фоторефрактивного кристалла [100] и [001], а когерентная сигнальная волна направлена в фоторефрактивный кристалл под прямым углом к когерентным опорным волнам вдоль оси фоторефрактивного кристалла [010].
В качестве источника опорной когерентной световой волны используется лазер.
В качестве источника сигнальной когерентной световой волны используется оптический фазовый сенсор.
В качестве светоделителя используется полупрозрачное зеркало.
В качестве светоделителя используется неполяризационный светоделительный куб с коэффициентом деления близким к 50:50.
В качестве фоторефрактивного кристалла для формирования голограммы используется кристалл кубической симметрии.
В заявленном поляризационно-независимом адаптивном устройстве линейной демодуляции фазы общими признаками для него и для его прототипа являются:
- источник опорной когерентной световой волны и источник сигнальной когерентной световой волны;
- источники когерентных световых волн расположены так, что когерентные световые волны пересекаются под углом друг другу;
- в месте пересечения световых когерентных волн установлен фоторефрактивный кристалл кубической симметрии для формирования голограммы;
- опорная когерентная световая волна пропускается через фазовую четверть волновую пластинку для ее эллиптической поляризации;
- фотоприемник.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения и прототипа показывает, что первое имеет в отличие от прототипа следующие существенные признаки:
- наличие светоделителя, установленного после фазовой четверть волновой пластинки и разделяющего когерентную опорную волну на две волны;
- установка зеркал, посредством которых когерентные опорные волны направляются в фоторефрактивный кристалл кубической симметрии под прямым углом друг к другу вдоль осей фоторефрактивного кристалла [100] и [001];
- когерентная сигнальная волна направлена в фоторефрактивный кристалл кубической симметрии под прямым углом к когерентным опорным волнам вдоль оси фоторефрактивного кристалла [010].
Совокупность существенных признаков заявленной полезной модели имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом.
Сущность технического решения поясняется чертежом, на котором представлена схема поляризационно-независимого адаптивного устройства линейной демодуляции фазы.
На чертеже обозначены:
1 - исходная опорная световая волна;
2 - четверть-волновая фазовая пластинка;
3 - светоделитель;
4 - опорная световая волна;
5 - опорная световая волна;
6 - зеркала;
7 - сигнальная световая волна;
8 - фоторефрактивный кристалл кубической симметрии;
9 - фотоприемник.
На чертеже дополнительно обозначены оси [001], [010], [100].
На чертеже не показаны источники опорной и сигнальной волн.
Поляризационно-независимое устройство линейной демодуляции фазы является частью любого интерферометра и предназначено для смешивания (объединения) опорной и сигнальной световых волн. Устройство содержит волоконно-оптический сенсор и лазер опорной и сигнальной волн, расположенные так, что когерентные световые волны 1 и 7 пересекаются под углом друг к другу, в месте их пересечения установлен фоторефрактивный кристалл 8 кубической симметрии для формирования голограммы и фотоприемник 9. Опорная когерентная световая волна 1 пропускается через фазовую четверть волновую пластинку 2 для придания ей эллиптической поляризации. После фазовой четверть волновой пластинки 2 устройства установлены светоделитель 3 и два зеркала 6. Светоделитель 3 разделяет когерентную опорную волну на две волны 4 и 5, а зеркала 6 направляют когерентные опорные волны 4 и 5 в фоторефрактивный кристалл 8 под прямым углом друг к другу вдоль осей фоторефрактивного кристалла [100] и [001]. Когерентная сигнальная волна 7 направлена в фоторефрактивный кристалл 8 под прямым углом к когерентным опорным волнам вдоль оси фоторефрактивного кристалла [010].
Поляризационно-независимое устройство работает следующим образом. Опорная световая волна 1 поступает на вход устройства, проходит через четверть волновую пластинку 2 (не нужно, если опорная волна изначально поляризована эллиптически) и делится на две вспомогательных опорных волны 4 и 5. На вход устройства также направляется сигнальная волна 7, когерентная с опорными волнами 4 и 5. Далее три когерентных волны - сигнальная 7 (с амплитудой А) и две опорных 4 и 5 (с амплитудами В и С, соответственно) - направляются в фоторефрактивный кристалл 8 (ФРК) кубической симметрии под прямым углом друг к другу вдоль основных кристаллографических осей кристалла - [100], [010], [001]. Попарная интерференция волн приводит вследствие фоторефрактивного эффекта к формированию в кристалле трех фазовых объемных голографических решеток, волновые вектора которых направлены под углами в 45 градусов к основным осям.
х
х
z
z
у
у
Из-за взаимной пространственной ортогональности распространения волн в фоторефрактивном кристалле кубической симметрии, а также вследствие ортогональной природы электромагнитных волн, только одна из двух поляризационных компонент сигнальной волны (А) будет интерферировать с волной В (с ее компонентой В), и только их интерференция сформирует соответствующую голограмму. Другая поляризационная компонента волны A (A) будет интерферировать только с волной С, а именно с ее компонентой C. Взаимодействие волн В и С будет обусловлено интерференцией их компонент В и С. Опорные волны (в отличие от сигнальной) не имеют фазовой модуляции, поэтому их взаимодействие носит квазистационарный характер, и приводит лишь к некоторому изменению их амплитуд. Модуляционные изменения, вносимые в амплитуды опорных волн вследствие их поочередного взаимодействия с сигнальной волной и последующего взаимодействия друг с другом, имеют второй порядок малости вследствие малой дифракционной эффективности, обусловленной значительным превышением интенсивностей опорных волн над интенсивностью сигнальной. Это обеспечивает независимость взаимодействия сигнальной волны с каждой из опорных. Сигнальная волна может иметь произвольную поляризацию, в то время как опорные волны должны быть поляризованы эллиптически.
Дифракция всех световых волн на решетках в используемой геометрии носит анизотропный характер. Внутренняя разность фаз в π/2 между ортогональными поляризационными компонентами эллиптически поляризованных опорных волн вследствие анизотропной дифракции на соответствующих голографических решетках перейдет в сдвиг фаз между прошедшей и дифрагировавшей компонентами волн, что обеспечит оптимальное (квадратурное) положение рабочей точки интерферометра, в котором преобразование изменений фазы в изменения интенсивности (демодуляция фазы) носит линейный характер.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Delaye Ph., Blouin A., Drolet D., de Montmorillon L.A., Roosen G., Monchalin J.-P. Detection of ultrasonic motion of a scattering surface by photorefractive InP:Fe under an applied dc field // J. Opt. Soc. Am. B. - 1997. - Vol.14. - No.7. - P.1723-1734.
2. Kamshilin A.A., Prokofiev V.V. Fast adaptive interferometer with a photorefractive GaP crystal // Optics Letters. - 2002. - Vol.27. - No.19. - P.1711-1713.
3. Патент РФ №75760 на полезную модель «Энергонезависимое адаптивное устройство линейной демодуляции фазы», МПК G02F 1/00, 2008 г. - прототип.