Электрооптический фильтр

 

ЬЭЛЕКТРООПтаЧЕСКИЙ ФИЛЬТР, содержащий последовательно размещенные поляризатор, электрооптический « -JCOJO:5},rf ,,, кристалл с электродами и анализатор, отличающийся тем-, что,с целью расашрения его эксплуатационных возможностей, улучшения селективных свойств и удешевления, использован кристалл, обладающий инверсией знака электрооптического коэффициента , вырезанный так, что нормаль к входной плоскости кристалла совпадает с его негиротропным направлением. 2. Фильтр по п.I, о т л и ч а ющ и и с я тем, что в качестве кристалла , обладающего ииверсией знака электрооптического коэф| щкента, использован кристалл . 00 о 00 ю ел

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕ(НИХ

РЕСПУБЛИК ав 1111

3150 С 02 F 0

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТЗФ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

В!".p(g рэ1, „ (21) 3612867/24-25 (22) 30.06.83 (46) 23.12.84. Бюл. М 47 (72) О.Г.Влох и А.В.Царик (71) Львовский ордена Ленина государственный университет им. И.Франко (53) 535.8(088.8) (56) I.Henry С. Coupling of Electromagnetic Waves in-CdS. Phys. Rev, !

966, и 2, р. 627-.633.

2. Патент США Ф 4229073, кле G 02 F !/03. 1980. (54) (57) 1. ЭЛЕКТР0011ТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР, содержащий последовательно размещенные поляризатор, электрооптический кристалл с электродами и анализатор, отличающийся тем, что,с целью расжирения его эксплуатационных возможностей, улучшения селективных свойств и удешевления, использован кристалл, обладающий инверсией знака электрооптического коэффициента, вырезанный так, что нормаль к входной плоскости кристалла совпадает с его негиротропным направлением.

2. Фильтр по и.1, о т л и ч а юшийся тем, что в качестве кристалла, обладающего инверсией знака электрооптического коэффщциента, использован кристалл AgIn Ga„Sz .

1 113О

Изобретение относится к технике оптического приборостроения, точнее к узкополосным оптическим фильтрам, применяемым для анализа спектров оптического излучения, и может быть использовано в случае быстропротекающих оптических процессов, а также в системах оптической модуляции, основанныхна электрооптическом эффекте.

Известны узкополосные оптические

Фильтры, содержащие двулучепрелом/ ляющую с точкой инверсии кристаллическую пластинку, размещенную между двумя поляризаторами Г13 .

Такие фильтры имеют единственную пропускаемую (главные направления поляризации поляризаторов перпендикулярны) или блокируемую (главные направления поляризации поляризаторов параллельны) узкую спектральную полосу с центром при некоторой длине волны света д., перестройка которой по спектру осуществляется путем изменения температуры и химического или стехиометрического сос"р тавов кристаллической среды.

Наиболее близким к изобретению . по технической сущности и достигае.мому результату является электроонтический фильтр, содержащий последовательно размещенные поляризатор, электрооптический кристалл с электродами и анализатор 3 23.

К недостаткам известных фильтров следует отнести ограниченные эксплуатационные возможности, зависимость характеристик фильтра от толщины кристаллических срезов, что влечет . за собой усложнение технологии и в конечном итоге увеличение стоимости изготовления . Кроме этого, зависимость пропускания узкополосного фильтра от суперпозиции двулучепреломления и естественной оптической .активности приводит к появлению слабых боковых полос, что ухудшает селективные свойства этих фильтров.

Целью изобретения является расширение эксплуатационных возможностей, улучшение селективных свойств и удешевление узкополосных оптических фильтров.

Цель достигается тем, что в электрооптичееком фильтре, содержащем последовательно размещенные поляризатор, электрооптический кристалл с электродами и анализатор, использован кристалл, обладающий инверсией знака электрооптического коэффициен825 2 та, вырезанный так, что нормаль к входной плоскости кристалла совпадает с его негиротропным направлением.

В качестве кристалла, обладающего инверсией знака электрооптического коэффициента может быть использован

АаТп,, Са,(Бг.

На фиг.1 изображен схематически электрооптический фильтр; на фиг.2 и 3 — спектральные зависимости электрооптического коэффициента (r+P и полуволнового напряжения (Щ ; на фиг.4 — расчетные спектральные зависимости пропускания электрооптического фильтра для различных электрических напряжений; на фиг.5 и 6 — спектральные зависимости соответственно пропускания и блокирования действующего узкополосного оптического фильтра, полученные для напряжения Uz=

= 8 кВ, при этом главные направления поляризации поляризатора и анализатора ориентированы соответственно параллельно и перпендикулярно.

Электрооптический фильтр состоит нз размещающихся последовательно на пути параллельного светового потока 1 поляризатора 2, первого прозрачного электрода состоящего из стеклянной подложки 3 и токопроводящей пленки 4, кристаллического элемента 5, второго прозрачного электрода, состоящего из токопроводящей пленки 6 и стеклянной подложки 7, анализатора 8. Поляризатором 2 и анализатором 8 служат поляризационные призмы Глана-Томсона. Кристаллический элемент 5 представляет собой плоскопараллельную пластину zсреза кристалла, принадлежащего к точечной группе симметрии 42ш и обладающего инверсией знака электрооптического коэффициента. Пластины указанного типа вырезаются перпендикулярно кристаллофизической оси г кристалла. Ось z является оптической осью кристалла, поэтому для света, распространяющегося вдоль этого направления, кристаллическая пластина при условии, что к ней не приложено электрическое поле, будет изотропной, Так как электрическое поле, прикладываемое к кристаллическому элементу 5, направляется параллельно световому потоку 1, то используются два прозрачных электрода 3,4 и 6,7. Каждый электрод представляет собой тонкую токопроводящую пленку 4,6 из закиси олова, на825

ll30

Qn) 63 п0

3 где (лп) и о

К

3 несенную на стеклянную подложку 3, 7, Электроды упруго прижаты или приклеены токопроводящей стороной к плоскостям кристаллического элемента

5 и подключены к источнику постоянного электрического напряжения U<.

В совокупности элементы 3-7 образуют ячейку 11оккельса. Главные плоскости поляризации поляризатора 2 и анализатора 8 могут быть лИбо взаим- 10 но перпендикулярными либо параллельными. Кристаллофизическая ось Х (или равноправная ocb У) кристаллического элемента 5 всегда ориентирована параллельно главному направлению поляризации поляризатора 2 или анализатора 8.

Для фильтрации узкой спектральной полосы с центром при длине волны света Л электрооптический фильтр уста- щ навливают в оптический тракт, после чего к кристаллическому элементу 5. прикладывают постоянное электрическое напряжение заданной величины, При этом в случае параллельного расположения главных направлений поляризации поляризатора 2 и анализатора 8 (фиг.1) электрооптический фильтр пропускает узкую полосу спектра с центром при длине волны све-. та 4.„ а в случае перпендикулярного расположения главных плоскостей поляризации затвор блокирует указанную полосу.

В результате действия электрического поля в изотропном направлении кристалла индуцируется двулучепреломление, величина которого определяется выражением индуцнрованное в изотропном направлении двулучепреломпение; электрооптический коэффициент;

"обыкновенный" показатель преломления; компонента напряженности электрического поля вдоль кристаллофизической оси Х, Следовательно, пропускание оптико-поляризационной системы электрооптического затвора определяется сле-

55 дующими зависимостями: при параллельной ориентации главных направлений поляризации поляризатора и анализатора

У= -Х(и (ь ítEz z Tijou)=l-Sin (>/ ця/ ) (2) и при перпендикулярной где J = J/I пропускание электро-. оптического затвора;

Х вЂ” интенсивность падающего на затвор светового потока;

2 — интенсивность прршедmего через затвор светового потока;

А. - длина волны света;

U = Ez d — напряжение электрического поля

d — толщина кристаллической пластины в направлении оси г;

U = А/2п г — полуволновое напряже3 нне.

Как видно из выражений (2) и,(3), пропускание фильтра нрн постоянной величине электрического напряжения определяется величиной и дисперсией полуволнового напряжения. Обычно для всех известных кристаллов электрооптические коэффициенты характеризуются постоянством знака во всей области прозрачности и нормальной дисперсией — с уменьшением длины волны света значение электрооптического коэффициента увеличивается, а полуволнового напряжения уменьшается. В этом случае при Uz

1 коэффициента пропускает свет всех длин волн, а при юг>Ц спектральное распределение пропускайия приобретает периодический характер. Однако спектральное распределение пронускания указанного фильтра существенно изменяется, если используются кристаллы системы AgIn<„Ga„ Sz, для которых электрооптический коэффициент r+ (фиг. 2) при длине волны света д

479,5 нм (xl), становится равным ,нулю и по обе стороны от этой длины волны света имеет противоположные знаки, так как имеет место инверсия знака электрооптического коэффициента. В длинноволновой области . спектра электрооптический коэффици1 1З082 5

6 ент r > остается практически постоянным, Отмеченные особенности соответствующим образом отражаются на дисперсии полуволнового напряжения (фиг. 3), которое с приближением к » длине волны света стремится к бесконечности, а в окрестности

550 нм достигает некоторого минимального значения /Ця/ ) .. =7 4yJ3)

На фиг.4 кривые 9-1Г йзображают 10 в качестве примера, рассчитанное на уравнение (2) спектральное распределение пропускания электрооптического фильтра с параллельной ориентацией главных направлений поляризации поляризатора и анализатора для различных напряжений U< (соответственно 2 кВ, 6 кВ, 8 кВ). Если электрическое напряжение не приложено к кристаллу, то фильтр пропуска- 20 ет весь падающий на него световой поток с спектральным составом, включающим практически весь оптический диапазон. Поэтому при работе в данной спектральной области один раз установленный фильтр может постоянно находиться в оптическом тракте, не оказывая влияния на другие функцнональные применения светового потока, Когда к кристаллу прило- 30 жено электрическое напряжение, то в спектральном распределении пропускания электрооптического фильтра (фиг, 4) выделяется полоса пропускания с центром при длине волны све- » та .„. Дпя напряжений, меньших,чем

/0л.12)„„,.„.= 7,9xBlcp,(кривые 9, 10), затвором пропускается как полоса с центром при длине волны света 4, так и частично вся остальная спектральная часть светового потока. Кроме того, с увеличением приложенного к кристаллу напряжения Ug спектральная ширина полосы пропускания с центром при Я. уменьшается. Для элект- 4» рических напряжений, близких по величине к значению /Од!л)„,;„=1,МкВ!сл (кривая ll) фильтром пропускается лишь . узкая полоса с центром при .„, а вся (за счет постоянства электрооптического коэффициента г ) длинноволновая спектральная часть. светового, потока полностью блокируется. .Аналогичные рассуждения можно привести и для электрооптического фильтра с перпендикулярной ориентацией главных направлений поляризации в поляризаторе и анализаторе . В противоположность к предыдущему случаю здесь с приложением к кристаллу напряжения,близкого по величине к / ИЩ, затвором блокируется узкая полоса с центром при длине волны света а остальная часть спектра светового потока пропускается. При этом электрооптический фильтр с перпендикулярной ориентацией главных направлений поляризации в поляризаторе и анализаторе не может постоянно находиться в оптическом тракте, так как при отсутствии электрического напряжения окрещенные поляризаторы не пропускают световой поток.

Как следует из полученных экспериментально . графиков, фильтром пропускается (фиг.5) или блокируется (фиг.6) узкая спектральная полоса с центром при длине волны света 1,о .

Однако уровень пропускания в максимуме спектральной характеристики полосы фильтрации значительно ниже, чем в полученной расчетным путем (фиг. 4), Это связано с тем, что при расчете не учитывались потери на отражение и поглощение элементами фильтра. Действующий узкополосный оптический фильтр при комнатной температуре и U .= 8 кВ обладает следующими характеристиками: центральная длина волны света Л полосы фильтрации равняется 479,5 нм, полуширина полосы,пропускания составляет около 10 А, а пропускание j° - 100 X в максимуме спектральной характеристики 25Х.

Расширение эксплуатационных возможностей достигается за счет применения в электрооптическом фильтре изотропного среза кристалла, обладающего инверсией знака электрооптического коэффициента. В этом случае электрооптический фильтр с параллельной ориентацией главных направлений поляризации в поляризаторе н анализаторе при отсутствии напряжения на кристаллическом элементе пропускает весь падающий на него световой поток с спектральным составом, включающим практически весь оптический диапазон. Следовательно, при работе в данной спектральной области один раз установленный фильтр может постоянно находиться в оптическом тракте, не оказывая влияния на другие функциональные применения светового потока.

1 130825!

tS

Улучшение селективных свойств достигается тем, что применяемюй в фильтре срез негиротропный, В известных узкополосных оптических фильтрах на основе двулучепреломпяющего кристаллического среза пропус.кание в центре полосы обусловлено оптической активностью, т,е. гирацией. По этой причине их пропускание зависит от суперпозиции двулучепреломления и оптической активности, что приводит к нежелательному появлению слабых боковых полос. В данном фильтре боко« вые полосы - отсутствуют f фиг. 5 и 6).

Удешевление фильтра достигается как за счет экономии ценного сырья, так и sa счет упрощения технологии изготовления . Действительно, электрическое поле прикладывается к кристаллу вдоль оси,:z и свет проходит путь dg в том же направлении.

Произведение Е йа в представленных ранее выражениях (2) и (3) представляет напряжение 0», приложенное к кристаллу» Поэтому кристаллический элемент может быть вырезан в виде какой угодно тонкой пластины, при

;этом отпадает необходимость в контроле ее толщины, тем саыам упрощается технология изготовления.

I 130825

700 Я ни

ВНИИПИ, Заказ 9607/33

Тираж 496 Подписное

Филиал ППП "Патент", .r. Ужгород. ул. Проектная, 4