Модулятор поляризации света

 

Изобретение относится к технике оптических измерений и может быть использовано в оптроэлектронных и фотоэлектронных устройствах, а также в прецизионной спектроскопии . Сущность: модулятор поляризации света содержит поляризатор и последовательно соединенный с ним электрооптический кристалл в виде четырехугольной призмы, вырезанный под углом 90° к оптической оси (оси Z), т.е. кристалл Z-среза. Основания призмы являются входной и выходной гранями кристалла. Из двух пар боковых граней одна пара граней снабжена электродами для подачи модулирующего напряжения. Входная грань кристалла выполнена ориентированной под углом а, к его оптической оси, определяемым из условия 0 а 5 90° arctg т-. Для дополнительного уменьшения ПАМ две противоположные боковые грани призмы, снабженные электродами, выполняют не параллельными , а скошенными. При этом угол /3 между этими гранями выбирают из соотЈ ношения 2 arcsin -i, f в 180°. Две друнт гие противоположные грани при этом остаются параллельными. 1 ил, Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s G 02 Е 1/03

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4808036/25 (22) 02.04.90 (46) 23.12,92. Бюл, ¹ 47 (71) Институт прикладной физики АН СССР (72) М. А. Новиков и А. Ю. Лукьянов (56) Whlttaker Е. А.. Gehrtz М., Bjorklund G. С.

Residual amplitude modulation in laSer

electro-optic phase modulation. — J. Opt,$ос.

Am. В/vol, 2, ¹ 8 1985, 1320, Веллюз Л., Легран M., Грожан M. Оптический круговой дихроизм. — M,: Мир, 1967, с. 83. (54) МОДУЛЯТОР ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА (57) Изобретение относится к технике оптических измерений и может быть использовано в оптроэлектронных и фотоэлектронных устройствах, а также в прецизионной спектроскопии. Сущность. модулятор поляризации света содержит поляризатор и последовательно соединенный с ним электрооптический кристалл в виде четырехИзобретение относится к технике оптических измерений и может быть использовано в оптоэлектронных и фотоэлектронных устройствах, а также в прецизионной спектроскопии, Известен модулятор фазы света, содержащий последовательно соединенные поляризатор и электрооптический кристалл в вида кристаллической пластины, вырезанной вдоль оптической оси и снабженной электродами для подачи модулирующего напряжения.

При применении этого модулятора фазы в цитируемой работе в качестве источника света использован лазер, обладающий свойствами, необходимыми для увеличения.. Ж „1783463 А1 угольной призмы, вырезанный под углом

90 к оптической оси (оси 2), т.е, кристалл

Z-среза. Основания призмы являются входной и выходной гранями кристалла. Из двух пар боковых граней одйа пара граней снабжена электродами для подачи модулирующего напряжения. Входная грань кристалла выполнена ориентированной под углом а к его оптической оси, определяемым из условия О< а < 90 arctg, Для дополнительо ного уменьшения ПАМ две противоположные боковые грани призмы, снабженные электродами, выполняют не параллельными, а скошенными, При этом угол

/3 между этими гранями выбирают из соотношения 2 arcsin —" а 5Р <180 . Две дру4f Ьл гие противоположные грани при этом остаются параллельными, 1 ил. точности и чувствительности измерений, Однако ожидаемого эффекта не получилось, из-За появления параэитной амплитудной модуляции (ПАМ), которая значительно снизила точность и чувствительность проводимых исследований, Кроме того, конструктивное выполнение данного элект. рооптического кристалла не позволяет использовать этот модулятор фазы в качестве модулятора поляризации света.

Поэтому в качестве прототипа выбран модулятор поляризации света как наиболее близкий по технической сущности.

Известный модулятор поляризации света содержит последовательно установленные поляризатор в виде поляризационнпй

1783463 призмы Рошона и электрооптический кристалл в виде кристаллической пластинки среза с электродами для подачи модулирующего напряжения. В данной конструкции электроды выполнены в виде слоев про- 5 зрачной жидкости (глицерина), нанесенных на обе (входную и выходную) поверхности кристаллической пластины между самой кристаллической пластиной и двумя дополнительными стеклянными пластинками, 10

При использовании данного модулятора поляризации света также возникает паразитная амплитудная модуляция. Это связано с рассеянием модулируемого света на решетках собственных колебаний электро- 15 оптического кристалла: акустической и оптической. Появление акустической решетки связано с тем, что электрооптический кристалл является пьезоэлектриком, a появление оптической решетки — с тем, что 20 кристалл Z-среза является-к тому"же и резонатором Фабри-Перо.

Таким образом, недостатком вышеописанного модулятора поляризации света является высокий уровень ПАМ, что сущест- 25 венно снижает чувствительность и точность проводимых с помощью этого устройства измерений, а также возможности спектро- .. скопии.

Целью предлагаемого изобре ения яв- 30 ляется уменьшение амплитудной паразитной модуляции, обусловленной вышеопи- санйыми причинами.

Поставленная цель достигается тем, что в модуля торе поляризации света, содержа- 35 щем электрооптический кристалл Z-среза и электроды для подачи модулирувщего напряжения с частотой f, установленные на двух противоположных гранях электрооптического кристалла, согласно изобретению 40 электрооптический кристалл выполнен в виде четырехугольной призмы, основания которой являются входной и выходной гранями кристалла, при этом входная грань

" кристалла выполнена под углом а к его 45 оптической оси, выбираемым из условия

0«90-arctg т-, где в-диаметр-пучка о света в кристалле, а L — длина пучка света в кристалле.. 50

Целесообразно призму электрооптического кристалла выполнить усеченной по противоположным боковым граням, снабженным электродами. при этом угол фмежду этими боковыми гранями, снаб- 55 женными электродами, связан с частотой

f модулирующего напряжения соотношением P2arcsln @ — — —, где L» — длина элекСзе

ЖЬл тродов, Can — скорость звука в электрооптическом кристалле.

Выполнение входной грани призмы электрооптического кристалла под углом а к его оптической оси, выбираемым из услоо oj вия 0«90 -arctg -, позволяет существенно уменьшить flAM, обусловленную рассеянием модулирующего света на рещетках собственных колебаний электрооптического кристалла, Это связано с тем, что такое выполнение кристалла позволяет развести переотраженные в кристалле пучки света и избавиться таким образом, от решетки собственных оптических колебаний, при этом частично разрушается и решетка собственных акустических колебаний из-за увеличения краевых эффектов, умейьшающих объем; занятый акустической решеткой.

Максимальный угол t2Mggg наклона . входной грани к оптическ6й оси кристалла, при котором еще происходит разведение переотражейных в кристалле пучков света вычисляется из условия их неперекрытия на выходной грани кристалла и рэвен:

Смаке=90 — а гс19 о

При уменьшении угла а < а +QK4 разведение переотраженных в кристалле пучков увеличивается, однако при этом уменьшается полезный объем кристалла. Поэтому, хотя теоретически угол а может меняться в пределах О< e < O макс, но ня практике угол а целесообразно выбирать вблизи ам><с. Угол Q не может быть равен 0 из геометрии кристалла, так как в этом случае кристалл вырождается в плоскость..

Выполнение угла Р между двумя боковыми противоположными снабженйыми электродами гранями усеченной призмы, удовлет.воряющим условию

2агсз1л — P<180, приводит к дополCse о

4f Ьд нительному уменьшению ПАМ, обусловлен-... ной рассеянием модулируемого света на решетке собственных акустических колеба.ний кристалла. Минимальный угол P и, вычисляется из условия резонанса на одном из концов кристалла (d>=, где d< — попереч-.

Л ный размер кристалла на одном из концов кристалла, Л вЂ” длина волны собственных акустических колебаний), при выполнении условия антирезонанса на другом конце

:Л кристалла (б2= g, где dz — поперечный размер кристалла на другом конце), используя известную формулу f Л =-Сзо. PMgq оказа1783463 лось равным 2arcsin — —. При увеличении

Сзв -эл угла )3 число зон антирезонанса в объеме кристалла увеличивается, соответственно уменьшается объем, занятый решеткой собственных акустических колебаний, следовательно, уменьшается и ПАМ.

Однако увеличение угла Р требует для обеспечения модуляции света увеличения амплитуды прикладываемого к электродам модулирующего напряжения, что не всегда осуществимо и ограничивает на практике угол Р сверху величиной порядка Щн значительно меньшей теоретического предела, равного 180О. Угол Р не может быть равен

180 из геометрии кристалла.

Выполнение зле ктрооптич еского кристалла в модуляторе поляризации света указанным образом устраняет решетки собственных колебаний кристалла, а следовательно, снижает величину паразитной амплитудной модуляции, что значительно повышает точность и чувствительность проводимых измерений, существенно расширяет возможности применения модуляционного метода спектроскопии. Сам процесс модуляции поляризации света в предлагаемом модуляторе осуществляется, как и в известных модуляторах поляризации, работающих на основе электрооптического эффекта. При наложении на злектрооптический кристалл переменного модулирующего напряжения в кристалле возникает наведенное двулучепреломление и нормальные волны приобретают разность набега фаз, что обеспечивает модуляцию проходящего света по поляризации в соответствии с приложенным напряжением, На чертеже изображена схема модулятора поляризации света.

Устройство содержит поляризатор 1 и последовательно соединенный с ним электрооптический кристалл 2 в виде четырехугольной призмы, вырезанный под углом

90 к оптической оси 3 (оси Z), т.е, кристалл

Z-среза, Основания призмы являются входной. гранью 4 и выходной гранью 5 кристалла. Из двух пар боковых граней 6, 7, 8 (четвертая боковая грань на чертеже йе видна) одна пара граней, например, 6 и 7 снабжена электродами 9 и 10 для подачи модулирующего напряжения.

Входная грань 4 кристалла 2 выполйена ориентированной под углом а к его оптической оси 3, определяемым из условия О< а< 90 -агссд т-, Целесообразно для дополо нительного уменьшения ПАМ две противоположные боковые грани 6 и T призмы, снабженные электродами 9 и 10,выполнить

20 не параллельными, а скошенными, При этом угол Р между этими гранями 6 и 7 выбирается из соотношения;

< Р <180о -эл

25 Две другие противоположные грани 8 при этом остаются параллельными.

В конкретной реализации устройства электрооптический кристалл 2 выполнен в виде четырехугольной усеченной призмы из

30 ниобата лития (LfNbOa). и имеет следующие параметры: угол а =674-1О, угол p = 2О - 30 при длине электродов 9, 10 Ьл=50+1 мм.

Поляризатор 1 представляет собой призмы

Рош она.

35 Устройство работает следующим образом.

Прошедший через поляризатор 1 свет падает на входную грань 4 электрооптического кристалла 2. Преломлейный свет рас40 пространяется вдоль оптйческой оси 3 кристалла 2 и разделяется на выходной грани 5 на два пучка. Первый из которых (основной) выходит через грань 5 наружу, а второй отражается от грани 5 обратно в кристалл и попадает на входную грань 4, от которой . отражается вторично. При этом поскольку входная грань 4 выполнена под углом а <

<а к оптической оси кристалла, то при вторичном отражении от нее второй пучок распространяется внутри кристалла и затем по выходе из кристалла таким образом, что первый пучок и второй пучок в пространстве вне кристалла оказываются разошедшимися и при наложении на Ълектроойтический

55. кристалл переменного напряжения не взаимодействуют, что исключает появление

flAM за счет рассеяния на решетке собственных оптических колебаний. Выполнение входной грани 4 под углом а к осй 3 уменьшает также flAM, обусловленную рассеянием проходящего пучка света на решетке собственных акустических колебаний, что обеспечивается увелйчением краевых эф фектов, уменьшающих объем; занятый этой акустйческой решеткой. Выполнение входной грани 4, к оптической оси 3 под углом, большим, чем и л, приводит к появлению решетки собственных оптических колебаний и появлению ПАМ.

Дополнительное уменьшение flAM, обусловленной рассеянием на решетке собственных акустических колебаний, достигается за счет скашивания граней 6, 7 призмы, снабженных электродами 9, 10 на определенный угол,8, указанный в формуле изобретения; что позволяет в кристалле 2 дополнительно уменьшить объем, занятый

1783463

Составитель А. Лукьянов

Техред М,Моргентал Корректор А. Коэориэ

Редактор

Заказ 4514 Тираж Подписное

ВВИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 решеткой собственных акустических колебаний.

Формула изобретения

1. Модулятор поляризации света, содержащий электрооптический кристалл 2-среза и электроды для подачи модулирующего напряжения с частотой f, установленные на двух боковых противоположных гранях электрооптического кристалла, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью уменьшения параэитной амплитудной модуляции, электрооптический кристалл выполнен в виде четырехугольной призмы, основания которой являются входной и выходной гранями кристалла, при этом входная грань кристалла выполнена под углом а к его оптической оси, выбираемым из условия о й) а 90 -arctg +, где в- диаметр пучка света в кристалле, а L — длина пучка света в кристалле.

5 2. Модулятор по и. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что призма электрооптического кристалла выполнена усеченной по противоположным боковым граням, снабженным электродами, при этом угол j3 между эти10 ми боковыми гранями, снабженными электродами, связан с частотой f модулирующего напряжения соотношением

jt> агсз{п -П."-, где { зл длина электроСзв

4П-зл

15 дов, Сзв — скорость звука в электрооптическом кристалле,