Фокусирующий элемент

 

Использование: в квантовой электронике для создания оптических систем с безинерционным управлением сфокусированным излучением. Сущность: элемент выполнен1 из нелинейного одноосного кристалла 1 с оптической осью OZ, перпендикулярной оси 7 элемента: на перпендикулярных оптической оси гранях 4,5 элемента нанесены электроды 6, подключенные к дополнительно введенному источнику питания 8, разделяющие кристалл на зоны К 1,2,3..., причем профиль электродов в пределах каждой зоны образован соответствующей данной зоне частью параболы, Ьпе3гззЕ const, где пе - необыкновенный показатель преломления кристалла, ъг - электрооптический коэффициент, Ј - напряженность электрического поля в кристалле, b - фокусное расстояние, а расстояния от краев зон до фокуса отличаются на целое число длин волн. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 02 F 1/29

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4807188/25 (22) 29.03,90 (46) 28.02.93. Бюл. М 8 (71) Московский институт радиотехники, радиоэлектроники и автоматики (72) В.В.Груздев, А,С.Маркин,- Ю.И,Туснов и

В.И. Рябен ков (56) Заявка Японии N 60-35667, кл. G,03 Н

1/08, 1985.

Заявка Франции N - 2585854, кл. G 02 F

1/19, 1987. (54) ФОКУСИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ . (57) Использование: в квантовой электронике для создания оптических систем с безинерционным управлением сфокусированным излучением. Сущность: элемент выполнен из

„„. Ж „„1798758 А1 нелинейного одноосного кристалла 1 с оптической осью OZ, перпендикулярной оси 7 элемента; на перпендикулярных оптической оси гранях 4,5 элемента нанесены электроды 6, подключенные к дополнительно введенному источнику питания 8, разделяющие кристалл на зоны К = 1,2,3..., причем профиль электродов в пределах каждой зоны образован соответствующей данной зоне частью параболы, у2/х = bn< Г33Е = сопэт, 3 где п — необыкновенный показатель преломления кристалла, Ig3 — электрооптический коэффициент, 1= — напряженность электрического поля в кристалле. Ь вЂ” фокусное расстояние, а расстояния от краев зон до фокуса отличаются на целое число длин волн, 4 ил, 1798758

Изобретение относится к области квантовой электроники и оптическому приборостроению и может быть использована для создания оптических систем с безынерционным управлением сфокусированным излучением, например, информационно-сканирующих систем.

Целью изобретения является улучшение устройства и обеспечение дискретного управления фокусным расстоянием для линейно- 10 поляризованного излучения.

На фиг.1 приведена электрооптическая схема фокусирующего элемента, На фиг.2 изображено сечение элемента плоскостью

ХОУ. На фиг.3 изображен ход лучей в пределах одной из зан. На фиг,4 изображен принцип формирования профилей электродов B зонах.

Элемент состоит из нелинейного одно20 оснога кристалла 1, с оптической осью OZ

Параллельный пучок излучения, направленный вдоль оси ОХ, падает на входную грань

2 кристалла 1, 3 — выходная грань, 4,5— боковые грани, на которых нанесены профилированные электроды 6. Ось ОХ совпадает 25 с осью 7 фокусирующего элемента. Ось OZ перпендикулярна боковым граням 4,5 кристалла, d — длина элемента, совпадающая с максимальной глубиной профиля электрода, Излучение фокусируется в отрезок пря- 30 мой ВВ. Источник питания 8 подключен к электродам на верхней 4 и нижней 5 боковых гранях кристалла 1.

Зоны, на которые кристалл разбивается в результате размещения электродов на его 35 гранях обозначены на фиг,2, как k = 1— центральная или первая зона, k = 2 — вторая эона и т.д. Распола>кение зон симметрично относительно оси ОХ, Расстояние от выходной грани кристал- 40 ла вдоль направления OX да точки В, т.е, фокусное расстояние обозначено b, Направления 9 10, 11 указывают хад лучей от . внешних границ первых трех зон соответственно, 45

Нелинейный кристалл для фокусирующего элемента выбран одноосным, сохраня1ощим свою однаосность и при нала>кении вдоль его оптической оси электрического поля, Кристалл вырезан параллельно своей 50 оптической оси в виде прямоугольной плаСтины Длиной d.

Электроды, нанесенные на верхней и нижней боковых гранях, имеют профиль, изменяющийся па закону 55

Р 3 bnе ГззЕ = сапзт, х

Это соотношение может быть получено из условия фокусировки, т.е. постоянства д=Х (4) для не слишком больших по сравнению с b значениях координаты у. Это увеличение оптической длины пути луча 13 по сравнению с 12 может быть скомпенсировано за счет уменьшения показателя преломления на некотором участке пластины длиной X на величину Апе при помощи электрического поля, приложенного вдоль оптической оси кристалла (ось OZ). Следуя обозначениям фиг.3, условие равенства оптических длин пути лучей 12 и 13, можно записать в виде, х(пе- A ne)+(d-x)ne+b+ Л =пе(1+Ь, (5) которое с учетом (4) приводится к виду

=2Ь Ь пе. (6)

Это соотношение и определяет форму электродов, которые нужно нанести на грани пластины, перпендикулярные оси OZ.

В однаасных кристаллах для необыкновенной волны

Лпе = — ne гззЕ. з

2 (7) Тогда (6) можно записать в виде з ; = Ьпе гззЕ = const . (1)

При неизменной форме электродов величина bne гззЕ должна оставаться постоянз ной и, следовательно, при уменьшении, например, напряженности поля Е будет соответственно увеличиваться фокусное расстояние Ь. оптической длины пути лучей, падающих на входную грань в пределах одной зоны до фокуса.

Пусть на пластину из одноосного кристалла, вырезанную параллельно его оптической оси, падает плоская линейно-поляризованная монохроматическая волна вдоль направления, перпендикулярного его оптической оси (фиг.3). Луч 12 . идет вдоль аси ОХ (ось факусирующего элемента), луч 13 идет в кристалле параллельно лучу 12 на расстоянии у от него в пределах этой же зоны. Для того, чтобы плоская волна фокусировалась на расстоянии Ь от выходной грани пластины, необходимо, чтобы оптические длины пути лучей 12 и 13 от плоскости X = О до фокуса были бы одинаковы. На фиг.3 видно, что луч 13 в воздухе проходит путь больший на величину h,, которая, как это следует из геометрических соображений, равна

1798758

Как видно из (1), профиль электродов имеет вид параболы. Для того, чтобы элемент был плоским и достаточно тонким, профили электродов в каждой зоне должны представлять собой части этой параболы, . которые образованы рассечением ее отрезками прямых, параллельных оси OY и отстоящих друг от друга на расстоянии d, и перенесенных параллельно самим себе в плоскость Х = 0 {фиг.4).

Из (1) также видно, что использовать следует лучи с необыкновенной поляризацией. Это ограничение введено, так как использование нелинейных свойств кристалла для необыкновенной волны увеличивает фокусирующие свойства элемента и позволяет обеспечивать работоспособность устройства при легко достижимых значениях напряженности электрического поля в кристалле { -10 В/см и менее}. Для

4 обыкновенной волны эффект проявляется, но значительно слабее.

При данной толщине кристалла d за счет электрооптического эффекта в нем может быть скомпенсирована максимальная оптическая разность хода, равна

Л max = d Л пе = d — neI33E.

Максимальная разность хода должна быть кратна целому числу длин волн Алахd Лпе

= m 1, откуда m = — а —, тде m — целое число, На фиг.2 видно, что длл обеспечения работоспособности, внешняя граница k-й зоны должна находиться на расстоянии b+k m Л,от точки В. Таким образом, расстояние от В до краев соседних зон отличаетсл на постоянную величину, равную m Л, Например, на фиг.2 длл 3-ей зоны это расстояние

Равно Ь+ Згп Лили Ь + — пе гззбЕ.

3 з

Координата Ук внешней границы k-й зоны может быть определена (см.фиг,2) из (Ь + — k d пе Г33 Е ) — Ь

2 или для не слишком больших номеров зон k ук =mob l< m A. =

Фактически значение Ух определяет радиус соответствующей зоны. Сравнение этого выражения с известной формулой для ра и са классических зон Френеля (rK =

= )< Л } показывает, что радиусы зон в предлагаемом устройстве в у2 m больше, чем в прототипе, Толщина кристалла d определяет максимальную глубину профиля электродов.

Ширина кристалла (размер по OZ) ограничивается величиной реально достижимого уп5 равляющего напряжения на электродах, а также возможностью искажения однородности электрического поля за счет краевых эффектов. Последнее обстоятельство может быть сведено к минимуму при выборе шири10 ны кристалла соизмеримой с размером наиболее удаленной от оси элемента зоны, кстати, ширина кристалла определяет длину отрезка 88 . в которой фиксируется иэлучеI ние., 15 Фактически форма (профиль) электрода в пределах каждой зоны определяется параметром

Х = 2Ь елпе.

20 (10)

Так как Ane — пе гззЕ. то з

=Ьп гззЕ, т.е. g определяется произведе25 нием Ь Е.

Таким образом, при неизменной форме электродов (у = const), с уменьшением Е будет соответственно возрастать Ь. При Е =

=0 Ь - со, т,е. кристалл в этом случае рабо30 тает как обычная плоскопараллельная пластина. Параметр p вычисляется и фокусирующий элемент рассчитывается для максимально достижимой в устройстве напряженности электрического поля Emax, при

35 этом b = Ьвах. Очевидно, что условие равенства оптической разности хода лучей целому числу длин волн будет выполнятьсл не для всех значений напряженности поля Е, а только для ряда дискретных

Е =. Евах - Л E где i = 1,2,3„... а Л E — шаг с которым должна уменьшаться напряженность, чтобы выпол45 нялись условия фокусировки.

При этом фокусное расстояние будет изменяться также дискретно

Евах

gp

Таким образом, s пределах О < Е < Евах имеется возможность дискретного управления фокусным расстоянием при неизмен55 ной форме электродов.

Устройство работает следующим образом. Линейнополяризованная монохроматическая волна падает на входную грань кристалла и при наличии электрического по1798758 ля между электродами фокусируется в отрезок прямой ВВ, находящейся на расстоянии b от выходной грани. При отсутствии напряжения на электродах излучение прохОдит через кристалл параллельным пучком, При уменьшении напряжения на электродах вновь будет наблюдаться фокусировка излучения на больших, чем bmin расстояниях от выходной грани.

Таким образом, осуществляется управление сфокусированным излучением в результате изменения электрического поля в нелинейном кристалле.

Реализовано устройство со следующими параметрами, В качестве нелинейного кристалла выбран кристалл ниобата бария стронция НБС (Вао,25Яго,75МЬ205) с электрооптическим коэффициентом гзз = 1,43 10 7 см/В. Размеры кристалла по ОХ вЂ” 5 мм, по

OY — 36 мм, no OZ — 5 мм. Фокусирующее действие элемента наблюдалось для параллельного пучка когерентного излучения с длиной волны 0,63 мкм. Источником питания в кристалле создавалось электрическое поле напряженностью < 104 В/см, При этом параметр у= 1,5 10 bmtn, т;е. для bmln

= 1 м 1 = 1,5 10 . Соответственно уравне-2 ние для профиля электродов:

x= — у= у

1 г

1,5 10

Максимальная оптическая разность. хода, выраженная в длинах волн, которая компенсировалась в кристалле НБС при Emax =

=10 В/см гп-"70, Радиус 1-й зоны составлял

r> = 9,4 мм, радиус последней 30-ой эоны гзо

= 51,4 мм. Для сравнения укажем, что в про. тотипе r> = 0,5 мкм, d = 0,6 мкм. Таким образом, радиусы зон в предлагаемом устройстве в 12 раз больше радиусов зон в прототипе, а максимальная глубина профиля электрода в 10 больше глубины профиля прототипа.

При этих параметрах устройство позволило фокусировать излучение в отрезок прямой в пределах от bmin = 1 и до оо .

Использование в данном устройстве в качестве фокусирующего элемента кристалла с электрооптическим эффектом и создания в нем электрического поля специальной конфигурации, обеспеченное предложенной формой электродов и выбором соответствующих параметров устройства, выгодно отличает предлагаемое устройство от прототипа, так как в предлагаемом устройстве, во-первых, увеличены габаритные размеры зон, что позволило значительно упростить технологию его изготовления, и, в частно5

50 сти, реализовать плавное, а не ступенчатое, как в обычных фокусаторах, изменение оптической толщины в пределах каждой зоны, во-вторых, решена задача управления положением сфокусированного излучения в пространстве.

Предлагаемое устройство сравнительно несложно в изготовлении. так как операции по расчету и нанесению электродов на кристалл могут быть выполнены с использованием стандартного компьютерного и фотолитографического оборудования, и имеет высокие эксплуата цион н ые качества.

Оно может быть использовано для оптической локации и связи, создания современных информационно-сканирующих систем, в оптическом приборостроении.

Экономический эффект может быть получен как при изготовлении предлагаемого устройства за счет его упрощения по сравнению с прототипом, так и при его использовании, за счет расширения функциональных возмо>кностей в части обеспечения безынерционного управления фокусным расстоянием. Определить экономический эффект представляется возмо>кным лишь в конкретном применении устройства.

Формула изобретения

Фокусирующий элемент, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда из оптически прозрачного материала с симметрично расположенными относительно оси элемента зонами переменной оптической толщины, величина которой при переходе от одной зоны к другой изменяется скачком, отличающийся тем, что, с целью упрощения элемента и обеспечения дискретного управления фокусным расстоянием для линейно поляризованного излучения, в него дополнительно введен источник питания, в качестве материала использован нелинейный одноосный кристалл, оптическая ось которого перпендикулярна оси элемента, на перпендикулярных оптической оси кристалла гранях элемента нанесены электроды, подключенные к источнику питания, разделяющие кристалл на зоны, причем профиль электродов в пределах каждой эоны образован соответствующей данной зоне частью параболь1

/x = Ьпе ГззЕ = соп$

2 3 где и, — необыкновенный показатель преломления кристалла; гзз — электрооптический коэффициент;

Š— напряженность электрического поля в кристалле; b — фокусное расстояние, отсчитываемое от выходной грани кристалла, а внешняя граница каждой зоны отстоит от фокуса на расстоянии, равном

1798758

Ь + — l(dAe гззЕ

1 з

2 где d — длина элемента

k — номер зоны.

1798758

Составитель В.Груздев

Техред М.Моргентал . Корректор Н.Милюкова

Редактор Н.Козлова.

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 771 Тираж Подиисное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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