Электрооптическое устройство с несколькими
183485
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Сова Советекиа
Социалистических
Ресоублна
Зависимое от авт. свидетельства №
Заявлено 29.Ч11.1965 (№ 1019835/26-24) с присоединением заявки ¹
Приоритет
Опубликовано 17.VI.1966. Бюллетень № 13
Дата опубликования описания 26VIII.1966
Кл 42m, 14
МПК 6 06f
УДК 681.142.07(088.8) комитет со делам иааоретений и открытий срн Совете Министров
СССР
ЗЛЕКТРООПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО С НЕСКОЛЬКИМИ
УСТОЙЧИВЫМИ СОСТОЯНИЯМИ
Известны электрооптические устройства с несколькими устойчивыми состояниями, содержащие оптическую линию задержки, фотоэлектрический преобразователь, СВЧ-усилитель, детектор с интегрирующим звеном и перестраивающийся СВЧ-генератор. В этих устройствах, использованы два модулятора света, что усложняет конструкцию и снижает надежность.
Предложенное устройство отличается от известных тем, что для его упрощения, повышения надежности и увеличения числа устойчивых состояний, в нем оптическая линия задержки содержит отражающее зеркало, установленное вне основной части устройства и полупрозрачное зеркало, установленное под углом 45 между поляроидом и электрооптическим кристаллом светового модулятора.
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — его амплитудно-частотная характеристика.
Устройство содержит электрооптический модулятор 1 с кристаллом 2 Поккельса, помещенным в электрическое поле СВЧ объемного резонатора 8, а также скрещенные николи 4 и 5 (поляроид и анализатор соответственно), оптическую линию задержки б с отражающим зеркалом 7, полупрозрачные зеркала 8 и 9, фотоэлектрический преобразователь 10 (наппимер, фотоэлектронный умножитель), широкополосный СВЧ-усилитель 11 (например, на лампе бегущей волны; ФЭУ и ЛБВ могут быть объединены в единый блок-фото ЛБВ), СВЧ-детектор с интегрирующим звеном 12, 5 управитель частоты 18 и перестраиваемый по частоте СВЧ-генератор 14 (например, на лампе обратной волны типа «0»).
Устройство представляет эквивалентно обобщенный четырехполюсник с немонотонной ам10 плитудной характеристикой (см. фиг. 2) гребенчатого типа. Замыкание его в петлю ооратной связи (что представлено прямой обратной связью) согласно классическому рассмотрению обеспечивает наличие у системы
15 многих устойчивых положений равновесия.
Точками на графиках обозначены области устойчивого равновесия, в каждой пз которых может неограниченно долго находиться прибор (режим его работы). Другие пересече20 ния характеризуют области неустойчивого равновесия в приборе. Каждому устойчивому положению равновесия отвечает определенное значение частоты колебаний СВЧ-генератора 14.
25 Устройство работает следующим образом, Луч света (в общем случае некогерентного и немопохроматического), проходя через поляроид 4, становится линейно поляризованным. Затем после прохождения через полу30 прозрачное зеркало 8 он воздействует на
183485
10
55 — — (6(—
4 4
65 электрооптический модулятор 1, собранный на электрооптическом изотропном кристалле 2
Поккельса и СВЧ объемном резонаторе 8.
Если в резонаторе отсутствуют электрические колебания, то свет проходит через линию задержки б, отражается от зеркала 7, вновь проходит линию задержки и выходит из модулятора 1, оставаясь линейно поляризованным. При этом часть светового потока отражается от полупрозрачного зеркала 8 и воздействует на анализатор, в качестве которого использован скрещенный николь. Как известно, свет, ориентированный поляроидом 4, например, в вертикальной плоскости не проходит через скрещенный николь б, так как последний ориентирует свет в горизонтальной плоскости. На выходе анализатора световой поток отсутствует, если резонатор 8 не возбужден, Так как резонатор 8 связан с СВЧ-генератором 14, то в нем имеются электромагнитные колебания, которые приводят к модуляции света в кристалле 2 по поляризации. Кристалл
2 Поккельса обладает свойством двойного лучепреломления в электрическом продольном поле. При приложении к кристаллу переменного электрического СВЧ-поля световой поток на выходе кристалла для прямой волны, распространяющейся от источника света к зеркалу 7, становится эллиптически поляризованным, т. е. модулируется по поляризации.
Эллиптически поляризованный свет может быть представлен, как известно, суперпозицией двух линейно поляризованных компонент света, электрические векторы которых колеблются во взаимно перпендикулярных направлениях с частотой света, причем характер поляризации зависит от сдвига фаз между этими колебаниями. Если сдвиг фаз равен нулю, то результирующее колебание — это линейно поляризованный свет. Если разность фаз составляет 90, то результирующий свет является поляризованным по кругу (амплитуды компонент считаются одинаковой величины).
При произвольном значении угла разности фаз свет представляется в общем случае эллиптически поляризованным.
Пусть амплитуда напряженности электрического СВЧ-поля такова, что при однократном прохождении линейно поляризованного света через кристалл 2 Поккельса свет на его выходе становится эллиптически поляризованным с углом разности фаз, равным 45, (это условие всегда легко выполнимо). Иначе говоря, вдоль оптической линии задержки б распространяется свет с периодически изменяющимся характером поляризации, причем угол разности фаз б осциллирует в пределах с периодом осцилляции, равным периоду
СВЧ-колебания, действующего в СВЧ-резонаторе 8. Таким образом, модулятор 1 для прямой волны выполняет функцию формирующего устройства т. е. преобразует непрерывный и неизменный по амплитуде световой поток с линейной поляризацией в непрерывный и неизменный IIQ амплитуде (интенсивности) световой поток с периодически изменяющимся характером поляризации.
Поляризационно-модулированная обратная световая волна, распространяющаяся от зеркала 7 к модулятору 1, вновь проходит через модулятор после некоторой задержки т в on2ln тической линии задержки б, равной т=, (2) с где l — конструктивная длина линии (расстояние между модулятором и зеркалом), и — показатель преломления среды, запол15 няющей линию задержки, с — скорость света в вакууме.
В зависимости от соотношения времени задержки в линии б и периода СВЧ-колебаний в резонаторе 8 модулирующее вторичное воздействие модулятора 1 на обратную световую волну может быть различным. Так, если в момент прихода па модулятор волны света, характеризующейся углом 6, равным 45, напряженность электрического поля в кристалле
2 такова, что создает дополнительное лучепреломление на 45, то на выходе модулятора свет имеет разность фаз 90, т. е. имеет круговую поляризацию. Такое совпадение «настройки» модулятора с моментом прихода на него света с углом разности фаз 45 как бы эквивалентно удвоению длины кристалла 2, так как известно, что разность фаз д пропорциональна длине кристалла (при неизменной напряженности электрического управляющего поля), Если в момент поступления на модулятор света с разностью фаз линейно поляризованных компонент эллиптически поляризованного света, равной 45", состояние «настройки» модулятора таково, что создает отрицательное приращение разности фаз на — 45, то выходной световой поток после модулятора линейно поляризован, то есть такой же, как в отсутствие электрического поля в кристалле 2.
Могут быть также другие промежуточные значения результирующего угла сдвига фаз в выходном потоке света, дважды прошедшего модулятор 1.
Важно то, что характер поляризации в выходном световом потоке, дважды прошедшим модулятор, зависит от частоты СВЧ-колебаний в резонаторе 8. Таким образом, световой модулятор 1 для обратной волны света осуществляет функции «поляризационной схемы совпадений», Угол сдвига фаз б для прямой волны света определяется как A — — КАЕосо.оЛ, (3) где К вЂ” постоянная Поккельса; d — длина кристалла 2 Поккельса; Ео — амплитуда напряженности электрического поля в кристалле 2; (i) — круговая частота СВЧ-колебаний в резонаторе 8.
183485
Угол сдвига (дополнительного) фаз 62> для обратной волны света находят с учетом времени задержки в линии б как о(,= "
2 2 (6) Как было указано выше, амплитуда напряженности электрического поля ЕО выбирается так, что 6=45, т. е. имеет место равенство
К 1Ео—
Поэтому на основании выраяения (5) мояно заключить, что результирующая разность фаз б может изменяться по модулю в пределах
О (o». = " cos " (— (8) 2 2 2 в зависимости от угла б<, который, в свою очередь определяется значением частоты а колебаний в резонаторе 3.
Для заданного значения частоты а член
2КЙЕосозц выражает амплитуду угла б „в гыражении (5), следовательно, последняя существенно зависит от частоты колебаний в резонаторе.
Как извесгно, при наличии скрещенных николей 4 и б интенсивность выходного света (после николя б) достигает максимума при условии, что 6 = —, или минимальна, если
4 =О. Таким образом, условия максимума и минимума выходной интенсивности света могут быть записаны в следующей форме:!
0) — max -- = 2-,.n, г (9) ! . »- 2n+1 — — min — = —, (10) ! о 2 2 где и = 1, 2, 3, ... — целое число, 1 — интенсивность выходного света (после никочя б)
I44 — интенсивность облучения (до николя
4).
Световой поток, промодулированный по амплитуде колебаниями СВЧ, амплитуда которого существенно зависит от частоты модулирующих СВЧ-колебаний, преобразуется в фотоэлектрическом преобразователе в соответствующей величины электрическое напряжение
U(t), равно U(t) =ql„cos cosset, (11) б =КО!E Тогда суммарный сдвиг фаз линейно поляризованных компонент эллиптически поляризованного света на выходе модулятора (после его двойного прохождения светом), обозначаемый как б, равен 62 =Ь +Ь2 — — 2КЙЕосоыр. cos (со1+ cp), (5) где угол р определяется задержкой т как и представляющее СВЧ-колебание с частотнозависимой амплитудой. Коэффициент г1 выражает степень преобразования световой энергии в электрическую в фотоэлектрическо I 5 преобразователе. СВЧ-колебание с выхода фотоэлектрического преобразователя 10 усиливается затем в широкополосном СВЧ-усилителе 11 (если это необходимо) и детектируется в детекторе 12, 10 работающем, например, в режиме квадратичного детектирования. Выход (нагрузка) детектора связан с интегрирующим звеном, усредняющим значение продетектирова нного сигнала. Полученное значение напряжения 15 U„, является управляющим для работы управителя частоты 18 и равно 2ш ° - = -"Х " "" = "" "" — г. 2о где К,, — коэффициент усиления в усилителе 11 по напряжению, 25 К д — коэффициент детектирования в детекторе 12. U„„— наибольшее возможное значение управляющего напряжения. Из выражения (12) непосредственно следует, 30 что управля.ощее напряжение U>,„ïðåäñòàâляст собой немонотонную функцию (см, фиг. 2) гребенчатого типа, аргументом которой является частота колебаний о в резонаторе 8 (при постоянном значении времени задержки 35 т в линии б). Управляюшее напряжение воздействует на управитель частоты 1З и приводит к изменению частоты генерируемых в СВЧ-генераторе И колебаний, например, по закону; 40 = а,.„ь,(1 + aU „„), (13) где со — текущее значение частоты колебaний СВЧ генератора 14, ж,.„;„ — минимальное значен е частоты, 45 получаемое при U,,„ð — — О, а — некоторый постоянйый коэффициент, имеющий смысл крутизны преобразования управляющего напряжения в частоту колебаний. 50 Графически выражение (13) представляется в форме прямой обратной связи на фиг. 2. На основании выражений (12) и (13) можно записать уравнение » =в„„„ l + aU„,„„ños — ) (14) В качестве неизвестного в данном уравнении выступает частота о. Уравнения типа (14) gp легко решаются графическим методом (см. фиг. 2): в точках пересечения двух графиков (12) и (13) находятся корни уравнения (14). На основании классических представлений о построении многоустойчивых элементов и 65 систем замыкание в цепь обратной связи че183485 (15) Составитель В. А. Субботин Редактор Л. А. Утехина Техред A. А. Камышиикова Корректор М. П. Ромашова Заказ 2426/19 Тираж 1075 Формат бум. 60;х,901/з Объем 0,44 изд. л. Подписное ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР Москва, Центр, пр. Серова, д. 4 Типография, пр. Сапунова, 2 тырехполюсника с пемопотонной амплитудной (амплитудно-частотной) характеристикой гребенчатой формы приводит к многоустойчивому режиму работы системы авторегулирования. Устойчивыми будут те положения равновесия (число их равно числу корней уравнения (14), то есть равно числу пересечений графиков функций на фиг. 2), которые образованы пересечениями графиков соответствующих функций в точках (отмечены на фиг. 2), в которых соответствующие функции имеют производные разных знаков. Таким образом, число устойчивых состояний равновесия, которое может быть реализовано в системе, равно числу «горбов» немонотонной характеристики четырехполюсника (обобщенного). Как следует из выражения (9), определяющего максимум немонотонной амплитудно-частотной характеристики,четырехполюсника, увеличение числа устойчивых состояний равновесия возможно при увеличении времени задержки в линии б, так как —: П,, Т где Т вЂ” период колебаний в СВЧ-резонаторе 8. При этом имеется в виду, что такое увеличение числа устойчивых состояний равновесия в приборе достигается при одном и том же значении перекрытия по частоте генерируемых генератором 14 колебаний, то есть и при одной и той 2ке величине отноше ия максималь5 но генерируемой частоты СВЧ-колебаний к минимальной (это перекрытие обычно определяется параметрами применяемого СВЧ-генератора, оно максимально в случае применения генераторов на лампах обратной волны типа 10 «0») . Предмет изобретения Электрооптическое устройство с несколькими устойчивыми состояниями, содержащее 15 электрооптический модулятор света, оптическую линию задержки, фотоэлектрический преобразователь, СВЧ-усилитель, детектор с интегрирующим звеном, устройство управления частотой и перестраиваемый СВЧ-генера20 тор, отличапщееся тем, что, с целью упрощения, повышения надежности и увеличения числа устойчивых состояний, в нем оптическая линия задержки содержит отражающее зеркало, установленное вне основной части уст25 ройства, а также полупрозрачное зеркало, установленное под углом 45 между поляроидом и электрооптическим кристаллом светового модулятора.
