Способ модуляции света и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к магнитоэлектронике, в частности к управлению интенсивностью электромагнитного излучения. Сущность изобретения: свет проходит через поляризатор, магнетик, анализатор. Магнетик находится в переменном магнитном поле, направленном вдоль плоскости под углом 45° к плоскости поляризации поляризатора и перпендикулярно потоку света. Использован магнетик, обладающий вращением плоскости поляризации линейно поляризованного света в геометрии Фохта, например Hg Cr₂Se₄. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к магнитоэлектронике, в частности к управлению интенсивностью электромагнитного излучения, и может быть использовано в системах оптической связи, оптоэлектронике, квантовой электронике.

Известны магнитооптические (МО) способы модуляции электромагнитного излучения. В основе способа модуляции с использованием эффекта Фарадея [1] лежит прохождение потока света через систему поляризатор - МО-вещество, находящееся в модулирующем магнитом поле, - анализатор и вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света намагниченным МО-веществом, причем модулирующее магнитное поле направлено вдоль распространения света, а поляризатор и анализатор находятся либо в скрещенном состоянии, либо под углом 45^о. Недостатком этого способа является большая величина намагничивающего поля в случае тонких образцов вследствие большого значения размагничивающего фактора. Это приводит к энергетическим потерям. При модуляции по тока света в условиях, когда угол между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора равен 45^о, необходимо постоянно менять направление магнитного поля. Намагничивающая катушка непрерывно находится под действием электрического тока, что приводит к большому джоулеву нагреву источника модулирующего магнитного поля и МО-вещества, а следовательно, к увеличению энергопотерь и нестабильности глубины модуляции (m)(так, нагрев Y₃Fe₅O₁₂ от 300 до 350 К уменьшает эффект на 10%).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ модуляции потока света ИК-диапазона с использованием эффекта Коттон-Мутона, иначе называемого эффектом Фохта, выбранный за прототип [2], основанный на магнитном линейном двулучепреломлении излучения при прохождении через систему поляризатор - ферро- или ферримагнитное вещество, помещенное в постоянное Но и переменное Нrf магнитные поля, - фазосдвигающая пластина λ /4 ( λ - длина волны потока света) - анализатор. Причем Но и Hrf расположены перпендикулярно друг другу и к направлению распространения света, а ферромагнитное вещество расположено осью легкой намагниченности по направлению постоянного магнитного поля перпендикулярно распространению потока света, проходящего через кристалл. Плоскость поляризации линейно поляризованного света, падающего на кристалл, повернута на 45^о к направлению Но. При прохождении света через МО-среду он разлагается на две волны. Магнитное линейное двулучепреломление выражается разностью фаз (Ф) между двумя линейно поляризованными волнами, соответственно параллельной и перпендикулярной направлению постоянного магнитного пол, достаточного для насыщения доменов в кристалле. При этом считают незначительный эффект магнитного линейного дихроизма, т. е. не учитывается поглощение света веществом. Переменное магнитное поле создает малую осцилляцию намагниченности и, как следствие, осцилляцию фазового угла Δ Ф. Поляризатор и анализатор находятся в скрещенном состоянии. Без учета поглощения интенсивность прошедшего через анализатор потока света Δ Y имеет ту же модуляцию, что и Δ Ф. Величина изменения интенсивности света зависит от толщины кристалла, длины волны падающего излучения, значения фазового угла при разных направлениях кристаллографических осей по отношению к Но и Hrf, температуры, природы кристалла, от кристаллографической плоскости, на которую падает поток света, величины постоянного и переменного магнитных полей и определяется выражением ΔY = Y_o/2 (sin Δ Ф(t)), (1) где Y_о - интенсивность падающего на поляризатор света. Максимальная величина глубины модуляции, найденная данным способом, получена для монокристалла TbIG толщиной 1 см и равна 7%.

В способе-прототипе для модуляции потока света необходимы две операции: приложение постоянного магнитного поля для насыщения доменов в МО-среде и перпендикулярного ему переменного магнитного поля для модуляции фазового угла Ф. Это усложняет процесс модуляции и увеличивает энергозатраты. Кроме того, способ-прототип не может быть применен в среднем ИК-диапазоне, так как максимум эффекта Коттон-Мутона соответствует пику межзонного перехода (видимая и ближняя ИК-область света) и уменьшается с увеличением длины волны света. Одновременно в области межзонного перехода оптические потери максимально велики вследствие максимального поглощения ( α = 10⁵ см^-1), что приводит к малым значением пропускания всей оптической системы (<1%), а следовательно, малым значениям оптического КПД ( η ).

Небольшая величина глубины модуляции связана с изменением фазового угла вследствие эффекта Фохта. Использование этого эффекта для модуляции оптического излучения не является перспективным [1].

Для реализации способа МО-модуляции света известны различные устройства, работающие на основе эффекта Фарадея [1]. Устройство состоит из поляризатора МО-среды, помещенной в намагничивающую катушку, и анализатора. Переменный ток, протекающий в обмотке катушки, создает магнитное поле вдоль направления распространения света и перемагничивает МО-вещество, что приводит к изменению угла вращения плоскости поляризации света, прошедшего через МО-среду. При использовании МО-вещества в виде тонких пластинок, обладающих большими значениями эффекта Фарадея, величина магнитного поля катушки зависит от их размеров.

Недостатком такого устройства является необходимость создания больших магнитных полей для насыщения намагниченности тонких пластин МО-вещества и, как следствие, большая величина энергетических потерь. Так, для тонкой пластинки размагничивающий фактор равен 4 , а размагничивающее поле соответственно - 4 Ms, где Ms - намагниченность насыщения. Другим отрицательным следствием размагничивающего фактора является неоднородность намагничивающего поля. Все это существенно снижает экономичность этих устройств и сужает область их использования.

Наиболее близким устройством по геометрии взаимного расположения оптических элементов и магнитного поля является устройство, работающее на основе эффекта Коттон-Мутона (другое название - эффект Фохта), выбранное за прототип [2] . Элементы устройства расположены следующим образом: поляризатор - ферро- или ферримагнитное вещество, находящееся одновременно в постоянном и переменном магнитных полях, - источник постоянного поля - источник переменного модулирующего поля - четвертьволновая фазосдвигающая пластинка λ /4 - анализатор. Постоянное и переменное магнитные поля направлены вдоль пластины магнитного вещества под углом 45^о к плоскости поляризации поляризатора, одновременно перпендикулярны друг другу и направлению распространения потока света.

Устройство-прототип работает следующим образом. Поток света линейно поляризуется на выходе поляризатора. Постоянное магнитное поле насыщает домены МО-среды, в которой вследствие магнитного линейного двулучепреломления свет распадается на две линейно поляризованные волны с разностью фаз Ф между ними. Переменное магнитное поле создает осцилляцию фазового угла Δ Ф. Фазосдвигающая пластина вновь преобразует свет в линейно поляризованный поток с плоскостью поляризации, меняющейся на угол Δ Ф. Анализатор преобразует фазовую модуляцию линейно поляризованного света в амплитудную Δ Y.

В устройстве-прототипе для модуляции потока света необходимо наличие двух деталей, а именно источников постоянного и модулирующего магнитных полей, расположенных перпендикулярно друг к другу. Это усложняет и удорожает процесс изготовления, увеличивает энергозатраты и размеры устройства. Функциональное единство устройства-прототипа требует присутствия фазосдвигающей пластины для анализа Ф и специальной ее ориентации по отношению к поляризатору и анализатору. Наличие любого дополнительного оптического элемента увеличивает оптические потери, связанные с поглощением и отражением света, усложняет и удорожает процесс изготовления и настройки, увеличивает энергозатраты и размеры устройства. Устройство-прототип работает в области фундаментального поглощения (видимая и ближняя ИК-область света), величина m уменьшается обратно пропорционально увеличению длины волны, в то же время устройство имеет малую величину оптического КПД вследствие большого коэффициента поглощения α = 10⁵ см^-1.

Для повышения производительности, оптического КПД и расширения спектрального диапазона способа модуляции излучения света, а также экономии материалов, уменьшения размеров устройства за счет использования в качестве ферромагнитного вещества магнетика, обладающего вращением плоскости поляризации линейно поляризованного света в геометрии Фохта, сокращения числа операций и повышения интенсивности света на выходе модулятора по способу модуляции ИК-излучения в геометрии Фохта (Коттон-Мутона), заключающемуся в прохождении света через поляризатор, ферро- или ферримагнитное вещество, модулирующее магнитное поле, анализатор, заключающемуся также в направлении модулирующего магнитного поля вдоль плоскости пластины поляризации, перпендикулярно потоку света и под углом 45^о к плоскости поляризации поляризатора, согласно изобретению выполняют ферромагнитное вещество из магнетика, обладающего вращением плоскости поляризации линейно поляризованного света (Q в геометрии Фохта, связанным с присутствием примесей и свободных носителей заряда (например, n- или p-HgCr₂Se₄) и по заранее определенному Q устанавливают плоскость поляризации анализатора относительно направления магнитного поля под углом ϕ= - [ argcsin { 2 ( 1 - Δ ) cos Q/( 2 -Δ ) } - Q ] / 2, (2) где знак (-) указывает направление, противоположное повороту плоскости поляризации поляризатора относительно магнитного поля; Δ - коэффициент, учитывающий неполноту погасания в системе поляризатор - магнетик - анализатор, связанный как с несовершенством поляризатора и анализатора, так и со свойствами магнетика (например, частичное доменное рассеяние).

Физическая основа предлагаемого способа состоит в следующем. Известно, что эффект Фохта (Коттон-Мутона) называют магнитным двулучепреломлением или появлением разности фаз у линейно поляризованных волн, направленных вдоль и поперек магнитного поля при прохождении через магнитное вещество. При этом не учитывают поглощение света веществом и связанный с ним поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света. Такое рассмотрение оправдано для большинства магнетиков. Однако, как обнаружено, есть класс магнетиков - магнитные полупроводники, в которых поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света Q может достигать 90^о. Он связан с присутствием примесей в области за краем фундаментального поглощения и со свободными носителями заряда. Двулучепреломление при этом небольшое, и им можно пренебречь. Кривая зависимости интенсивности света от азимута анализатора на выходе модулятора (фиг.1) при воздействии магнитного поля оказывается сильно смещенной относительно той же кривой без поля. Таким образом, можно определить положение анализатора, при котором величина глубины модуляции (m), т. е. изменение интенсивности относительно интенсивности в поле, и величина оптического КПД ( η ) максимальны: m = (Y_н - Y_н-о)100/Y_н = = [1-{2(1- Δ)(1+sin2 ϕ )+ Δ}/ /{2(1 - Δ )(1+sin2( ϕ+ Q ))+ Δ }]100%; η = (Y_н-Y_н=о)/Y_o=A exp(- α h) х (1- Δ [sin2( ϕ + Q )-sin2 ϕ ]/2.

Этот эффект существует не только в низкосимметричном, но и в кубическом кристалле. Величина эффекта зависит от направления кристаллографических осей относительно магнитного поля, температуры, толщины кристалла, длины волны потока света, величины магнитного поля.

В устройстве-модуляторе, работающем в геометрии Фохта (Коттон-Мутона), содеpжащем поляризатор, ферро- или ферримагнитное вещество, модулирующее магнитное поле, направленное вдоль пластины вещества перпендикулярно пучку света и под углом 45^о к плоскости поляризации поляризатора, и анализатор, согласно изобретению ферромагнитное вещество выполняют из магнитного полупроводника n- или p-HgCr₂Se₄, обладающего вращением плоскости поляризации линейно поляризованного света в геометрии Фохта. При этом отпадает необходимость в источнике постоянного магнитного поля и в оптической детали (фазосдвигающей пластины λ /4) и уменьшаются размеры, материалоемкость, увеличивается оптический КПД и расширяется спектральный диапазон устройства.

На фиг. 1 представлен график изменения интенсивности света на выходе модулятора от угла поворота плоскости поляризации анализатора при отсутствии магнитного поля (Н = 0) и в постоянном магнитном поле (Н ≠ 0); на фиг. 2 представлена схема устройства модуляции света в геометрии Фохта.

Модуляция линейно поляризованного света предлагаемым способом реализуется следующим образом. В геометрии Фохта (фиг.2) устанавливают систему поляризатор - магнетик, например ферромагнитный полупроводник n- или p-HgCr₂Se₄ с известной зависимостью Q(λ ), - источник переменного магнитного поля - анализатор. Магнитное поле (Н) направляют перпендикулярно к потоку света, под углом 45^о к плоскости поляризации поляризатора и вдоль плоскости магнитного полупроводника. Затем устанавливают плоскость поляризации анализатора под углом ϕ относительно направления магнитного поля, зависящим от Q, Δ , λ согласно выражению (2). Под действием переменного магнитного поля в ферромагнитном полупроводнике возникает изменение намагниченности и, как следствие, изменение поворота прошедшего через него линейно поляризованного света на угол от 0 до Q^о. Анализатор преобразует угловую модуляцию линейно поляризованного света в амплитудную. Таким образом, в геометрии Фохта (Коттон-Мутона) реализуется способ модуляции линейно поляризованного света.

Пример осуществления способа.

В магнитном полупроводнике n-HgCr₂Se₄ толщиной h = 0,5 мм при Т = 80 К, λ= 3 мкм, (Н)-34400 А/м (430 Э) величина Q равна 90^о. Устанавливают плоскость поляризации поляризатора под углом 45^о к направлению магнитного поля. Помещают n-HgCr₂Se₄ между полюсами источника переменного магнитного опля, устанавливают плоскость поляризации анализатора. Используя выражения (2), определяют угол поворота плоскости поляризации анализатора относительно направления магнитного поля ϕ = -45^о при Δ = 0,1. Подают переменное магнитное поле, на выходе анализатора получают модуляцию интенсивности, прошедшего света с частотой и формой сигнала управляющего магнитного поля. Глубина модуляции m = 85%, что более чем в 12 раз больше, чем у прототипа.

Устройство для модуляции потока света в геометрии Фохта (фиг.2) содержит последовательно установленные вдоль оптической оси поляризатор 1, ферромагнитный полупроводник 2 n- или p-HgCr₂Se₄, анализатор 3 и источник 4 переменного магнитного поля.

Устройство работает следующим образом.

Поток света поступает на поляризатор 1. От поляризатора линейно поляризованный свет направляется на плоскость магнетика 2. Плоскость пластины ферромагнитного полупроводника 2 располагается вдоль направления магнитного поля от источника 4 поля. Угол между плоскостью поляризации линейно поляризованного света и направлением магнитного поля равен 45^о. Зависимость поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света в ферромагнитном полупроводнике на угол Q в данной геометрии квадратична от магнитного поля, поэтому на источник магнитного поля подаются импульсы одной полярности. Таким образом, понижается энергоемкость источника магнитного поля. Затем линейно поляризованный свет проходит через анализатор 3, плоскость поляризации которого установлена на заранее определенный угол ϕ . Под действием модулирующего магнитного поля происходит изменение намагниченности ферромагнитного полупроводника, а следовательно, модуляция плоскости поляризации линейно поляризованного света, прошедшего через полупроводник, на угол от 0 до Q^о, что приводит к изменению интенсивности света на выходе анализатора.

Вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света в HgCr₂Se₄ в геометрии Фохта, как показали исследования, связано с присутствием в полупроводнике примесей, свободных носителей заряда и находится в области окна прозрачности, т.е. области, ограниченной краем фундаментального поглощения и взаимодействием света с фотонами от 2,5 до 16 мкм (в устройстве-прототипе этот интервал равен 0,6-1,5 мкм). Коэффициент поглощения в области окна прозрачности меняется от 10 до 200 см, что дает возможность увеличить оптический КПД в exp(- α h) раз по сравнению с устройством-прототипом, у которого коэффициент поглощения α = 10⁵ см^-1.

Таким образом, благодаря новым признакам предлагаемые способ и устройство обеспечивают следующие преимущества: значительно увеличена глубина модуляции (более чем в 12 раз) и оптический КПД; существенно расширен спектральный диапазон устройства в сторону больших длин волн; сокращено число операций способа и отпала необходимость в источнике постоянного магнитного поля и оптической детали; уменьшена материалоемкость устройства.

Формула изобретения

СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ СВЕТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.

1. Способ модуляции света, заключающийся в том, что свет последовательно пропускают через поляризатор, модулирующий элемент из ферри- или ферромагнитного материала, помещенный в магнитное поле, вектор напряженности которого лежит в плоскости, перпендикулярной направлению света, и составляет угол 45^o с плоскостью поляризации поляризатора, и через анализатор, отличающийся тем, что свет пропускают через модулирующий элемент из магнетика, обладающего способностью вращать плоскость поляризации линейно поляризованного света и через анализатор, плоскость поляризации которого относительно вектора напряженности составляет угол
где Δ - коэффициент, учитывающий неполноту погасания в системе поляризатор - магнетик - анализатор;
q - угол вращения плоскости поляризации света.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что свет пропускают через модулирующий элемент из Hg Cr₂ Se₄.

3. Устройство для модуляции света, содержащее последовательно установленные на оптической оси поляризатор, модулирующий элемент из ферри- или ферромагнетика, помещенный в источник магнитного поля, размещенный так, что вектор напряженности магнитного поля лежит в плоскости, перпендикулярной оптической оси, и составляет угол 45^o с плоскостью поляризатора, и анализатор, отличающееся тем, что модулирующий элемент выполнен из магнетика, обладающего способностью вращать плоскость поляризации линейно поляризованного света, а анализатор установлен так, что его плоскость поляризации составляет с направлением угол

где Δ - коэффициент, учитывающий неполноту погасания в системе поляризатор - магнетик - анализатор;
q - угол вращения плоскости поляризации света.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что модулирующий элемент выполнен из Hg Cr₂ Se₄.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2