Акустооптический вентиль

 

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки. Техническим результатом изобретения является повышение надежности за счет обеспечения возможности подавления обратного луча с частотой, не равной частоте прямого луча, и расширение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности измерения радиальной скорости зондируемого объекта. Сущность изобретения заключается в осуществлении гетеродинного приема обратного луча (в качестве гетеродинного луча используется отраженная от светоделителя часть прямого луча) и определении разности частот прямого и обратного лучей и коррекции частоты акустической волны, возбуждаемой в акустооптическом брэгговском модуляторе, таким образом, чтобы было обеспечено постоянство частоты обратного луча, падающего на интерферометр Фабри-Перо, в результате чего обеспечивается подавление обратного луча с максимальной эффективностью независимо от радиальной скорости лоцируемого объекта. Сигнал с выхода фотоприемника, содержащий составляющую с частотой, равной разности частот прямого и обратного лучей, может быть использован для определения радиальной скорости лоцируемого объекта, в результате чего обеспечивается расширение функциональных возможностей. 1 ил.

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки.

Известны различные варианты оптических вентилей, например, устройства против ослепления водителей светом фар встречных машин [1], содержащие поляроидные пленки, однако они имеют большие потери световой энергии, что ограничивает возможности их применения.

Оптический вентиль, описанный в [2], содержит собирающую линзу с продольной хроматической аберрацией и поглощающую маску, выполненную с возможностью перемещения вдоль оптической оси вентиля в пределах области продольной хроматической аберрации линзы. В прямом направлении (от маски к линзе и далее) световой поток проходит без ослабления, т.к. площадь поглощающей маски мала. В обратном направлении световой поток вследствие продольной хроматической аберрации разделяется на ряд спектральных составляющих. Та спектральная составляющая, которая фокусируется на поглощающую маску, поглотится ею, остальные спектральные составляющие пройдут через оптический вентиль. Недостатком известного оптического вентиля является то, что световой пучок, распространяющийся в прямом направлении, после прохождения через оптический вентиль становится сходящимся, а на расстояниях, превышающих фокусное расстояние линзы, оптический пучок превращается, естественно, в расходящийся.

Магнитооптический вентиль, описанный, например, в [3] содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор и анализатор. На магнитооптический ротатор воздействует магнитное поле, создаваемое магнитной системой. Оптическое излучение проходит через поляризатор и становится линейно поляризованным. В магнитооптическом ротаторе вследствие магнитооптического эффекта Фарадея плоскость поляризации линейно поляризованного света поворачивается на 45^o относительно исходной плоскости поляризации и проходит через анализатор, главная плоскость которого повернута на 45^o относительно главной плоскости поляризатора. Излучение, распространяющееся в обратном направлении, пройдя через анализатор и магнитооптический ротатор, будет иметь плоскость поляризации, повернутую на 90^o относительно исходной плоскости поляризации и, следовательно, поглотится в поляризаторе (если в качестве поляризатора использована дихроичная пленка), либо уйдет в сторону от луча, распространяющегося в прямом направлении (если в качестве поляризатора использована двулучепреломляющая призма). Недостатком такого вентиля является то, что он может эффективно работать с излучением, имеющим только линейную поляризацию, в противном случае возрастают потери излучения, распространяющегося в прямом направлении.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому акустооптическому вентилю является вентиль, описанный в [4] и содержащий последовательно расположенные на оптической оси интерферометр Фабри-Перо, настроенный на пропускание излучения с частотой, равной частоте излучения источника света, и акустооптический брэгговский модулятор. Оптическое излучение с частотой ν проходит через интерферометр Фабри-Перо и попадает на акустооптический брэгговский модулятор. На его выходе частота оптического излучения становится равной ν +f, где f - частота акустической волны. Излучение, отраженное от какого-либо элемента оптического тракта или от какого-либо объекта и распространяющееся в обратном направлении, после прохода через акустооптический брэгговский модулятор будет иметь частоту, равную ν +2f. Параметры интерферометра Фабри-Перо подобраны таким образом, что излучение с частотой ν +2f не пройдет через него (при частоте ν кривая зависимости пропускания интерферометра Фабри-Перо от частоты имеет максимум, а при частоте ν +2f имеет минимум).

Недостаток известного акустооптического вентиля заключается в том, что эффективность подавления обратного луча снижается, в случае когда частота обратного луча отличается от частоты прямого луча. Такая ситуация возникает, например, в случае, когда обратный луч формируется объектом, радиальная скорость которого относительно вентиля не равна нулю. При этом вследствие эффекта Доплера, частота обратного луча увеличивается, если объект движется навстречу наблюдателю и уменьшается, если объект удаляется от наблюдения. Как известно [15], кривая зависимости пропускания К интерферометра Фабри-Перо от частоты ν оптического излучения представляет собой ряд эквидистантно расположенных острых максимумов, расстояние между которыми по оси частот равно c/(2αʺ), где c - скорость света в вакууме αʺ - оптическая длина пути светового излучения между зеркалом интерферометра Фабри-Перо, определяемая по формуле где 1 - расстояние между зеркалами интерферометра Фабри- Перо; х-координата, отсчитываемая по оптической оси интерферометра Фабри-Перо от поверхности одного из зеркал; n(x) - величина показателя преломления заполняющей интерферометр Фабри-Перо среды в точке с координатой x.

Очевидно, что если среда, расположенная между зеркалами интерферометра Фабри-Перо, имеет постоянный показатель преломления по оси x, то αʺ = nl. (2) Значения частот, соответствующих максимумам кривой пропускания, равны Nc/(2αʺ), где N - целое число. Между этими максимумами расположены минимумы, причем соответствующие им значения частот равны (N+1/2)c(2αʺ). В известном акустооптическом вентиле частота оптического излучения ν₀ совпадает с одним из максимумов кривой зависимости пропускания К от частоты ν оптического излучения, например, максимума под номерами N₀ (N₀ целое число). Тогда частота обратного луча должна совпадать с минимумом кривой зависимости пропускания К от частоты ν оптического излучения. Например, ближайшему минимуму, расположенному справа от максимума под номером N₀, соответствует значение частоты, равное (N₀+1/2)c/(2αʺ), (3) поэтому максимум и минимум кривой зависимости пропускания К интерферометра Фабри-Перо должны отличаться на 2f. В таком случае можно записать уравнение для определения частоты акустооптической волны, возбуждаемой в акустооптическом брэгговском модуляторе: N₀(c/2αʺ)+2f = (N₀+1/2)(c/2αʺ) (4) Отсюда
f = (c/8αʺ) (5)
Пусть расстояние между зеркалами интерферометра Фабри-Перо равно 3 см и промежуток между ними заполнен воздухом. Тогда l=3·10^-2м, n=1, т.е. αʺ = 3·10^-2м. В этом случае частота f акустической волны в акустооптическом брэгговском модуляторе будет равна

Акустические волны такой частоты действительно могут иметь место в акустооптических средах, например, в ниобате лития (LiN- bO₄) [5]. Таким образом, l= 3·10^-2м выбрана исходя из возможностей современной техники (при более низкой частоте акустической волны необходимо выбрать значение αʺ большей величины, что уменьшит расстояние между максимумами интерферометра Фабри-Перо и сделает вышеуказанный недостаток более ощутимым).

Определим теперь скорости зондируемого объекта, при которых акустооптический вентиль не сможет обеспечить защиту генератора оптического излучения от воздействия на него обратного луча.

Известно [6], что радиальная скорость V_R движения объекта и доплеровская добавка f_д к частоте обратного луча связаны соотношением

где λ - длина волны излучения, падающего на движущейся объект.

Оптический вентиль пропускает через себя обратный луч, если частота совпадает с одним из максимумов кривой зависимости пропускания К интерферометра Фабри-Перо от частоты ν, т. е. если доплеровская добавка f_д будет удовлетворять следующему соотношению:

где N₁ - целое число.

Таким образом, радиальные скорости объекта, при которых оптический вентиль пропускает через себя обратный луч, можно определить по формуле

Предположим, что λ = 0,5 мкм. Тогда, задаваясь значениями N₁=0;1;2;3;4;. . . , получим V_R=0,625·x10³ м/с; 1,875·10³м/с; 3,125·10³м/с; 4,375·10³м/с; 5,623·10³м/с,... соответственно. Такие величины радиальной скорости являются вполне реальными при лоцировании в оптическом диапазоне объектов, находящихся в околоземном пространстве.

Задачей изобретения является повышение надежности за счет обеспечения возможности подавления обратного луча с частотой, не равной частоте прямого луча, и расширение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности измерения радиальной скорости зондируемого объекта.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известный акустооптический вентиль, содержащий генератор и последовательно расположенные на оптической оси интерферометр Фабри-Перо и акустооптический брэгговский модулятор, внесены следующие усовершенствования: он дополнительно содержит зеркало, светоделитель, смеситель, делитель частоты и фотоприемник, при этом выход генератора соединен с первым входом смесителя, светоделитель расположен на оптической оси на пути прямого луча, зеркало расположено на пути отраженного от светоделителя обратного луча, фотоприемник расположен в области пересечения отраженного от светоделителя прямого луча и отраженного от светоделителя и зеркала и прошедшего через светоделитель обратного луча, выход фотоприемника соединен со входом делителя частоты, выход делителя частоты соединен со вторым входом смесителя, а выход смесителя соединен со входом возбудителя акустооптического брэгговского модулятора.

Такое построение акустооптического вентиля позволяет осуществить гетеродинный прием обратного луча (в качестве гетеродинного луча используется отраженная от светоделителя часть прямого луча), определить разность между частотами прямого и обратного лучей и скорректировать частоту акустической волны, возбуждаемой в акустооптическом брэгговском модуляторе, таким образом, чтобы было обеспечено постоянство частоты обратного луча, падающего на интерферометр Фабри-Перо, в результате чего обеспечивается подавление обратного луча с максимальной эффективностью независимо от радиальной скорости лоцируемого объекта.

Сигнал с выхода фотоприемника, содержащий составляющую с частотой, равной разности между частотами прямого и обратного лучей, может быть использован для определения радиальной скорости лоцируемого объекта, в результате чего обеспечивается расширение функциональных возможностей.

Сущность изобретения поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего заявляемое изобретение варианта выполнения и прилагаемым чертежом, на котором приведена функциональная схема акустооптического вентиля.

На чертеже приняты следующие обозначения: 1 - интерферометр Фабри-Перо, 2 - акустооптический брэгговский модулятор, 3 - зеркало, 4 - светоделитель, 5 - генератор модулирующего сигнала, 6 - смеситель, 7 - делитель частоты, 8 - фотоприемник. Цифрой 9 обозначен отражающий объект. Интерферометр Фабри-Перо 1, акустооптический брэгговский генератор 2 и светоделитель 4 расположены последовательно на оптической оси, а зеркало 3 расположено на пути отраженного от светоделителя 4 обратного луча. Фотоприемник 8 расположен в области пересечения отраженного от светоделителя 4 прямого луча и отраженного от светоделителя 4 и зеркала 3 и прошедшего через светоделитель 4 обратного луча. Выход генератора 5 соединен с первым входом смесителя 6, выход фотоприемника 8 соединен со входом делителя частоты 7, выход делителя частоты 7 соединен со вторым входом смесителя 6, а выход смесителя 6 соединен со входом возбудителя акустооптического брэгговского модулятора 2.

Акустооптический вентиль работает следующим образом. Прямой луч проходит через интерферометр Фабри-Перо 1 без потерь, т.к. один из максимумов кривой зависимости пропускания интерферометра Фабри-Перо 1 от частоты совпадает с частотой прямого луча. После прохождения через акустооптический брэгговский модулятор 2 частота прямого луча увеличивается на определенную величину. Если радиальная скорость объекта 9 равна нулю, то эта величина равна частоте f генератора модулирующего сигнала 5, если радиальная скорость объекта 9 не равна нулю, то эта величина равна f-f_д/2. После отражения от объекта 9 частота оптического излучения не меняется, если его радиальная скорость равна нулю, если же она не равна нулю, то частота оптического излучения обратного луча становится равной ν₀+ f-f_д/2+f_д, т.е. ν+ f+f_д/2. Часть обратного луча отражается от светоделителя 4, затем отражается от зеркала 3, после чего проходит через светоделитель 4 и попадает на фотоприемник 8. Часть прямого луча отражается от светоделителя 4 и попадает также на фотоприемник 8. Частота электрического сигнала на выходе фотоприемника 8 равна разности между частотами прямого и обратного лучей, т.е.

В делителе частоты 7 происходит уменьшение частоты поступающего сигнала в два раза, т.е. частота сигнала на его выходе равна f_д/2. На первый вход смесителя 6 попадает с делителя частоты 7 сигнал с частотой f_д/2, на второй вход смесителя 6 попадает с генератора модулирующего сигнала 5 сигнал с частотой f. Смеситель 6 выделяет сигнал с частотой, равной разности между частотами сигналов, поступающих на первый и второй его входы, т.е. частота сигнала на выходе смесителя равна f-f_д/2. Этот сигнал попадает на вход возбудителя акустооптического брэгговского модулятора 3. Таким образом, петля обратной связи оказывается замкнутой. Обратный луч, пройдя через светоделитель 4, поступает на акустооптический брэгговский модулятор 2. После прохождения через него частота обратного луча увеличивается на величину f-f_д/д/2 и становится равной ν₀+ f+(f_д/2)(f-f_д/2)= ν₀+ 2f. Интерферометр Фабри-Перо, один из минимумов кривой зависимости пропускания К которого от частоты совпадает со значением частоты ν₀+ 2f, не пропускает обратный луч к генератору оптического сигнала.

Таким образом, независимо от радиальной скорости движения объекта частота обратного луча после прохождения через акустооптический брэгговский модулятор поддерживается постоянной, совпадающей с минимумом кривой зависимости пропускания интерферометра Фабри-Перо от частоты, в результате чего обратный луч не проходит через акустооптический вентиль.

Сигнал с выхода фотоприемника, содержащий составляющую с частотой, равной разности между частотами прямого и обратного лучей, может быть использован для определения радиальной скорости лоцируемого объекта.

Источники информации
1. Галкин Ю.И. Электрооборудование автомобилей. - М.; 1947, с. 12-14.

2. Авторское свидетельство СССР N 881650, G 02 F 3/00.

3. Белостоцкий Б.P., Любавский Ю.В., Овчинников В.М. Основы лазерной техники-М.: Сов. радио, 1972 c. 138-141.

4. Патент Великобритании N 21009122. Q 02 F 1/11.

5. Справочник по лазерной технике /Под ред. Ю.В.Байбородина, Л.З.Криксунова, О.М.Литвиненко.-Киев: Техника, 1978, с. 190.

6. Космические траекторные измерения /Под ред. П.А.Агаджанова, В.Е.Дулевича, А.А.Коростелева.-М.: Сов. радио, 1969, с. 200.

Формула изобретения

Акустооптический вентиль, содержащий генератор и последовательно расположенные на оптической оси интерферометр Фабри-Перо и акустооптический брэгговский модулятор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит зеркало, светоделитель, смеситель, делитель частоты и фотоприемник, при этом выход генератора соединен с первым входом смесителя, светоделитель расположен на оптической оси на пути прямого луча, зеркало расположено на пути отраженного от светоделителя обратного луча, фотоприемник расположен в области пересечения отраженного от светоделителя прямого луча и отраженного от светоделителя и зеркала и прошедшего через светоделитель обратного луча, выход фотоприемника соединен с входом делителя частоты, выход делителя частоты - с вторым входом смесителя, а выход смесителя - с входом возбудителя акустооптического брэгговского модулятора.

РИСУНКИ

Рисунок 1