Способ измерения угла поляризации оптического излучения

Изобретение относится к лазерным измерениям. Сущность изобретения заключается в смешении принятого оптического излучения с известным линейно-поляризованным излучением (опорным), детектировании суммарного и опорного излучений, выделении переменной и постоянной составляющих суммарного фототока и вычислении максимального значения переменной составляющей фототока. Определяют угол поляризационного рассогласования как отношение переменной составляющей суммарного фототока к его максимальному значению. Угол поляризации оптического излучения вычисляют как сумму значений угла поляризации опорного излучения и угла поляризационного рассогласования. 1 ил.

 

Изобретение относится к лазерным измерениям и может быть использовано при проектировании систем определения поляризации оптического излучения.

Известен способ измерения поляризации (см., например, В.А.Хилтнер. Методы астрономии. - Москва, 1967, стр.201), основанный на вращении поляризационных анализаторов, которое приводит к изменению интенсивности, определяющей направление вектора поляризации. Недостатками данного способа является неизменность направления вектора поляризации и достаточно большое время измерения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ (см., например, В.Г.Ефремов, Н.Д.Найденов. Патент на изобретению RU №2031376, 6 G 01 J/04, 1995) измерения угла поляризации оптического излучения, основанный на делении анализируемого излучения на два ортогональных луча - обыкновенный и необыкновенный, синхронной регистрации потоков излучения двумя фотоэлектронными устройствами в режиме счета фотонов, уменьшении временного интервала измерения, определении значения корреляционной функции в нуле для поляризованного и неполяризованного излучений и определении по отношению корреляционных функций величины и направления вектора поляризации. Недостатками способа являются необходимость разделения оптического излучения на два ортогональных луча, что приемлемо для сильных сигналов, и время измерения остается достаточно большим.

Техническим результатом, на достижение которого направленно предлагаемое изобретение, является возможность измерения угла поляризации для слабых оптических сигналов при повышении точности и сокращении времени измерения.

Технический результат достигается тем, что в известном способе измерения угла поляризации оптического излучения, заключающемся в приеме оптического излучения, синхронной регистрации потоков излучения двумя фотоэлектронными устройствами в режиме счета фотонов, анализируемое оптическое излучение смешивают с линейно поляризованным опорным излучением, при этом анализируемое и опорное излучения согласованы по фазе, а угол линейной поляризации опорного излучения известен, детектируют суммарное и опорное излучения, выделяют переменную и постоянную составляющие суммарного фототока, вычисляют максимальное значение переменной составляющей фототока по формуле , где i_Г - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля опорного оптического излучения; i_c - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля анализируемого оптического излучения, определяют угол поляризационного рассогласования анализируемого и опорного оптических излучений как отношение переменной составляющей суммарного фототока к его максимальному значению, по изменению величины значения выделенной переменной составляющей суммарного фототока определяют взаимное расположение векторов поляризации анализируемого и опорного оптических излучений, а угол поляризации анализируемого оптического излучения определяют как сумму значений угла поляризации опорного излучения и угла поляризационного рассогласования.

При смешивании волн анализируемого и опорного излучений, если они однородны и согласованы по фазе (ϕ_с=ϕ_Г±nπ(n=0, 1, 2,...)),то амплитуда сигнала, образованная в результате биений полей, будет определяться степенью поляризационного согласования указанных волн. Таким образом, используя зависимость сигнала образованного в результате фотосмешания анализируемого и опорного излучений от угла их поляризационного рассогласования, можно осуществить измерение поляризации исследуемого излучения по отношению к известному углу линейной поляризации опорного излучения.

Как известно (см., например, В.В.Протопопов, Н.Д.Устинов. Лазерное гетеродирование. - М.: «Наука», 1985, стр.5), в основе гетеродинного детектирования оптических излучений лежит явление интерференции двух волн на чувствительной площадке фотодетектора. Запишем векторы напряженностей взаимодействующих электрических полей в комплексной форме:

где - единичный вектор поляризации исследуемого оптического излучения;

- единичный вектор поляризации опорного оптического излучения;

А_с(r) и А_Г(r) - комплексная амплитуда анализируемого и опорного оптических полей соответственно;

ω_с и ω_Г - круговые частоты анализируемого и опорного оптических полей соответственно.

Взаимодействием суммарного поля с материалом чувствительной площадки фотодетектора является выходной ток, который определяется из выражения:

где i(t) - полный фототок;

I(r,t)=[E_Σ(r,t)]² - интенсивность суммарного поля;

В - спектральная чувствительность фотоприемника;

К - коэффициент преобразования.

Подставляя (1) в (2), получим выражение для полного фототока:

где звездочкой обозначена операция комплексного сопряжения.

Два первых слагаемых в (3) представляют собой не зависящие от времени постоянные составляющие фототока, вызванные полями анализируемого и опорного излучений.

Третье и четвертое описывают результат интерференции полей, то есть определяют переменную составляющую фототока, изменяющуюся с круговой частотой ( Ω=ω_с-ω_Г) и зависящую от поляризационной согласованности смешиваемых полей.

Рассмотрим спектральный состав полного фототока. Постоянная составляющая дает дельтообразную спектральную составляющую на нулевой частоте, а переменная составляющая - две дельтообразные симметричные составляющие на частотах ± Ω, расположенных симметрично относительно нулевой частоты. Переменная и постоянная составляющие могут быть легко отделены спектральной фильтрацией.

На практике часто выполняется условие, когда в пределах апертуры фотоприемника регулярный полный фототок на площадке фотодетектора имеет вид:

где i_Г - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля опорного оптического излучения;

i_с - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля анализируемого оптического излучения;

- переменная составляющая фототока, описывающая интерференцию оптических излучений;

Ω - разностная частота анализируемого и опорного оптических излучений;

- модуль единичного вектора поляризации исследуемого оптического излучения;

- модуль единичного вектора поляризации опорного оптического излучения;

α_П - угол между векторами исследуемого и опорного оптических излучений;

Δϕ - разность фаз исследуемого и опорного оптических полей (по условию соответствует максимальному значению фототока).

Из выражения (4) видно, что степень поляризационной согласованности смешиваемых излучений может быть определена полезной переменной составляющей фототока, содержащей множитель cosα_П.

Для определения значения угла поляризационного рассогласования предлагается анализируемое оптическое излучение смешать с линейно-поляризованным опорным излучением, при этом анализируемое и опорное излучения согласованы по фазе, а угол линейной поляризации опорного излучения известен, детектировать суммарное и опорное излучения, выделить из переменной составляющей фототока множитель cosα_П. Измерение угла поляризационного рассогласования осуществляется с помощью преобразований полного фототока с целью определения постоянной составляющей фототока анализируемого сигнала (i_с). Зная величину постоянной составляющей фототока опорного сигнала (i_Г), можно оценить с большой точностью максимальное значение амплитуды тока биений переменной составляющей, используя лишь постоянную составляющую фототока за счет формирования удвоенного корня произведения постоянных составляющих фототоков () опорного (i_Г) и анализируемого (i_с) сигналов. Отношение величин амплитуды фототока переменной составляющей к полученной в результате оценки максимального значения амплитуды фототока () позволяет получить значение угла поляризационного рассогласования анализируемого и опорного оптических излучений (вычисления арккосинуса отношения величин составляющих фототока). Зная угол поляризационного рассогласования и определив его знак по изменению величины значения выделенной переменной составляющей суммарного фототока, определяют взаимное расположение векторов поляризации анализируемого и опорного оптических излучений, поучаем угол поляризации анализируемого оптического излучения по формуле (5)

На чертеже представлена блок-схема устройства, с помощью которого может быть реализован предлагаемый способ.

Блок-схема устройства содержит смесительную пластину 1, полупрозрачное зеркало 2, диафрагмы 3, фокусирующую линзу 4, гетеродин 5, фотоприемник исследуемого оптического излучения 6, фотоприемник известного опорного оптического излучения 7, фильтр 8, вычитающее устройство 9, перемножитель 15, устройство извлечения удвоенного корня 16, амплитудный детектор 10, блок сравнения величин фототоков и определения α_П 11, блок определения знака α_П 12, блок управления поляризацией гетеродина 13, блок определения α_с 14.

Анализируемое оптическое излучение через фокусирующую линзу 4 смешивается с помощью смесительной пластины 1 (с одним из разделенных полупрозрачным зеркалом на два равных по интенсивности излучений гетеродина) с известным линейно-поляризованным опорным оптическим сигналом гетеродина 5. Суммарный сигнал, ограниченный диафрагмой 3 по максимумам высших порядков, регистрируется фотодетектором 6, с выхода которого снимается полный фототок, содержащий переменную и постоянную составляющие (выражение (4)). Использование фильтра 8 позволяет разделить полный ток и выделить сумму постоянных (i_Г+i_c) и переменную (cosα_П) составляющие. Используя вычитающее устройство 9, производим вычитание из суммы постоянных составляющих фототока (i_Г+i_c) величину фототока (i_Г) фотоприемника 3 (i_c=(i_Г+i_c)-i_Г) и получаем постоянную составляющую фототока анализируемого оптического сигнала. Величины постоянных составляющих полного фототока анализируемого и опорного сигналов позволяют формировать максимальную величину переменной составляющей (, значение амплитуды при α_П=0). Это преобразование производят перемножитель 15 и устройство извлечения удвоенного корня 16. После амплитудного детектора 10 значение переменной составляющей в блоке сравнения величин фототоков и определения α_П 11 сравнивается с полученным максимальным значением переменной составляющей и отношение величин позволяет определить значение угла поляризационного рассогласования в текущий момент времени (α_П=.arccos(cosα_П./)).

Для определения значения угла вектора поляризации анализируемого оптического излучения необходимо определить знак полученного значения α_П (то есть с какой стороны расположен вектор поляризации опорного поля относительно вектора анализируемого поля). Для этого применяются блоки управления поляризацией гетеродина 13, определения знака α_П 12 и блок определения значения α_с 14. Блок управления поляризацией гетеродина отклоняет вектор поляризации гетеродина от первоначального положения на угол (α_П±α_min), позволяющий с помощью блока определения знака α_П по изменению величины значения выделенной переменной составляющей в сторону увеличения или уменьшения определить взаимное расположение векторов поляризации анализируемого и опорного оптических излучений. Блок определения значения α_с, реализующий действия, обусловленное выражением α_с=α_Г±α_П, производит вычисления α_c.

Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений не известен способ измерения угла поляризации оптического источника излучения, основанный на смешивании анализируемого оптического излучения с линейно-поляризованным опорным излучением, при этом анализируемое и опорное излучения согласованы по фазе, а угол линейной поляризации опорного излучения известен, детектировании суммарного и опорного излучения, выделении переменной и постоянной составляющих суммарного фототока, вычислении максимального значения переменной составляющей фототока по формуле , где i_Г - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля опорного оптического излучения; i_c - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля анализируемого оптического излучения, определении угла поляризационного рассогласования анализируемого и опорного оптических излучений, как отношение переменной составляющей суммарного фототока к его максимальному значению, по изменению величины значения выделенной переменной составляющей суммарного фототока, определении взаимного расположения векторов поляризации анализируемого и опорного оптических излучений, определении угла поляризации анализируемого оптического излучения как суммы значений угла поляризации опорного излучения и угла поляризационного рассогласования.

Предлагаемое техническое решение практически применимо, так как для его реализации могут быть использованы типовые радиотехнические узлы и устройства.

Способ измерения угла поляризации оптического излучения, заключающийся в приеме оптического излучения, синхронной регистрации потоков излучения двумя фотоэлектронными устройствами в режиме счета фотонов, отличающийся тем, что анализируемое оптическое излучение смешивают с линейно поляризованным опорным излучением, при этом анализируемое и опорное излучение согласованы по фазе, а угол линейной поляризации опорного излучения известен, детектируют суммарное и опорное излучения, выделяют переменную и постоянную составляющие суммарного фототока, вычисляют максимальное значение переменной составляющей фототока по формуле , где i_Г - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля опорного оптического излучения; i_c - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля анализируемого оптического излучения, определяют угол поляризационного рассогласования анализируемого и опорного оптических излучений как отношение переменной составляющей суммарного фототока к его максимальному значению, по изменению величины значения выделенной переменной составляющей определяют взаимное расположение векторов поляризации анализируемого и опорного оптических излучений, а угол поляризации анализируемого оптического излучения определяют как сумму значений угла поляризации опорного излучения и угла поляризационного рассогласования.