Способ фазовой модуляции световой волны



Способ фазовой модуляции световой волны
Способ фазовой модуляции световой волны
Способ фазовой модуляции световой волны
Способ фазовой модуляции световой волны
Способ фазовой модуляции световой волны
Способ фазовой модуляции световой волны
Способ фазовой модуляции световой волны
Способ фазовой модуляции световой волны
Способ фазовой модуляции световой волны
Способ фазовой модуляции световой волны
Способ фазовой модуляции световой волны

 


Владельцы патента RU 2547825:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (RU)

Изобретение относится к области оптической спектроскопии и может быть применено при разработке новых методов нестационарной оптической спектроскопии, позволяющих исследовать свойства неоднородной плазмы в области аномальной дисперсии. Технический результат изобретения - получение внутри плазменного волновода регулярной пространственной структуры оптического показателя преломления в спектральной области аномальной дисперсии вблизи длины волны, соответствующей узкой спектральной линии поглощения в плазме высокоскоростных волн ионизации. Лазерное излучение наносекундной длительности пропускают через плазменный волновод под углом к оптической оси волновода, где в узкой спектральной области аномальной дисперсии вблизи фиксированной спектральной линии поглощения плазмы создается распределение оптического показателя преломления с цилиндрическим профилем с максимумом показателя преломления вдоль границы и минимумом вдоль центра трубки. 6 ил.

 

Изобретение относится к области оптической спектроскопии' и может быть применено при разработке новых методов нестационарной оптической спектроскопии, позволяющих исследовать свойства неоднородной плазмы в области аномальной дисперсии.

Может быть использовано в физике и технике газовых лазеров, при разработке лазерных методов спектроскопии, в спектральном анализе, спектроскопии плазмы, экспериментальной физике.

Известны классические способы, позволяющие осуществлять фазовую модуляцию оптического излучения с использованием оптических модуляторов на основе электрооптического эффекта (Мустель Е.Р., Парыгин В.Н., Методы модуляции и сканирования света, М., 1970). Например, при фазовой модуляции света на основе эффекта Поккельса используют линейное изменение показателя преломления не-центросимметричных кристаллов в зависимости от величины электрического поля E, в котором находится кристалл:

,

где n0 - показатель преломления кристалла в отсутствие внешнего поля, r - электрооптический коэффициент, зависящий от свойств и ориентации кристалла, направления поля E и поляризации проходящего света.

Световой пучок, прошедший путь l в кристалле, помещенном в электрическое поле E, приобретает фазовый сдвиг:

,

где l - длина волны света в вакууме, φ0 - начальный сдвиг фаз, приобретенный светом при прохождении кристалла в отсутствие поля. Наличие фазового сдвига, вызванного внешним полем (второй член справа), и означает фазовую модуляцию света.

Такие устройства для фазовой модуляции света, как правило, являются широкополосными.

Известен также способ фазовой модуляции света при его распространении через среду с модулированным показателем оптического преломления, создаваемым двумя встречными волнами внутри оптического резонатора, например при четырехволновом взаимодействии внутри двух скрещенных оптических резонаторов (А. Ярив. Квантовая электроника. М., 1980). В результате этого происходит обмен энергиями световых волн в двух скрещенных резонаторах.

Задача данной разработки - расширение арсенала технических средств для осуществления фазовой модуляции вблизи фиксированной частоты световой волны.

Техническим результатом изобретения является получение внутри плазменного волновода регулярной пространственной структуры оптического показателя преломления в спектральной области аномальной дисперсии вблизи длины волны, соответствующей узкой спектральной линии поглощения в плазме высокоскоростных волн ионизации (рис.2).

Сущностью является то, что способ фазовой модуляции световой волны вблизи фиксированной частоты включает использование оптических модуляторов и отличается тем, что лазерное излучение наносекундной длительности пропускают через плазменный волновод под углом к оптической оси волновода, где в узкой спектральной области аномальной дисперсии вблизи фиксированной спектральной линии поглощения плазмы создается распределение оптического показателя преломления с цилиндрическим профилем с максимумом показателя преломления вдоль границы и минимумом вдоль центра трубки.

Для осуществления фазовой модуляции вблизи фиксированной частоты лазерное излучение наносекундной длительности пропускается через цилиндрическую экранированную газоразрядную трубку под углом к оси трубки (плазменного волновода), где вдоль направления распространения лазерного излучения создано регулярное пространственное распределение оптического показателя преломления с использованием высокоскоростных волн ионизации газа (рис.1).

На рис.1 представлена схема плазменного волновода (а) и электродного узла (б). Стеклянная трубка (5), экран (3), электрод (2), кварцевое окошко для вывода излучения (1), напуск газа (4), изолятор, препятствующий пробою с электрода на экран (6).

Таким образом, в настоящем изобретении цилиндрический плазменный волновод, наполненный атомарным газом, использован для создания неоднородного регулярного распределения оптического показателя преломления вдоль направления распространения света, причем неоднородное распределение показателя преломления создается только в узкой спектральной области аномальной дисперсии вблизи фиксированной спектральной линии поглощения плазмы.

Схема цилиндрического плазменного волновода представлена на рис.1а.

Плазменный волновод представляет из себя стеклянную газоразрядную трубку длиной около 50 см и внутренним диаметром около 1 см, снабженную внутренними электродами. Электроды изготовлены из алюминия в виде полых цилиндров, сквозь которые распространялось лазерное излучение и регистрировалось оптическое излучение разряда вдоль трубки. Разрядная трубка помещалась в металлический экран диаметром 2 см и образовывала вместе с разрядной трубкой плазменный волновод. В такой системе ионизация газа происходит на фронте высокоскоростной волны ионизации, распространяющейся от высоковольтного электрода к заземленному со скоростью 108-109 см/с, создавая тем самым, вдоль всей трубки область ионизованного газа. Напуск газа и откачка разрядной камеры производилась через два специальных отвода на электродах, соединенных с вакуумной системой и баллоном с газом (рис.1б).

Для формирования высокоскоростных волн ионизации был разработан специальный генератор высоковольтных импульсов напряжения, собранный по трансформаторной схеме в коаксиальном исполнении, в котором первичная обмотка состояла из 4 витков, а вторичная обмотка состояла из двух обмоток по 12 витков в каждой. Такой ГИН вырабатывал импульсы напряжения амплитудой до 40 кВ с частотой следования до 100 Гц, с длительностью импульсов напряжения по полувысоте около 70 нс.

На рис.2 показано схематическое изображение прохождения лазерного луча через плазменный столб в условиях, когда наблюдается фазовая модуляция световой волны.

Выбор такой конструкции плазменного волновода и размеров разрядной трубки позволяет получить такое распределение плотности поглощающих атомов по сечению разрядной трубки, при котором в центре трубки плотность минимальна, а вблизи стенок - максимальна. Это достигается реализацией скользящего по поверхности трубки разряда при формировании и распространении высокоскоростных волн ионизации в плазменном волноводе. Степень неоднородности оптического показателя преломления по сечению трубки можно регулировать путем изменения давления газа и амплитуды импульсов напряжения, создающего ВВИ. В этом случае, при распространении широкополосного лазерного излучения через разрядную трубку под углом к оси трубки (рис.2), вдоль направления распространения света создается определенное пространственное распределение оптического показателя преломления.

На рис.3 представлены картины оптического свечения и распределение интенсивности излучения в поперечном сечении разрядной трубки в наносекундном разряде в неоне. Давление газа 30 Тор, амплитуда импульсов напряжения 28 кВ (а) и 40 кВ (б).

Пространственный профиль оптического показателя преломления вдоль направления распространения оптического излучения создается следующим образом. Газоразрядная система откачивалась до остаточного давления 10-4 Тор и в трубку напускался рабочий газ (инертные газы) в необходимом диапазоне давлений. Затем к плазменному волноводу по коаксиальному кабелю подводятся импульсы высокого напряжения, создаваемые генератором высоковольтных импульсов напряжения с амплитудой до 40 кВ и длительностью по полувысоте 20-70 нс. После перекрытия высокоскоростной волной ионизации всей длины разрядной трубки, за фронтом волны ионизации остается плазменный столб с неоднородным поперечным распределением плотности поглощающих атомов. В инертных газах в роли поглощающих свет атомов выступают метастабильные атомы, создаваемые на фронте ВВИ. В результате внутри разрядной трубки создается распределение поглощающих частиц цилиндрической формы с максимум вдоль границы трубки, и минимум по центру (рис.3). При наклонном к оси трубки распространении оптического излучения, вдоль направления распространения создается определенный профиль оптического показателя преломления, модулирующий фазу световой волны. В условиях экспериментов данной работы поперечное распределение плотности поглощающих атомов N(r) приблизительно можно описать следующим соотношением:

N ( r ) = N max ( 1 + N 0 N max cos 2 ( Δ k r + ω 0 ) ) ,

где Nmax максимальная плотность возбужденных атомов вблизи стенок трубки, N0 - плотность возбужденных атомов в центре трубки, Δk - пространственный период распределения возбужденных атомов по радиусу трубки (приблизительно эту величину можно оценить как расстояние между двумя максимумами в распределении плотности возбужденных атомов). Экспериментальные исследования методами лазерной абсорбционной спектроскопии показывают, что Nmax в условиях экспериментов данной работы достигает величины 1014 см-3, а отношение N 0 N max меняется в пределах от 0,1 до 1. В частности, при давлениях газа ниже 1 Тор распределение параметров плазмы по сечению трубки является практически однородным, поэтому указанное отношение близко к 1, в то время как при давлениях газа выше 40 Тор разряд в трубке происходит в скользящем режиме и локализован вблизи внутренней поверхности трубки. Для таких условий поперечные неоднородности разряда велики.

При этом глубину модуляции можно регулировать как путем изменения давления газа в трубке, так и изменением угла между осью трубки и направлением распространения оптического излучения.

Оптический показатель преломления пропорционален плотности поглощающих атомов и в условиях отсутствия насыщения зависимость коэффициента преломления n(ω, r) и коэффициента поглощения χ(ω, r) от частоты волны ω и расстояния от центра r задаются следующими формулами:

,

,

где

.

Таким образом, максимальная величина оптического показателя преломления создается только вблизи фиксированной частоты узкой спектральной линии поглощения ω0.

В такой среде при распространении световой волны под углом α к оси трубки, волна проходя расстояние l=r/sin α приобретает фазовый сдвиг

.

В данной работе в качестве зондирующего оптического излучения используется широкополосное излучение лазера на красителе с накачкой эксимерным лазером на молекулах XeCl с длиной волны лазерной генерации 308 нм, длительностью лазерного импульса около 5 нс. Использование перестраиваемого лазера на красителе позволяет настроить спектр оптического излучения на узкий резонанс, связанный с поглощением на спектральных переходах атомов. Лазерное излучение, выходящее из плазменного столба разлагается по спектру с помощью спектрографа, на выходе которого установлена ПЗС-камера с цифровой регистрацией светового потока.

На рис.4 показаны частотные зависимости оптических показателей преломления и поглощения при плотности возбужденных атомов 1013 см-3 вблизи спектральной линии неона 650,6 нм.

На рис.5 представлен характерный спектр пропускания плазмы наносекундного разряда в неоне при зондировании плазменного столба лазерным излучением вдоль оси разрядной трубки при отсутствии фазовой модуляции. Задержка между импульсом фронта ВВИ и лазерным импульсов 134 нс. Давление неона 20 Тор, амплитуда импульсов напряжение 36 кВ.

При распространении световой волны параллельно оси разрядной трубки, вдоль направления распространения световой волны показатель преломления остается постоянной и наблюдается обычное поглощение света на спектральном переходе (рис.5).

На рис.6 спектр лазера на красителе вблизи спектральной линии поглощения в неоне на выходе из плазменного столба в условиях фазовой модуляции. Задержка между фронтом импульса ВВИ и лазерным импульсом 56 нс. Давление неона 20 Тор. Амплитуда импульсов напряжения 28 кВ.

При распространении световой волны под углом к оси разрядной трубки, фаза световой волны модулируется из-за неоднородного распределения показателя преломления вдоль направления распространения света. В области аномальной дисперсии на частотах левее и правее от центральной частоты наблюдается максимум и минимум оптического показателя преломления (рис.4). Для этих частот соответственно при распространении через плазменный столб фаза световой волны получает положительный и отрицательный сдвиги. Их взаимодействие может привести к параметрической перекачке световой энергии из одной спектральной области в другую, что проявляется в виде усиления света на крыле спектральной линии поглощения (рис.6).

Новый способ фазовой модуляции световой волны может быть использован в оптических преобразователях частоты для перекачки энергии из одной спектральной области в другую.

Способ фазовой модуляции световой волны вблизи фиксированной частоты, включающий использование оптических модуляторов, отличающийся тем, что лазерное излучение наносекундной длительности пропускают через плазменный волновод под углом к оптической оси волновода, где в узкой спектральной области аномальной дисперсии вблизи фиксированной спектральной линии поглощения плазмы создается распределение оптического показателя преломления с цилиндрическим профилем с максимумом показателя преломления вдоль границы и минимумом вдоль центра трубки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам регистрации аномальной дисперсии неоднородного протяженного плазменного столба и может быть использовано в спектроскопии в неоднородных газовых и плазменных средах, в лазерной спектроскопии и в спектральном анализе газообразных веществ.

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при производстве интегральных микросхем на активных и пассивных подложках и элементов дифракционной оптики на криволинейных поверхностях.

Изобретение относится к области электрореактивных двигателей, а именно к классу плазменных ускорителей (холловских, ионных), использующих в своем составе катоды. .

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к катодам-компенсаторам, работающим на газообразных рабочих телах, и может быть использовано в электрореактивных двигателях для нейтрализации ионного пучка, а также в технологических источниках плазмы, предназначенных для ионно-плазменной обработки поверхностей материалов.

Изобретение относится к области плазменной техники и может быть применено при разработке электронно-лучевых устройств и использовано в электронно-лучевой технологии, экспериментальной физике, плазмохимической технологии.

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к катодам-компенсаторам на газообразных рабочих телах, и может быть использовано при разработке электрореактивных двигателей для нейтрализации ионного пучка, а также в технологических источниках ускоренных потоков для ионно-плазменной обработки поверхности материалов в вакууме.

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к накальным катодам-компенсаторам на газообразных рабочих телах, и может быть использовано при разработке электрореактивных двигателей для нейтрализации ионного пучка, а также в технологических источниках плазмы для ионноплазменной обработки поверхности материалов в вакууме.

Изобретение относится к области сильноточных вакуумных электродуговых устройств. .

Изобретение относится к электроракетным двигателям и можеи использоваться при их конструировании. .

Изобретение относится к области оптики и касается устройства управления параметрами лазерного излучения. Устройство включает в себя источник лазерного излучения, поляризатор, вращающийся оптический элемент и цепь обратной связи.

Изобретение относится к светорегулирующему термохромному устройству, включающему по меньшей мере две светопропускающих подложки и по меньшей мере один термохромный слой, обратимо изменяющий пропускание световых и тепловых потоков при изменении его температуры в видимой и/или ближней ИК областях спектра.

Изобретение относится к источнику импульсного лазерного излучения, который включает в себя последовательно оптически связанные между собой лазер с непрерывным излучением, оптический коммутатор, блок согласования, средство оптической задержки, оптическое средство суммирования излучения, фокусирующую систему.

Изобретение относится к оптической технике. Компенсатор термонаведенной деполяризации γ0 включает в себя расположенный на оптической оси компенсирующий оптический элемент, установленный за поглощающим оптическим элементом.

Изобретение относится к оптике и касается способа повышения плотности мощности светового излучения внутри среды. Способ включает в себя формирование среды в виде многослойной периодической структуры, имеющей в спектре пропускания запрещенную зону, а также узкие резонансные пики полного пропускания и направление в эту среду излучения, длина волны которого совпадает с одним из резонансных пиков полного пропускания.

Изобретение относится к способу управления модуляцией оптического сигнала в устройствах на основе жидких кристаллов (ЖК) и может применяться в ЖК-дисплеях, различных фотонных устройствах и оптических компонентах для телекоммуникационных систем.

Изобретение относится к области лазерной техники. Нанорезонатор состоит из двух гребенчатых пересекающихся фотонно-кристаллических волноводов, в месте пересечения образующих резонансную камеру.

Изобретение относится к оптике дальнего инфракрасного (ИК) и терагерцового (ТГц) диапазонов и может найти применение в установках, содержащих широкополосные источники ТГц-излучения, в ТГц плазменной и фурье-спектроскопии проводящей поверхности и тонких слоев на ней, в перестраиваемых фильтрах ТГц-излучения.

Изобретение относится к способу приготовления гелеобразного полимерного электролита для электрохромных светомодуляторов с пленочными электрохромными слоями на основе полимерных кислот, при этом к полимерной кислоте добавляют низкомолекулярную жидкую при температуре, равной нижней границе температурного диапазона работоспособности светомодулятора, слабую кислоту.

Изобретение относится к полупроводниковой и лазерной технике и предназначено для повышения качества работы фото-, светодиодов и лазеров. .

Изобретение относится к области оптической локации и лазерной техники. Способ выделения части сигнала с максимальным значением интенсивности включает использование целого числа пар, состоящих из нулевого и первого туннельно-связанных нелинейно-оптических волноводов (ТСНОВ). На длине каждых ТСНОВ укладывается нечетное или четное число перекачек мощности излучения при малых входных интенсивностях, когда влиянием оптической нелинейности на процесс перекачки мощности можно пренебречь. При этом вводят сигнал с малыми и большими значениями интенсивности, влияющими вследствие нелинейности на процесс перекачки, в нулевой волновод ТСНОВ, и излучение с выхода соответственно нулевого или первого волновода ТСНОВ подают в нулевой волновод следующей пары ТСНОВ. Параметры всех ТСНОВ и диапазон интенсивности входного сигнала на входе нулевого волновода каждых ТСНОВ подобраны так, что сигнал с большим значением интенсивности выходит соответственно из нулевого волновода, при нечетном числе перекачек для малых входных интенсивностей на длине этих ТСНОВ, или из первого волновода этих ТСНОВ, при четном числе перекачек для малых входных интенсивностей на длине этих ТСНОВ. Технический результат - обеспечение выделения части сигнала с максимальным значением интенсивности оптическими средствами. 11 з.п. ф-лы, 6 ил.
Наверх