Устройство для модуляции лазерного излучения



Устройство для модуляции лазерного излучения
Устройство для модуляции лазерного излучения
Устройство для модуляции лазерного излучения
Устройство для модуляции лазерного излучения

 


Владельцы патента RU 2616935:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) (RU)

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается устройства для модуляции лазерного излучения. Устройство содержит поворотную платформу, подложку со сформированной на ее поверхности рельефной дифракционной решеткой, зеркало и установленный в нулевом порядке дифракции оптический пространственный фильтр. Дифракционная решетка и зеркало закреплены на поворотной платформе таким образом, что плоскость зеркала располагается перпендикулярно линиям профиля решетки и образует с плоскостью дифракционной решетки уголковый отражатель. Глубина прямоугольного рельефа решетки h равна одному из значений, рассчитанных по формуле: , где λ - длина волны лазерного излучения, k - целое положительное число. Технический результат заключается в повышении точности позиционирования выходного оптического пучка. 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к оптоэлектронике и приборостроению. Предлагаемое устройство предназначено для модуляции мощности лазерного излучения во времени и может применяться в широком диапазоне длин волн лазерного излучения видимого и инфракрасного диапазона.

Известны механические модуляторы, которые осуществляют модуляцию мощности лазерного излучения во времени в результате периодического механического прерывания лазерного пучка. Один из известных вариантов модулятора содержит модулирующий блок в виде непрозрачного диска с прорезями, через которые проходит пучок лазерного света (Катыс Г.П. Оптико-электронная обработка информации. // М., изд Машиностроение, 1973, с. 287-291). При вращении диска происходит прерывание лазерного пучка.

Недостатки данного устройства-аналога следующие. При очередном прерывании лазерного пучка происходит его частичное перекрытие, нарушается форма пучка и, вследствие этого, происходит искажение пространственного спектра модулированного лазерного пучка. Еще один недостаток состоит в том, что модулятор-аналог производит модуляцию с глубиной 100% и не позволяет изменять глубину модуляции мощности оптического пучка пропорционально управляющему фактору, например пропорционально управляющему напряжению.

Наиболее близкий аналог предлагаемого устройства (патент №2411620 с приоритетом от 13 августа 2009 г. «Модулятор лазерного излучения», зарегистрирован в Гос. Реестре изобретений РФ 10 февраля 2011 г.) содержит модулирующий блок, который выполнен в виде платформы, которая установлена на оси поворота, на этой платформе закреплена подложка, на поверхности которой сформирована рельефная отражающая дифракционная решетка, имеющая прямоугольный профиль. Дифракционная решетка ориентирована таким образом, что линии профиля решетки перпендикулярны оси поворота платформы. Глубина рельефа решетки превышает четверть длины волны модулируемого лазерного излучения, а поверх решетки нанесено зеркальное отражающее покрытие. Платформа связана с механизмом управления углом поворота - электромеханическим вибратором, который предназначен для поворота платформы относительно оси. Пучок лазерного излучения направлен на дифракционную решетку под углом, таким образом, что плоскость падения-отражения параллельна линиям дифракционной решетки, а на выходе отраженного пучка лазерного излучения установлен щелевой пространственный фильтр, выделяющий нулевой дифракционный порядок.

При изменении угла наклона платформы устройства-прототипа происходит модуляция мощности излучения нулевого дифракционного порядка, но вместе с этим всегда происходит изменение направления излучения выходного оптического пучка. Таким образом, устройство-прототип является не только модулятором мощности, но одновременно и пространственно-временным модулятором лазерного излучения, что в ряде случаев является недостатком устройства. При решении многих практических задач передачи информационных сигналов и сигналов управления необходимо иметь только модуляцию мощности лазерного пучка без сопутствующего изменения направления лазерного пучка, так как при изменении направления пучка излучение может пройти мимо апертуры приемника лазерного излучения. Таким образом, недостаток устройства-прототипа состоит в том, что вследствие пространственной модуляции снижается точность позиционирования выходного лазерного пучка в пространстве.

Техническим результатом изобретения является повышение точности позиционирования выходного оптического пучка в пространстве при модуляции мощности выходного пучка за счет устранения изменений направления пучка излучения на выходе модулятора.

Технический результат достигается тем, что устройство для модуляции лазерного излучения, содержащее подложку, на поверхности которой сформирована рельефная дифракционная решетка с прямоугольным профилем, глубина рельефа которой превышает четверть длины волны модулируемого лазерного излучения, закрепленную на платформе с осью поворота, которая перпендикулярна линиям профиля дифракционной решетки, механизм управления углом поворота платформы, оптический пространственный фильтр, установленный в нулевом порядке дифракции лазерного пучка после его отражения от дифракционной решетки, дополнительно содержит закрепленное на платформе зеркало, плоскость которого перпендикулярна линиям профиля решетки и образует с плоскостью отражающей дифракционной решетки уголковый отражатель для лазерного пучка, а пространственный фильтр, выделяющий нулевой порядок в дифракционной картине, установлен на выходе пучка излучения после последовательного отражения лазерного пучка от дифракционной решетки и затем от зеркала, при этом глубина рельефа решетки h равна одному из значений, рассчитанных по формуле: , где λ - длина волны лазерного излучения, k - целое положительное число.

В предлагаемом устройстве направление выходного оптического пучка после его отражения от дифракционной решетки и затем от зеркала противоположно направлению пучка, падающего на отражательную дифракционную решетку, и не изменяется при повороте платформы. При этом в результате углового отклонения платформы при ее повороте вокруг оси, расположенной перпендикулярно линиям профиля решетки, мощность излучения на выходе схемы в нулевом порядке дифракции, выделенном с помощью пространственного фильтра, изменяется в диапазоне от нулевой величины до максимальной величины Pmax, близкой к мощности излучения лазера Pin на входе устройства: Pmax=PЭФФ=Pin⋅RРЕШ⋅RЗ, где RРЕШ - коэффициент отражения от поверхности решетки, a RЗ - коэффициент отражения от поверхности зеркала.

Схема предлагаемого устройства изображена на фиг. 1, где 1 лазер, установленный на столике с механическими регулировками его положения и направления излучения, регулируемое поворотное зеркало 2, которое служит для коррекции направления оптического пучка на отражающую решетку, модулирующий блок, содержащий поворотную платформу 4 на оси поворота 5 с закрепленной на поворотной платформе подложкой, на поверхности которой сформирована периодическая рельефная отражательная дифракционная решетка 3 с прямоугольным профилем, сечение которого изображено на фиг. 2, с глубиной рельефа h, с периодом решетки Λ, во много раз меньшим диаметра лазерного пучка d, при этом глубина рельефа равна одному из следующих значений:

где λ - длина волны лазерного излучения, k - целое положительное число. Дополнительно в оптическую схему устройства введено закрепленное на поворотной платформе 4 зеркало 7, установленное на пути пучка, отраженного от дифракционной решетки 3, расположенное так, что его плоскость перпендикулярна плоскости отражательной дифракционной решетки, а на пути пучка, отраженного от зеркала 7, установлен пространственный фильтр 8, который снабжен регулировкой его положения в пространстве так, чтобы он выделял из дифракционной картины только один - нулевой дифракционный порядок, при этом плоскость падения-отражения лазерного пучка ориентирована с помощью направляющего зеркала 2 таким образом, чтобы плоскость падения-отражения лазерного пучка была параллельна направлению линий профиля отражающей дифракционной решетки. Устройство снабжено механизмом перемещения 6, связанным с платформой 4, с помощью которого осуществляется изменение углового положения модулирующего блока относительно оси поворота 5.

Устройство работает следующим образом. Пучок излучения от лазера 1 направляется с помощью регулируемого зеркала 2 на отражающую рельефную дифракционную решетку 3 под углом падения 45° таким образом, чтобы плоскость падения-отражения пучка была параллельна линиям профиля рельефной дифракционной решетки. Поперечный размер оптического пучка d во много раз (типично в 5-10 раз) больше периода дифракционной решетки, поэтому при дальнейшем распространении оптического пучка дифракционные порядки хорошо разделяются по углам в пространстве. После отражения от рельефной дифракционной решетки оптический пучок отражается вторично от зеркала 7 и направляется на пространственный фильтр 8, который выделяет из дифракционной картины только нулевой порядок дифракции. Модуляция (изменение) мощности выделенного оптического пучка нулевого порядка дифракции осуществляется в результате поворота платформы относительно оси 5 под действием механизма перемещений 6 в соответствии с зависимостью мощности нулевого порядка от угла падения лазерного пучка на отражающую решетку. Зависимость мощности нулевого порядка дифракции от угла падения Θ выражается формулой (В.А. Комоцкий, Ю.М. Соколов, А.Н. Алексеев, Е.В. Басистый. Исследование оптоэлектронного датчика угловых смещений на основе глубокой отражающей фазовой дифракционной решетки // Вестник РУДН. Серия Математика. Информатика. Физика. - 2009 - №4 - с. 95-101):

Здесь: PЭФФ=Pin⋅RРЕШ⋅RЗ.

Из выражения (2) находим те значения параметра относительной глубины отражательной решетки: , которые соответствуют середине линейных участков зависимости P0(Θ), которые соответствуют углу падения Θ=45°. Эти значения можно рассчитать по формуле:

Расчетные значения параметра γ приведены в таблице 1.

На Фиг. 3 приведены зависимости изменения мощности нулевого порядка дифракции от угла падения лазерного пучка на решетку для нескольких вариантов отражательных дифракционных решеток, имеющих различные глубины рельефа: h=1,23λ h=1,93λ и h=2,99λ. Для этих значений глубин рельефа середина одного из линейных участков зависимости мощности нулевого порядка дифракции от угла падения оптического пучка на отражательную дифракционную решетку соответствует углу падения лазерного пучка на решетку 45°. При изменении угла падения от ΘMIN до ΘMAX мощность излучения в нулевом порядке дифракции изменяется от P0≈0 до P0=PMAX=PЭФФ. Диапазон углов ΔΘMIN-MAX, в котором мощность нулевого порядка изменяется от P0≈0 до P0=PMAX=PЭФФ, различен для разных значений глубины рельефа, т.е. для разных рабочих точек. Расчетные значения ΔΘMIN-МАХ приведены в таблице 1. Как видно из таблицы 1, при уменьшении параметра этот диапазон углов увеличивается. Если ограничить диапазон углов величиной порядка 10°, то следует применять рельефные решетки с глубиной порядка 2-3 длин волн лазерного излучения. Так, например, если глубина рельефа составляет h=2,99λ≈3⋅λ, то при изменении угла падения в диапазоне от ΘMIN=41,4° до ΘMIN=48,1° мощность излучения в нулевом порядке изменяется от нулевой до максимальной величины, которая при высоких коэффициентах отражения решетки 3 и зеркала 7 может быть близкой к мощности излучения лазера на входе оптической схемы. Поскольку плоскость отражающей дифракционной решетки 3 и плоскость зеркала 7 образуют угол 90°, т.е. фактически образуют уголковый отражатель, то при повороте модулирующего блока относительно оси 5 направление выходного оптического пучка нулевого порядка не изменяется. Существует лишь небольшое смещение координаты выходного пучка вследствие наклона модулирующего блока, однако при правильном выборе параметров уголкового отражателя и рабочей точки это смещение не превышает 20-30 процентов от диаметра пучка. В итоге при повороте модулирующего блока относительно оси 5 под действием механизма перемещения достигается технический результат - увеличение точности позиционирования выходного пучка излучения при изменении его мощности.

Рассмотрим пример технической реализации устройства.

Поставим задачу модуляции излучения лазера с длиной волны λ=10.6 мкм. Для изготовления отражательной решетки выберем подложку из меди, поверхность которой отполирована. На поверхности медной подложки изготовим рельефную решетку в виде канавок с периодом 400 микрометров. Ширина канавок составляет половину периода, т.е. 200 микрометров. При диаметре лазерного пучка d=6 мм период решетки меньше диаметра пучка в 15 раз, что вполне достаточно для хорошего разделения дифракционных порядков. Угол Θ0-1, под которым дифрагирует первый порядок по отношению к нулевому порядку, составит: .

Для хорошего разделения дифракционных порядков расстояние от дифракционной решетки до диафрагмы должно существенно превышать величину . Тогда, расположив диафрагму на расстоянии 500 мм - 700 мм от модулирующего блока, мы получим хорошее выделение нулевого порядка дифракции. Как отмечалось выше, глубина рельефа может быть различной. Рассмотрим вариант выбора глубины рельефа, соответствующий числу k=5, при этом , а глубина канавок составит 20,5 микрометров. В этом случае диапазон угловых отклонений ΔΘMIN-MAX, в пределах которого мощность изменяется от минимальной до максимальной величины, составит: ΔΘMIN-MAX 10,6° (от ΘMIN=49,6° до ΘMAX=39°). Таким образом, изменяя наклон модулирующего блока на 10,6°, мы получим изменение мощности в самых широких пределах от P0≈0 до P0=PMAX=PЭФФ. Направление выходного пучка при наклоне модулирующего блока не изменяется. Рабочий участок зависимости P(Θ) в данном случае имеет отрицательный наклон. Если установить определенный начальный угол наклона модулирующего блока, при котором угол падения входного пучка лазера на решетку составит Θ=45°, и при этом совершать малые угловые движения модулирующего блока в диапазоне углов, существенно меньшем, чем диапазон ΔΘMIN-MAX, то мы получим изменение мощности выходного пучка, пропорциональное угловому смещению модулирующего блока. В результате в этом режиме работы мы получаем линейную зависимость изменения мощности излучения на выходе схемы в соответствии с законом углового смещения модулирующего блока. При этом направление выходного пучка не изменяется. Имеет место лишь незначительное смещение позиции выходного пучка, которое существенно меньше, чем диаметр лазерного пучка. Оценим возможное смещение пучка на выходе при максимальном диапазоне угловых отклонений модулирующего блока 10,6°, т.е. 0,18 радиан. При условии, что расстояние между центрами падающего на решетку пучка и отраженного от зеркала пучка на уголковом отражателе составляет 10 мм, смещение выходного пучка составит: Δ=0,18*10 мм=1,8 мм. При диаметре пучка d=6 мм смещение составит менее 30% диаметра пучка. С увеличением глубины рельефа диапазон углов ΔΘMIN-MAX уменьшается и, соответственно, диапазон отклонений Δ уменьшается.

Устройство для модуляции лазерного излучения, содержащее подложку, на поверхности которой сформирована рельефная дифракционная решетка с прямоугольным профилем, глубина рельефа которой превышает четверть длины волны модулируемого лазерного излучения, закрепленную на платформе с осью поворота, которая перпендикулярна линиям профиля дифракционной решетки, механизм управления углом поворота платформы, оптический пространственный фильтр, установленный в нулевом порядке дифракции лазерного пучка после его отражения от дифракционной решетки, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит закрепленное на платформе зеркало, плоскость которого перпендикулярна линиям профиля решетки и образует с плоскостью отражающей дифракционной решетки уголковый отражатель для лазерного пучка, а пространственный фильтр, выделяющий нулевой порядок в дифракционной картине, установлен на выходе пучка излучения после последовательного отражения лазерного пучка от дифракционной решетки и затем от зеркала, при этом глубина рельефа решетки h равна одному из значений, рассчитанных по формуле: , где λ - длина волны лазерного излучения, k - целое положительное число.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу лазерной маркировки изделия из алюминия или его сплава с оксидным внешним слоем и может быть использовано, преимущественно, при изготовлении конструкционных, оптических и электронных элементов, электрических утюгов, бритв, кнопок, в том числе дверных, и т.п.

Изобретение относится к лазерной технике. Монокристаллический материал на основе ниобата лития, с неоднородным распределением лития по заданному закону вдоль активного лазерного элемента, характеризуется следующей структурной формулой:Lia(z)Nbb(z)O3 где: a(z)=p*F(z), где 0,99≤a(z)≤1; b(z)=a(z)/R, где R=Li/Nb, где 0,93≤b(z)≤0,96; F(z)=th(z); p=49,98 ат.

Изобретение относится к устройству для поглощения излучения оптического диапазона длин волн. Цилиндрический корпус выполнен с открытой с одной стороны внутренней полостью, в которой располагается конический элемент, обращенный своим острием в сторону подводимого излучения.

Лазерный блок содержит расположенные на одной оптической оси источник лазерного излучения, вход управления питанием которого образует первый управляющий вход лазерного блока, средство оптической фокусировки и оконечный элемент, а также фотодетектор, выход которого образует информационный выход лазерного блока.

Способ настройки зеркал резонатора заключается в том, что устанавливают оправы с зеркалами с прижатием в трех точках на несущую часть резонатора и совмещают рабочие поверхности зеркал.

Система для усиления светового потока включает в себя первый отражатель, первую апертуру, первый поляризатор, выполненный с возможностью отражать световое излучение, характеризующееся первым состоянием поляризации, набор зеркал и второй поляризатор.

Изобретение относится к лазерной технике. Лазерное устройство включает в себя генератор, который генерирует и выводит пучок фемтосекундных затравочных импульсов, модуль растяжения-сжатия, который растягивает длительность затравочных импульсов, и усилитель, который принимает растянутые затравочные импульсы, усиливает амплитуду выбранных растянутых затравочных импульсов для создания усиленных растянутых импульсов и выводит лазерный пучок усиленных растянутых импульсов обратно на модуль растяжения-сжатия, который сжимает их длительность и выводит лазерный пучок фемтосекундных импульсов.

Изобретение относится к лазерной технике. Способ сканирования с помощью лазерной системы содержит этапы, на которых: генерируют фемтосекундные затравочные импульсы с помощью генератора, увеличивают длительность затравочных импульсов, усиливают растянутые импульсы, компенсируют дисперсию групповой задержки импульсов в диапазоне 5000-20000 фс2 с помощью компенсатора дисперсии между торцевыми зеркалами усилителя, уменьшают длительность импульсов.

Аподизатор лазерного пучка включает зубчатую диафрагму и пространственный фильтр, в котором зубчатая диафрагма с радиусом окружности вершин зубцов Rd дополнена корректирующим элементом.

Лазерная система одномодового одночастотного излучения содержит систему поворотных зеркал, установленных с возможностью образования кольцевого резонатора и по меньшей мере одной дополнительной петли излучения в нём.
Изобретение относится к области фотометрических измерений и касается устройства для измерения чувствительности и пороговой энергии фотоприемных устройств. Устройство включает в себя источник непрерывного излучения, вращающееся зеркало или призму и щель, образующих импульсный источник излучения в виде ослабителя-преобразователя и ослабителя-формирователя пучка излучения в виде коллиматора, на оптической оси которого, ближе к фокальной плоскости, находится выходное отверстие фотометрического шара.

Изобретение относится к аппаратным средствам персонального компьютера /ПК/, а именно к конструктивным средствам отображения, и может быть использовано в плоскопанельных дисплеях мониторов.

Изобретение относится к способу оптической модуляции лучистого потока, воздействующего на приемник лучистой энергии. .

Изобретение относится к нелинейной интегральной и волоконной оптике, может применяться для высокоскоростной, эффективной обработки информации (со скоростями переключения не более десятков фемтосекунд).

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в фотометрических и радиометрических приборах, а также для амплитудной и широтно-импульсной модуляции непрерывного излучения источников в системах дистанционного контроля и автоматики.

Изобретение относится к оптико-механическому приборостроению и может быть использовано для модуляции световых потоков. .

Изобретение относится к технической оптике и позволяет повысить быстродействие устр-ва, стабильность частоты модуляции и расширить диапа-т зон углового отклонения.

Изобретение относится к области конструирования оптических приборов, в частности модуляторов света.Целью изобретения является стабилизация частоты модуляции светового потока электромеханическим модулятором.

Изобретение относится к устройствам аодуляции световых потоков и предназначено дпя использования в фотометрических и спектрофотометрических приборах. .

Изобретение относится к области лазерной техники и касается системы формирования лазерного излучения. Система включает в себя источник импульсного лазерного излучения, оптические элементы, содержащие фокусирующий объектив и выполненные с возможностью изменения длительности лазерных импульсов, устройство контроля, предназначенное для измерения длительности лазерных импульсов и выявления изменения длительности импульса, и управляющий компьютер. Компьютер выполнен с возможностью приема значений длительности импульса, определения параметров лазера, которые компенсируют изменение длительности импульса, и управления источником лазерного излучения в соответствии с одним или более параметров лазера. Устройство контроля выполнено с возможностью соединения с фокусирующим объективом или расположения внутри фокусирующего объектива. Технический результат заключается в увеличении точности настройки длительности лазерных импульсов. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх