Акустооптический сдвигатель частоты лазерного излучения (варианты)

Авторы патента:

G02F1/33 - оптико-акустические устройства для отклонения луча

Владельцы патента RU 2786036:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений" (ФГУП "ВНИИФТРИ") (RU)

Изобретение относится к акустооптике, к устройствам сдвига частоты лазерного излучения для увеличения угла между прямым и дифрагированным лучами лазерного излучения. Предлагается анизотропный акустооптический сдвигатель частоты лазерного излучения, выполненный на одноосном кристалле в виде призмы, на одной из граней которой размещен ультразвуковой преобразователь, согласно изобретению грань, на которую падают прямой и дифрагированный световые лучи, выполнена наклонной под углом, обеспечивающим полное внутреннее отражение лучей и увеличение угла между прямым и дифрагированным лучами вследствие особенностей отражения световых лучей в анизотропной среде, а вывод лучей из призмы осуществляется через грань, противоположную грани, на которой размещен ультразвуковой преобразователь, или через грань, на которой размещен ультразвуковой преобразователь в зависимости от варианта. Технический результат - увеличение угла между прямым и дифрагированным лучами. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к акустооптике и может быть использовано в сдвигателе частоты лазерного излучения для увеличения угла между прямым и дифрагированным (сдвинутым по частоте) лучами лазерного излучения.

Известен сдвигатель частоты лазерного излучения (далее частотосдвигатель), акустооптическая ячейка в котором (см. Фиг1.а) выполнена в виде призмы из одноосного кристалла, на одной из граней которой размещен ультразвуковой преобразователь (УЗП). (статья Акустооптические модуляторы для управляемого сдвига частоты световых пучков оптических и микроволновых стандартах часты на холодных атомах. В.М. Епихин, В.Н. Барышев, С.Н. Слюсарев, А.В. Апрелев, И.Ю. Блинов. Квантовая электроника, 49, №9, С.857-862, 2019).

Техническим результатом, получаемым от использования изобретения, является существенное увеличение угла между прямым и дифрагированным лучами за счет внутреннего отражения лучей в анизотропном акустооптическим сдвигателе частоты лазерного излучения, который выполнен на одноосном кристалле в виде призмы, на одной из граней которой размещен ультразвуковой преобразователь.

Увеличение угла между лучами дает возможность сделать изделия использующие аку сто оптические частотосдвигатели более компактными.

В варианте 1 заявляемого изобретения технический результат достигается за счет того, что анизотропный акустооптический сдвигатель частоты лазерного излучения выполнен на одноосном кристалле в виде призмы, на одной из граней которой размещен ультразвуковой преобразователь, а грань, на которую падают прямой и дифрагированный световые лучи, выполнена наклонной под тупым углом к грани размещения ультразвукового преобразователя. Величина угла наклона грани выбирается обеспечивающей полное внутреннее отражение лучей и увеличение угла между прямым и дифрагированным лучами вследствие особенностей отражения световых лучей в анизотропной среде. Вывод лучей из призмы осуществляется через грань, противоположную грани, на которой размещен ультразвуковой преобразователь.

В варианте 2 изобретения аналогичный результат достигается тем, что грань, на которую падают прямой и дифрагированный световые лучи выполнена наклонной под острым углом к грани размещения ультразвукового преобразователя. Вывод лучей из призмы осуществляется через грань, на которой размещен ультразвуковой преобразователь.

Анизотропный акустооптический сдвигатель частоты лазерного излучения может быть выполнен из кристалла TeO₂.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.

На Фиг. 1 изображены: а) схема анизотропного акустооптического частотосдвигателя; б) два варианта диаграммы акустооптического взаимодействия, которые реализуются в анизотропных частотосдвигателях.

На Фиг. 2 изображена схема частотосдвигателя с выводом оптических лучей через грань 4. (Вариант 1 изобретения).

На Фиг. 3 изображена схема частотосдвигателя с выводом оптических лучей через грань 3, на которой расположен УЗП. (Вариант 2 изобретения).

На Фиг. 4 изображены расчетные зависимости угла между обыкновенным и необыкновенным лучами в прототипе частотосдвигателя (1) и дополнительное увеличение этого угла для двух вариантов расположения отражающей грани (2, 3) в заявляемых частотосдвигателях в зависимости от угла дифракции ф.

Схема анизотропного акустооптического сдвигателя частоты лазерного излучения показанная на Фиг. 2 выполнена на одноосном кристалле в виде призмы, на грани 3 которой размещен ультразвуковой преобразователь 6. Через грань 1 вводится лазерный луч. Грань 2, на которую падают прямой и дифрагированный световые лучи, выполнена наклонной под тупым углом к грани 3. Величина угла наклона грани выбирается обеспечивающей полное внутреннее отражение лучей и увеличение угла между прямым и дифрагированным лучами вследствие особенностей отражения световых лучей в анизотропной среде. Вывод лучей из призмы осуществляется через грань4, мимо поглотителя 5 ультразвуковой волны.

В акустооптическом частотосдвигателе ультразвуковая волна возбуждается ультразвуковым 6 преобразователем (УЗП). Прошедший грань 1 лазерный луч после акустооптической дифракции на ультразвуковой волне луч расщепляется на два луча: обыкновенной и необыкновенной поляризации. Они падают на грань 2 и отражаются. При отражении от грани 2, вследствие законов отражения в анизотропной среде, происходит изменение угла между лучами обыкновенной и необыкновенной поляризации, угол ср после отражения трансформируется в угол Δ. При выходе из призмы, угол Δ в соответствии с законом преломления трансформируется в угол 8.

Изложенное выше описание для варианта 1 изобретения справедливо как для обыкновенного входного луча, так и для необыкновенного входного луча. Дальше мы будем рассматривать случай, когда входной в кристаллическую призму луч имеет обыкновенную поляризацию.

Если угол падения обыкновенного луча на отражающую грань равен 45 градусам, а угол дифракции внутри акустооптической ячейки равен ϕ, отражающая грань 2 расположена как показано на Фиг. 2, то угол отклонения необыкновенного луча от направления распространения обыкновенного луча внутри акустооптической ячейки Δ можно найти из уравнения (1).

Угол дифракции ϕ в формуле (1) положительный, если угол между осью С и необыкновенным лучом больше чем угол между осью С и обыкновенным лучом. В формуле (4) угол дифракции ϕ положительный если угол между осью С и необыкновенным лучом меньше чем угол между осью С и обыкновенным лучом.

В случае анизотропного частотосдвигателя (Фиг. 1) угол δ_o между прямым лучом (при перпендикулярном падении обыкновенного луча на выходную грань 2) и продифрагированным (необыкновенным) лучом равен

Для варианта 1, показанном на Фиг. 2, угол δ₁ между прямым (нулевым) лучом и дифрагированным лучом на выходе из АО равен

На Фиг. 3 показана схема второго варианта анизотропного акустооптического сдвигателя частоты лазерного излучения, выполненного на одноосном кристалле в виде призмы, на грани 3 которой размещен ультразвуковой преобразователь 6. Поглотитель ультразвуковой волны 5 расположен на грани 4. Через грань 1 вводится лазерный луч. После акустооптической дифракции на ультразвуковой волне луч расщепляется на два луча: обыкновенной и необыкновенной поляризации. Грань 2, на которую падают прямой и дифрагированный световые лучи выполнена наклонной под острым углом к грани размещения ультразвукового преобразователя. Величина угла выбирается обеспечивающей полное внутреннее отражение лучей и увеличение угла между прямым и дифрагированным лучами вследствие особенностей отражения световых лучей в анизотропной среде. При отражении от грани 2, в вследствие законов отражения в анизотропной среде, происходит-изменение угла между лучами обыкновенной и необыкновенной поляризации, угол ϕ после отражения трансформируется в угол Δ. При выходе из призмы угол Δ в соответствии с законом преломления трансформируется в угол δ.

Изложенное выше описание для варианта 2 изобретения справедливо как для обыкновенного входного луча, так и для необыкновенного входного луча. Дальше мы будем рассматривать случай, когда входной в кристаллическую призму луч имеет обыкновенную поляризацию. Вывод лучей из призмы осуществляется через грань 4 мимо ультразвукового преобразователя. Угол отклонения необыкновенного луча от направления распространения обыкновенного луча внутри акустооптической ячейки Δ можно найти из уравнения (4).

Где n_o и n_e показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, Δ -угол внутри акустооптической ячейки между обыкновенным и необыкновенными лучами после полного внутреннего отражения от наклонной грани 2 призмы, θ - угол между оптической осью кристалла и направлением распространения входного обыкновенного луча, γ - угол наклона плоскости на которой расположен ультразвуковой преобразователь к плоскости перпендикулярной оптической оси С. ϕ - угол дифракции внутри АОЯ который определяется геометрией АО взаимодействия и зависит от частоты звуковой волны, скорости звуковой волны, длины волны дифрагирующих световых волн, показателей преломления света. Угол ϕ обычно определяется нужным частотным сдвигом и некоторыми другими требуемыми характеристиками частотосдвигателя. Для варианта частотосдвигателя, показанном на Фиг. 3 и перпендикулярном падении обыкновенного луча на выходную грань призмы (пункт 2 изобретения.) угол δ₂ между прямым лучом и дифрагированным лучом на выходе из АО равен

В следствии малости углов δ_o, δ₁, δ₂ в формулах (2, 3, 5) принято sin(δ)=δ.

На Фиг. 4 показаны зависимости угла δ_o, разности модулей углов (|δ₁|-|δ_o|) для частосдвигателя (Вариант 1) и разности модулей углов (|δ₂|-|δ_o|) для частосдвигателя (Вариант 2) от угла дифракции ϕ. Во всех расчетах θ=11.95°.

Расчеты и эксперименты показывают, что при использовании кристалла парателлурита (Пункты 1 и 3 изобретения.) в частотосдвигателе (Вариант 1), работающем на частоте 80 МГц, для лазерного луча с длиной волны 532 нм, при угле θ=11,95° и угле дифракции ϕ=1,65° при выходе из призмы угол между прямым и дифрагированным лучами δ₁≈12°. Для частотосдвигателя (Вариант 2) при угле θ=11,95°, угле дифракции ϕ=1,65°, угле γ=7,1° и перпендикулярном падении обыкновенного луча на грань 3 (Пункты 2 и 3 изобретения.) расчетная величина δ₂≈12,9°.

Для варианта частотосдвигателя, выбранного в качестве прототипа, угол между прямым и дифрагированным лучами δо≈3,8 градуса.

Таким образом угол между прямым и дифрагированным лучами увеличивается более чем в 3 раза.

1. Анизотропный акустооптический сдвигатель частоты лазерного излучения, выполненный на одноосном кристалле в виде призмы, на одной из граней которой размещен ультразвуковой преобразователь, отличающийся тем, что грань, на которую падают прямой и дифрагированный световые лучи, выполнена наклонной под углом, обеспечивающим полное внутреннее отражение лучей и увеличение угла между прямым и дифрагированным лучами вследствие особенностей отражения световых лучей в анизотропной среде, а вывод лучей из призмы осуществляется через грань, противоположную грани, на которой размещен ультразвуковой преобразователь.

2. Анизотропный акустооптический сдвигатель частоты лазерного излучения, выполненный на одноосном кристалле в виде призмы, на одной из граней которой размещен ультразвуковой преобразователь, отличающийся тем, что грань, на которую падают прямой и дифрагированный световые лучи, выполнена наклонной под углом, обеспечивающим полное внутреннее отражение лучей и увеличение угла между прямым и дифрагированным лучами, а вывод лучей из призмы осуществляется через грань, на которой размещен ультразвуковой преобразователь.

3. Анизотропный акустооптический сдвигатель частоты лазерного излучения по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что выполнен из кристалла ТеО₂.

Изобретение относится к жидкокристаллическим структурам. Способ заключается в том, что на СЖК затвор подают попеременно информационный электрический сигнал с одной полярностью и запирающий электрический сигнал с другой (противоположной) полярностью для получения соответственно максимального и минимального значений оптического пропускания СЖК затвора, при этом запирающий электрический сигнал подают в виде последовательности электрических импульсов малой длительности, общая площадь которых равна площади информационного электрического сигнала за счет варьирования параметрами информационного и запирающего электрических сигналов.

Акустооптический элемент брэгга // 2677117

Изобретение относится к акустооптике и может быть использовано в приборах отклонения и модуляции лазерных пучков и, в частности, при разработке устройств ввода информации в системах оптической обработки радиосигналов. Устройство состоит из фотоупругой среды и акустически связанного с ней многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя, содержащего последовательность расположенных в ряд электрически соединенных посредством длинных ленточных проводников с одним из электродов передающей линии емкостных элементов с заполнением в виде пьезоэлектрического слоя одинаковой толщины, у которых электроды, расположенные с противоположной стороны пьезоэлектрического слоя, также соединены непосредственно с этим же электродом передающей линии, причем первый ленточный проводник, соединяющий крайний в ряду емкостной элемент и электрод передающей линии, соединен в своей средней части с другим электродом передающей линии, а электрод каждого емкостного элемента между пьезоэлектрическим слоем и фотоупругой средой выполнен в виде клина с изменяющейся в направлении ряда емкостных элементов толщиной.

Бесполяризаторный акустооптический монохроматор // 2640123

Изобретение относится к измерительной технике, прикладной оптике, спектрометрии, технике получения спектральных изображений (видеоспектрометрии). Устройство содержит неколлинеарный акустооптический (АО) фильтр, в котором в качестве элемента для выделения полезного дифрагировавшего светового пучка использована определенным образом ориентированная выходная грань кристалла акустооптической ячейки фильтра.

Голографический способ автоматической регулировки усиления сигнала // 2597664

Голографический способ автоматической регулировки усиления (АРУ) сигнала включает в себя обеспечение фокусировки светового потока внутри электрооптического элемента. Подачу контролируемого электрического сигнала на электроды, нанесенные на боковые грани оптически прозрачного электрооптического элемента.

Акустооптический измеритель параметров радиосигналов с повышенным разрешением // 2584182

Акустооптический измеритель параметров радиосигналов включает в себя последовательно по свету расположенные лазер, коллиматор, АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую линзу, в фокальной плоскости которой расположено регистрирующее устройство, и цилиндрическую линзу, расположенную между интегрирующей линзой и линейкой фотоприемников.

Устройство селекции сигналов по частоте // 2583128

Устройство селекции сигналов по частоте содержит последовательно оптически соединенные лазер, коллиматор, акустооптический модулятор (АОМ) света, первую интегрирующую линзу и пространственный фильтр, а также вторую интегрирующую линзу и линейку фотодиодов. Электрический вход модулятора является входом устройства.

Способ формирования лазерного растра // 2532504

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для формирования лазерного растра систем управления, лазерных прицелов и может быть использовано при управлении, посадке и стыковке летательных аппаратов, проводке судов по сложным фарватерам, обнаружении оптикоэлектронных приборов по «блику», дистанционном управлении робототехническими устройствами.

Акустооптический монохроматор для фильтрации оптических изображений // 2532133

Изобретение относится к области прикладной оптики и спектрометрии и касается акустооптического монохроматора. Монохроматор содержит неколлинеарный акустооптический фильтр, отличающийся тем, что в качестве элемента для компенсации дисперсии использована выходная грань кристалла акустооптической ячейки фильтра.

Устройство селекции сигналов по частоте // 2498413

Устройство относится к области обработки сигналов и предназначено для использования во входных цепях радиоприемных систем. Устройство селекции сигналов содержит последовательно оптически соединенные лазер, коллиматор, первый акустооптический модулятор (АОМ) света, электрический вход которого является входом устройства, первую линзу проектирующей оптической системы, первый пространственный фильтр, последовательно соединенную вторую линзу проектирующей оптической системы, второй АОМ света, оптически соединенный с интегрирующей линзой через второй порядок дифракции, второй пространственный фильтр и фотодетектор, выполненный в виде линейки фотодиодов.

Способ селекции сигналов по частоте // 2498412

Способ относится к области обработки сигналов и предназначен для использования во входных цепях радиоприемных систем. Способ селекции сигналов включает формирование пространственно-когерентного монохроматического светового потока, первую фазовую модуляцию этого потока пространственно-временным акустическим сигналом, соответствующим входному электрическому сигналу, пространственную фильтрацию светового потока, вторую фазовую модуляцию светового потока пространственно-временным акустическим сигналом, соответствующим входному электрическому сигналу и имеющим в два раза большую длину волны, чем при первой фазовой модуляции, интегрирование светового потока, вторичную пространственную фильтрацию и пространственно-дискретное детектирование.