СПОСОБ КОНТРОЛЯ ВЕЛИЧИНЫ ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ Российский патент 1997 года по МПК G02F1/03 

Изобретение относится к измерительной физике и предназначено для контроля величины управляющего напряжения в электрооптических кристаллах (ЭОК). Такие кристаллы входят, в частности в состав анализаторов поляризации и дефлекторов света, и находят широкое применение в различных областях науки и техники, например в астрофизике, где они используются в поляриметрах и в магнитографах. Обычно использование ЭОК основано на применении продольного электрооптического эффекта Поккельса.

Известно несколько способов контроля четвертьволнового [1] и полуволнового [2, 3] напряжений, применяемых для случая постоянного [2] или знакопеременного [1, 3] напряжений. Однако этим способом присущи такие недостатки, как малая точность измерений и (или) сложность практической реализации.

Наиболее близким к изобретению по сущности используемых принципов является способ [4] контроля четвертьволнового напряжения, при котором перед ЭОК, на который подается знакопеременное напряжение, устанавливается один поляризатор (Р), а позади другой поляризатор-анализатор (А), причем направление пропускания последнего составляет с наведенными осями кристалла угол в 45^o. Основным параметром является отношение K максимальных интенсивностей света, прошедшего такую систему, при окрещенных и параллельных поляризаторах Р и A. Измерения K выполняются в достаточно широком диапазоне значений напряжения U, далее по измеренным значениям строится график зависимости K от U и отыскивается точка, в которой производная δA/δU равна единице. Значение напряжения в этой точке и принимается за четвертьволновое.

Недостатком метода является необходимость значительных затрат наблюдательного времени, сложность и многоэтапность процедуры наблюдений и неоперативность обработки, что в конечном итоге делает его малоприемлимым для практического применения. Кроме того, в устройстве, используемом для реализации способа-прототипа, отсутствует возможность контроля зависимости напряжения от температуры, что чрезвычайно важно с практической точки зрения.

Целью изобретения является повышение точности контроля четвертьволнового напряжения, ускорение процесса измерений и упрощение процедуры обработки.

На фиг. 1 показано устройство, реализующее предлагаемый способ. Устройство содержит поляризатор P, входную щель спектрографа 2, термодатчик 3, электрооптический кристалл 4, на который подается знакопеременное напряжение прямоугольной формы (меандр), поляризатор-анализатор 5, автоколлимационную линзу 6, дифракционную решетку 7, плоское зеркало 8, фотоприемник 9, электронно-измерительную аппаратуру 10, аналоговый регистратор 11, компьютер 12, модуль опроса и управления напряжением 13, цифровой индикатор 14.

Для объяснения средств, с помощью которых на описанном устройстве достигается указанная цель, обратимся к формуле (1), определяющей интенсивность света после прохождения системы "поляризатор электрооптический кристалл (фазовая пластинка) анализатор":

где:
I₀ интенсивность света после прохождения первого поляризатора; β угол между направлениями пропусканий поляризаторов; a угол между направлением пропускания P и одной из осей ЭОК; d величина фазовой задержки в кристалле между о- и е-лучами, которая, в свою очередь, выражается формулой:
d = (2πГU/λ), (2)
в которой Г эффективная электрооптическая постоянная, U приложенное к кристаллу напряжение; λ длина волны света, в которой производятся наблюдения.

При ориентации осей ЭОК под углом 45^o к направлению пропускания анализатора А (что имеет место для устройства на фиг. 1 и для большинства других случаев) и при точно четвертьволновом напряжении, из формулы (1) вытекают два важных следствия. Первое при положении P, соосном с A, интенсивность света при включенном напряжении составляет ровно половину интенсивности, регистрируемой при выключенном напряжении (δ = 0) Второе - интенсивность света при работающем кристалле не зависит от ориентации поляризатора P. Эти свойства и были положены в основу предлагаемого способа.

Практически способ реализуется следующим образом.

В пучок света перед входной щелью спектрографа соосно с A устанавливают поляризатор P и при отключенном напряжении на самописце 11 или в цифровом виде на экране компьютера 12 регистрируют соответствующее значение интенсивности I'. Затем включает напряжение и варьируют его таким образом, чтобы регистрируемая интенсивность света I₁ составляла ровно половину I'. На цифровом индикаторе 14 с помощью модуля 13 фиксируют соответствующее значение напряжения U₁. Затем поляризатор P поворачивают в положение, ортогональное с A, подбором напряжения вновь устанавливают уровень интенсивности, равный I₁ и снимают значение напряжения U₂. Окончательно за четвертьволновое напряжение принимают значение U₃=(U₁+U₂)/2. Отличие U₁ и U₂, которое в идеале должно полностью отсутствовать, обычно очень невелико и составляет 3 - 5% процедура измерений в двух положениях поляризатора P минимизирует влияние различных методических эффектов и возможных ошибок измерений. Весь процесс градуировки ЭОК занимает всего несколько минут наблюдательного времени и отличается высокой точностью.

На фиг. 2 показаны результаты исследования зависимости четвертьволнового напряжения кристалла DKDP от температуры. Уравнение линейной регрессии, проведенной по экспериментальным точкам, имеет вид:

Выполненные по нашим данным (для T 20^oC) расчеты величины полного электрооптического коэффициента дают значение 23,3•10^-12 м/в. Результаты измерений других авторов, которые можно найти, например в монографии [3] дают значения в диапазоне от 20•10^-12 м/в до 27•10^-12 м/в, что соответствует разнице четвертьволновых напряжений в 500 Вт. Отличие данных обусловлено, по-видимому, главным образом различной степенью дейтерирования используемых образцов кристаллов и применением различных методик измерений.

Воспользуемся формулами (1) и (3) для определения точности рассматриваемого метода. Расчеты показывают, что при отличии реального напряжения в кристалле от точно четвертьволнового всего на 10% (например, если для T 20^oC вместо необходимых 1648 Вт установлено 1484 вольта), это приведет к изменению интенсивности света (I_max/I_min) при вращении поляризатора на 32% Точность даже визуального контроля вариаций интенсивности составляет не менее одного процента (в цифровом виде как минимум на порядок выше), что означает, что величина напряжения может быть выставлена с точностью не хуже пол-процента.

Использование: изобретение относится к измерительной технике и предназначено для контроля величины управляющего напряжения в электрооптических кристаллах (ЭОК), входящих в состав анализаторов поляризации и дефлекторов света. Сущность изобретения: свет пропускают через два поляризатора, один из которых устанавливают впереди ЭОК по ходу пучка света, а второй, поляризатор-анализатор, позади, причем направление пропускания последнего составляет 45^o с наведенными при подаче на ЭОК знакопеременного напряжения осями, спектрограф и направляют в фотоприемник, регистрируют интенсивность света, производят управление ЭОК и измеряют значения напряжения и температуры в процессе наблюдений. При этом подбирают такое значение управляющего напряжения, разного для разных температур, при котором интенсивность света, регистрируемая при соосном положении поляризатора и анализатора и включенном напряжении, составляет ровно половину от интенсивности при отключенном напряжении, и при котором вариации интенсивности света при вращении перед ЭОК поляризатора минимальны или полностью отсутствуют. 2 ил.

Способ контроля величины четвертьволнового напряжения в электрооптических кристаллах, в котором свет пропускают через последовательно расположенные поляризатор, электрооптический кристалл, анализатор, спектрограф и направляют на фотоприемник, при этом на кристалл, оси которого ориентированы под углом 45^o к направлению пропускания анализатора, подают знакопеременное напряжение, а сигнал интенсивности света с фотоприемника измеряют на регистрирующем устройстве, отличающийся тем, что поляризатор первоначально устанавливают соосно с анализатором, отключают питающее кристалл напряжение и регистрируют интенсивность света 1', затем включают напряжение и устанавливают его значение U₁ таким, чтобы регистрируемая интенсивность 1₁ составляла ровно половину 1', после этого поляризатор устанавливают ортогонально анализатору и устанавливают значение напряжения U₃, при котором регистрируется тот же самый уровень интенсивности 1₁, окончательно за четвертьволновое напряжение принимают значение U₃ (U₁ + U₂)/2.