ОПТИЧЕСКИЙ АТТЕНЮАТОР Российский патент 1997 года по МПК G02B5/20 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в системах оптической связи, локации и лазерной технологии.

Известны оптические аттенюаторы по авт. св. N 892398, G 02 B 5/22, "Поляризационный ослабитель", и авт.св. N 1408409, G 02 B 5/20 "Оптический аттенюатор", заявкам ФРГ N 2076389, G 02 B 5/22, "Оптический ослабитель" и N 2918528, G 02 B 5/18, "Оптический аттенюатор", патентам США N 4309080, G 02 B 5/24, "Жидкостный светофильтр с переменным коэффициентом пропускания", N 4264154, G 02 C 7/12, "Аппарат для автоматического управления прохождением света через линзовую систему" и N 4327966, G 02 B 5/18, "Перестраиваемый аттенюатор для лазерного излучения", патенту Япония N 56-54603 "Многослойная пленка с регулируемым коэффициентом пропускания и отражения", заявке Великобритании N 2074339, G 02 B 5/22, "Оптический ослабитель", заявке Франции N 2480949, G 02 B 5/22, "Оптический ослабитель с плавным изменением коэффициента аттенюации", и статье: Oseki T. Saito S. Aprecision variable prism attenuate for CO₂-lasers.-. Appl. Optics", 1971, N 1, p. 144-149.

Известные аттенюаторы построены на различных физических принципах действия, что определяет их функциональные возможности и конструктивное выполнение.

Принцип действия известного устройства по авт.св. N 892398 основан на изменении плоскости поляризации света относительно оси анализатора, чем и достигается ослабление светового потока. Недостатком известного устройства является рассеяние мощности излучения непосредственно в поляризационном ослабителе, что ограничивает величину оптической мощности, регулируемой устройством. Кроме того, устройство имеет небольшой динамический диапазон регулирования и низкую точность из-за разогрева устройства.

Аналогичными недостатками обладают устройства, известные по заявкам ФРГ N 2076389 и N 2918528.

У известных аттенюаторов по патенту США N 4309080 и патенту Японии N 56-54603 принцип действия основан на интерференции светового потока в многослойной структуре. При регулировании потоков большой мощности происходит разогрев оптического материала, что приводит к отклонению луча и снижению точности регулирования.

Принцип действия устройства, известного по патенту США N 4264154, основан на изменении геометрического размера пучка с его последующим пропусканием через диафрагму. При регулировании оптического излучения большой мощности края диафрагмы подвергаются непосредственному тепловому воздействию и теряют механическую устойчивость, при этом точность регулирования резко снижается.

В известном аттенюаторе по патенту США N 4327966 регулирование лазерного пучка осуществляется при его прохождении через фазовые решетки. Две фазовые решетки с прямоугольными канавками определенной длины и ширины отделены друг от друга и могут поворачиваться поперек пучка, что приводит к изменению интенсивности проходящего через них излучения. Известное устройство имеет небольшой динамический диапазон регулирования и при оптимальном соотношении параметров канавок для длины волны 6328 пропускание изменяется от 80% до 3% При этом точность регулирования низкая.

Известен оптический аттенюатор с плавным изменением коэффициента по заявке Франции N 2480949, принцип действия которого основан на изменении длины пути светового потока в поглощающей среде. Устройство содержит оптический элемент, выполненный из поглощающего стекла в виде двух прямых трехгранных призм, совмещенных диагональными гранями с воздушным зазором между ними, причем входная и выходная грани призм перпендикулярны к направлению распространения оптического излучения, а одна из призм установлена с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению распространения оптического излучения. При перемещении призмы изменяется длина пути, проходимого световым потоком в поглощающем оптическом материале, что и определяет непрерывное и плавное изменение коэффициента аттенюации.

Недостатком известного устройства является небольшой динамический диапазон регулирования из-за ограниченных пределов изменения длины пути светового потока в призмах. Кроме того, регулирование коэффициента аттенюации в поглощающем оптическом материале призм приводит к рассеянию значительной мощности в аттенюаторе, а также к отклонению светового потока от первоначального направления при изменении воздушного зазора между совмещенными гранями призм в процессе регулирования, что приводит к снижению точности регулирования.

Принцип действия известного устройства по статье: Oseki T. Saito S. Aprecision variable prism attenuate for CO₂-lasers. "Appl. Optics." 1971, N 1, p. 144-149 основан на туннельном прохождении лазерного излучения через переменный по длине воздушный промежуток между двумя прямыми призмами, совмещенными диагональными гранями.

Конструктивно устройство выполнено в виде двух прямых трехгранных призм из германия, совмещенных диагональными гранями с воздушным зазором между ними, причем одна из призм с помощью дисковой пружины установлена с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению лазерного излучения при сохранении параллельного положения диагональных граней, и кинематически связана с механизмом перемещения, выполненного в виде пьезостолбика. Входное излучение с длиною волн λ = 10,6 мкм проходит через первую призму и падает на промежуток между двумя призмами, где разделяется на отраженную и прошедшую части. При этом коэффициент пропускания зависит от величины воздушного зазора между диагональными гранями призм. Известное устройство имеет небольшой динамический диапазон регулирования (порядка 10²) и низкую точность регулирования.

Известный оптический аттенюатор по авт.св. N 1408409, принятый авторами за прототип как наиболее близкий по своей технической сущности и достигаемому положительному эффекту, выполнен в виде двух последовательно установленных оптических элементов, каждый из которых состоит из двух прямоугольных трехгранных призм, совмещенных гипотенузными гранями с воздушным зазором между ними, а входные и выходные грани элементов перпендикулярны к оптической оси аттенюатора, причем оптические элементы установлены на отдельных стойках зеркально-симметричного относительно плоскости, перпендикулярной оптической оси, и снабжены механизмом их синхронного поворота на одинаковые по величине и противоположные по знаку углы, причем диапазон углов Δα поворота оптических элементов определяется из соотношения
Da = α_рез.1- α_ар;
где α_рез.1 угол между оптической осью аттенюатора и нормалью к гипотенузным граням призм, соответствующий угловому положению первого резонанса в воздушных зазорах между этими гранями; α_ар1 угол между оптической осью аттенюатора и нормалью к гипотенузным граням призм, соответствующий угловому положению первого антирезонанса в воздушных зазорах между этими гранями.

Такая конструкция оптического аттенюатора обеспечивает большой динамический диапазон регулирования интенсивности оптического излучения при плавном характере этого регулирования.

Регулирование осуществляется путем поворота оптических элементов по заданной программе с использованием функциональной зависимости величины оптического пропускания оптического аттенюатора от угла падения α_пад оптического излучения на воздушный зазор между призмами. Недостатком известного оптического аттенюатора является низкая точность регулирования, так как заданная программа регулирования не учитывает нестабильность источника питания лазерной установки, угловой флуктуации оси лазерного пучка и деформации пространственного распределения в пучке, что приводит к значительным изменениям во времени интенсивности оптического излучения на выходе аттенюатора при постоянном угле падения α_пад, т.е. к нестабильности регулирования.

Устранение указанных недостатков достигается тем, что в известном оптическом аттенюаторе, выполненном в виде двух прямых трехгранных призм, совмещенных гипотенузными гранями с диэлектрическим зазором между ними, причем входная грань первой призмы перпендикулярна оптической оси аттенюатора, а оптический элемент установлен на поворотной стойке с осью вращения, перпендикулярной оптической оси аттенюатора и параллельной совмещенным гипотенузным граням призм, выходная грань второй призмы образует с входной гранью первой призмы угол θ, выбранный из соотношения

где λ длина волны лазерного излучения; d₂ -толщина диэлектрического зазора между призмами; n₂ -показатель преломления диэлектрического материала зазора; n₁ показатель преломления диэлектрического материала призм; боковая грань второй призмы образует с ее гипотенузной гранью угол, выбранный из соотношения
g = α_пво+ θ,
выходная грань второй призмы образует с ее гипотенузной гранью угол β, выбранный из соотношения
b = α_пво
где α_пво угол полного внутреннего отражения, для гипотенузных граней призм, равный

кроме того, оптический аттенюатор снабжен фотоприемником, установленным со стороны боковой грани второй призмы, выход которого через последовательно включенные аналоговый усилитель компаратор, аналого-цифровой преобразователь, цифровой процессор с оперативным запоминающим устройством, цифроаналоговый преобразователь и выходной усилитель соединен со входом исполнительного привода вращения поворотной стойки аттенюатора.

Такая конструкция оптического аттенюатора позволяет при пропускании лазерного пучка через оптический элемент с разделением его на прошедшую и отраженную части измерить интенсивность оптического излучения в последовательно отраженном от выходной и гипотенузной грани второй призмы пучке, функционально связанную с интенсивностью оптического излучения в прошедшем пучке, сравнить ее с заданной величиной и указанную разность изменить до нулевого значения, тем самым обеспечивая в процессе регулирования интенсивности оптического излучения на выходе аттенюатора ее стабилизацию. Таким образом, стабилизация интенсивности оптического излучения делает предлагаемый оптический аттенюатор инвариантным по отношению к изменению интенсивности оптического излучения на его входе за счет нестабильности параметров системы.

Предложенное техническое решение содержит отличительные от прототипа признаки:
выходная грань второй призмы образует с входной гранью первой призмы угол θ, выбранный из соотношения

где λ длина лазерного излучения; d ₂ толщина диэлектрического зазора между призмами; n₂ показатель преломления диэлектрического материала зазора между призмами; n₁ показатель преломления диэлектрического материала призм;
боковая грань второй призмы образует с ее гипотенузной гранью угол g, выбранный из соотношения
g = α_пво+ θ
выходная грань второй призмы образует с ее гипотенузной гранью угол β, выбранный из соотношения

оптический аттенюатор снабжен фотоприемником, установленным со стороны боковой грани второй призмы, выход которого через последовательно включенные аналоговый усилитель-компаратор, аналого-цифровой преобразователь, цифровой процессор с оперативным запоминающим устройством, цифроаналоговый преобразователь и выходной усилитель соединен со входом исполнительного привода вращения поворотной стойки аттенюатора.

Наличие новых признаков заявленного технического решения в совокупности с известными признаками прототипа обеспечивает повышение точности регулирования интенсивности оптического излучения.

Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема оптического аттенюатора; на фиг. 2 характеристика оптического пропускания аттенюатора; на фиг. 3 угловая характеристика управления.

Оптический аттенюатор (фиг. 1) включает входную и выходную призмы 1, 2 с показателем оптического преломления, причем сопряженные гипотенузными гранями призмы 1 и 2 образуют плоский диэлектрический слой 3 с показателем преломления n₂ (для воздуха n₂ 1) и толщиной d₂, поворотный стол 4 с осью вращения 5, перпендикулярный оптической оси аттенюатора, совпадающей с направлением лазерного луча 6 и параллельной сопряженным граням призм 1 и 2. На входную грань призмы 1, перпендикулярную оптической оси аттенюатора, падает лазерный луч 6, угол падения которого на гипотенузную грань призмы 1 равен α₁₀, где происходит его разделение на отраженную 7 и прошедшую части 8. Вследствие того, что выходная грань выходной призмы 2 образует с входной гранью призмы 1 угол
,
прошедший луч 8 частично отражается от выходной грани призмы 2 в виде луча 9 и падает на гипотенузную грань второй призмы 2 под углом падения
α₂> α_пво.

Затем после отражения от гипотенузной грани призмы 2 падает на боковую грань призмы 2 под углом падения, равным нулю, так как боковая грань призмы 2 образует с ее гипотенузной гранью угол
γ = α_пво+ θ,
а затем на фотоприемник 10.

Последовательно отраженный от выходной и гипотенузной грани призмы 2 луч 9, падающий на фотоприемник 10, пропорционален интенсивности оптического излучения в прошедшем пучке 8 и используется в качестве входного сигнала управления.

Цифровой процессор CPAS аналогового сигнала содержит фотоприемник D (10), аналоговый усилитель-компаратор 11, аналого-цифровой преобразователь (А/D) 12, цифровой процессор с оперативным запоминающим устройством (CPS и RAM) 13, цифроаналоговый преобразователь (D/A) 14, выходной усилитель 15, программу управляющих сигналов (PROM) 16, приемную шину (BD) 17, передающую шину (BR) 18, служащую для обмена с внешней ЭВМ, исполнительный привод 19, связанный с поворотным столом 4.

На фиг. 2 представлена характеристика оптического пропускания аттенюатора в функции угла падения α₁, которая представляет собой резонансную характеристику вблизи угла полного внутреннего отражения α_пво на границе призмы 1 и диэлектрического слоя 3.

Условие резонанса (максимум пропускания) имеет вид:

где поперечное волновое число в диэлектрическом слое 3 между призмами 1 и 2

где продольное волновое число во входной призме 1 и в слое. Отсюда можно получить угловое положение первого от α_пво резонанса

Из формулы (3) найдем положение первого резонанса α_1p относительно угла полного внутреннего отражения α_пво для гипотенузных граней призм 1 и 2, учитывая, что α_1p < α_пво
Δα_1p = α_пво - α_1p
Из формулы (3) получим

Учитывая, что минимальный угол падения входного пучка 6 на диагональную грань призмы 1 должен быть равен α_1p и что при этом угол падения α₂ отраженного пучка 9 на диагональную грань призмы 2 должен быть равен α_пво, то (как видно на фиг. 1) угол θ между входной гранью призмы 1 и выходной гранью призмы 2 должен быть равен Отсюда

Условие первого антирезонанса (минимум пропускания) имеет вид

Отсюда угловое положение первого антирезонанса

Пропускание T аттенюатора для правого ската характеристики (фиг. 2 чертежа) вблизи уровня 0,5 T_pmax равно

где Δα₁₀ = α_1p- α₁₀ начальная угловая расстройка от резонанса, при которой пропускание равно 0,5 T_pmax; δα₁- угловая расстройка вблизи начального пропускания, равного 0,5, и угла падения α₁₀; Q добротность диэлектрического слоя между призмами, зависящая от коэффициента отражения сопряженных граней призм, толщины диэлектрического слоя d₂ и длины волны оптического излучения λ (см. И. И.Соколовский, Ю.А.Покровский. "Прикладная радиооптика. Теория и методы резонансной угловой фильтрации". Киев: Наукова думка, 1986. -220 с.).

Чтобы угол падения a₂ части выходного пучка P₂, отраженный от выходной грани призмы 2 на сопряженную грань был не менее α_пво, необходимо выполнить следующие условия

Отсюда угол отражения θ от выходной грани призмы 2 равен

где α_пво и α_1p находятся из уравнений (1) и (3).

Угол θ в предложенном аттенюаторе образован выходной гранью призмы 1.

При выполнении условий (7), (8) уровень последовательно отраженного от выходной грани призмы 2 и ее совмещенной грани пучка P₂₀, падающего на фотоприемник 10 не будет изменяться при повороте стола 4 в диапазоне углов относительно оптической оси аттенюатора. Очевидно, что уровень интенсивности оптического излучения на фотоприемнике 10 будет определяться только уровнем интенсивности оптического излучения на выходе аттенюатора, что и обеспечивает повышение точности регулирования.

Для обеспечения минимума потерь за счет отражения на боковой грани выходной призмы 2 угол падения последовательно отраженного от выходной и сопряженной грани выходной призмы 2 луча должен быть равен 0^o (α₃ = 90^°). Это условие выполняется при угле между боковыми гранями входной 1 и выходной 2 призм, равным θ, а также при выборе углов второй призмы из соотношения

Аттенюатор работает следующим образом. Код начального пропускания аттенюатора оператор или внешняя ЭВМ вводит в CPS и RAM 13 по приемной шине 17 (фиг. 1). Этот цифровой код преобразуется ЦАП 14 в аналоговый сигнал, усиливается выходным усилителем 15 и подается на исполнительный двигатель 19, который поворачивает стол 4 вокруг оси 5 в нужном направлении до тех пор, пока пропускание аттенюатора не станет равным заданному, например T₁₀=0,5 T_pmax (фиг. 2).

При изменении интенсивности оптического излучения (например, из-за нестабильности питания накачки лазера) отраженный пучок 9 мощностью
P₂₀ = P_пR = P₁T (δα₁)R;
где P_п = P₁T(δα₁)- мощность, падающая на входную грань призмы 2; R коэффициент отражения на выходной грани призмы 2, равный

падает на фотоприемник 10, усиливается усилителем 11, преобразуется в цифровой код АЦП 12, который вводится с CPS 13, где сравнивается с заданным исходным. Код разностного сигнала преобразуется в аналоговый сигнал ЦАП 14, усиливается усилителем 15 и подается на исполнительный привод ИД 19, который поворачивает стол 4 вокруг оси 5 на угол

где n₂ 1, причем до тех пор, пока интенсивность оптического излучения в выходном пучке мощностью P₂=P_п(1-R) не станет равной заданной, чем и обеспечивается стабилизация оптического излучения в выходном пучке 8. Нетрудно заметить, что между мощностью P₂₀, отводимой петлей оптической обратной связи и выходной мощностью P₂ аттенюатора, справедлива функциональная связь

или

Постоянная времени отработки величины рассогласования определяется быстродействием исполнительного привода 19 стола 4.

Программа работы всех цифровых узлов задана алгоритмом, записанным в ЗУ PROM 16. На фиг. 3 приведена зависимость управляющего сигнала от углового положения аттенюатора относительно начальной оси пропускания, например, соответствующей:
T₁₀=0,5T_pmax
Регулирование интенсивности оптического излучения в проходящем пучке с его стабилизацией осуществляется плавно в пределах от α_пво до α_1p, т.е. вблизи α₁₀<α_пво (Δα₁₀= α_пво- α₁₀) в пределах δα_1max = ±θ, что и обеспечивает высокую точность регулирования мощности в выходном лазерном луче 8.

Использование: в системах оптической связи, локации и лазерной технологии. Сущность изобретения: оптический аттенюатор содержит входную призму 1 и выходную призму 2 с показателем оптического преломления n₁, плоский диэлектрический слой 3 с показателем преломления n₂ и толщиной d₂ между сопряженными гранями призмы 1 и 2, поворотный стол 4 с осью вращения, перпендикулярной гипотенузным граням призмы, причем углы между выходной гранью второй призмы и входной гранью первой призмы, между боковой гранью второй призмы и ее гипотенузной гранью и между выходной гранью второй призмы и ее гипотенузной гранью определяются из соотношений. 3 ил.

Оптический аттенюатор, содержащий оптический элемент, выполненный в виде двух трехгранных призм, совмещенных гипотенузными гранями с диэлектрическим зазором между ними, причем входная грань первой призмы перпендикулярна оптической оси аттенюатора, а оптический элемент установлен на поворотной стойке с осью вращения, перпендикулярной совмещенным гипотенузным граням призмы, отличающийся тем, что выходная грань второй призмы образует с входной гранью первой призмы угол θ, выбранный из соотношения

где λ - длина волны лазерного излучения;
d₂ толщина диэлектрического зазора между призмами;
n₁ показатель преломления материала призмы;
n₂ показатель преломления материала в зазоре между призмами,
боковая грань второй призмы образует с ее гипотенузной гранью угол γ, выбранный из соотношения
γ = α_пво+ θ,
выходная грань второй призмы образует с ее гипотенузной гранью угол β, выбранный из соотношения
β = α_пво,
где α_пво - угол полного внутреннего отражения для гипотенузных граней призм, равный

кроме того, оптический аттенюатор снабжен фотоприемником, установленным со стороны боковой грани второй призмы, выход которого через последовательно включенные аналоговый усилитель-компаратор, аналого-цифровой преобразователь, цифровой процессор с оперативным запоминающим устройством, цифроаналоговый преобразователь и выходной усилитель соединен с входом исполнительного привода вращения поворотной стойки аттенюатора.