ФАЗОСДВИГАТЕЛЬ С УПРАВЛЯЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИ Российский патент 1997 года по МПК G01N21/21 

Изобретение относится к преобразователям поляризационного излучения и может быть использовано в различных системах передачи, обработки и измерения информации.

В технике оптического приборостроения известны и широко используются пассивные поляризационные фазосдвигатели типа фазовых пластин, которые обладают постоянным фазовым сдвигом и регулируемой за счет механического поворота ориентацией оптической оси.

С другой стороны, существуют активные преобразователи немеханического типа, принцип действия которых основан на линейном электрооптическом эффекте /1/. В таких преобразователях фазовый сдвиг зависит от прилагаемого электрического напряжения, однако направление оптической оси наведенной анизотропии при этом остается постоянным и может быть изменено, так же как и в механических фазосдвигателях, только за счет механического поворота электрооптического кристалла.

Вместе с тем существует устройство для управления положением оптической оси немеханического фазового преобразователя высокоскоростной вращатель плоскости поляризации /2/, которое по своему техническому решению наиболее близко к предлагаемому изобретению (прототип). Оно состоит из двух идентичных пассивных фазовых элементов, выполненных в виде ахроматических четвертьволновых фазовых пластин с параллельной ориентацией оптических осей, между которыми расположен активный элемент, азимут оптической оси наведенной анизотропии которого отличается на 45^o от азимута оптических осей пассивных фазовых элементов. При приложении к активному элементу определенного внешнего воздействия в нем появляется сдвиг фаз τ в результате которого азимут эквивалентной оптической оси устройства поворачивается на t/4 однако эквивалентный фазовый сдвиг для устройства в целом при этом не изменяется.

Целью предлагаемого изобретения является создание быстродействующего фазосдвигателя с управляемыми по произвольному заданному закону параметрами: величиной фазового сдвига и направлением азимута оптической оси; с возможностью использования полного диапазона изменения указанных параметров при устранении необходимости наведения отрицательной разности фаз в активных элементах устройства.

Фазосдвигатель состоит из двух идентичных активных фазовых элементов с одинаковым направлением оптических осей и расположенного между ними внутреннего активного элемента, азимут оптической оси наведенной анизотропии которого отличается на 45^o от азимута оптических осей внешних фазовых элементов. Величина эквивалентного фазового сдвига и направление азимута эквивалентной оптической оси могут быть определены с помощью матриц Мюллера [3] они соответственно равны:

где 4 τ значение наведенной разности фаз для внешних активных элементов, t_o значение наведенной разности фаз для внутреннего активного элемента, T эквивалентный фазовый сдвиг устройства, Ф направление азимута эквивалентной оптической оси устройства. Для улучшения характеристик устройства внешние активные элементы могут быть снабжены ахроматическими четвертьволновыми фазовыми пластинами с азимутом оптических осей, отличающихся на 90^o от азимута оптических осей наведенной анизотропии внешних активных элементов, а внутренний активный элемент снабжен ахроматической полуволновой фазовой пластиной или двумя ахроматическими четвертьволновыми фазовыми пластинами, расположенными с двух сторон внутреннего активного элемента с азимутом оптических осей дополнительных фазовый пластин, отличающимся на 90^o от азимута оптической оси наведенной анизотропии внутреннего активного элемента. В этом случае значения необходимых для работы устройства наведенных разностей фаз составляют τ′ = τ + 90^° для внешних активных элементов и для внутреннего активного элемента, где величины τ_o и τ определяют из выражений (1).

Использование в фазосдвигателе активных внешних фазовых элементов повышает быстродействие и обеспечивает возможность управления эквивалентности фазовым сдвигом устройство по произвольно выбранному закону, а введение в конструкцию фазосдвигателя дополнительных пассивных элементов позволяет исключить необходимость наведения отрицательных разностей фаз в активных элементах устройства. Таким образом, в рамках предлагаемого изобретения возможны модификации.

На фиг. 1 показана схема фазосдвигателя с управляемыми параметрами в основном варианте. Он состоит из трех последовательно расположенных активных элементов 1, 2 и 3. При этом азимуты оптических осей наведенной анизотропии и наведенные разности фаз внешних элементов 1 и 3 идентичны, а азимут оптической оси наведенной анизотропии внутреннего элемента 2 отличается от азимута оптических осей наведенной анизотропии внешних элементов 1 и 3 на угол 45^o. Активные элементы представляют собой ячейки Поккельса, принцип действия которых основан на продольном электрооптическом эффекте, и управляются двумя электрическими напряжениями U₀ и U, создающими соответственно наведенные разности фаз t_oи τ.

На фиг. 2 показан вариант фазосдвигателя с дополнительно введенными ахроматическими фазовыми пластинами 4,5 и 6 с фазовыми сдвигами 90, 90 и 180^o соответственно, причем азимуты оптических осей элементов 4 и 5 отличаются на 90^o от азимутов оптических осей элементов 1 и 3, а азимут оптической оси элемента 6 отличается на 90^o от азимута оптической оси элемента 2. В этом случае активные элементы устройства управляются двумя электрическими напряжениями и U', создающими соответственно наведенные разности фаз и τ′
Аналогичный вариант устройства, обладающего повышенным светопропусканием, показан на фиг. 3. Он состоит из активных элементов 1, 2 и 3, четвертьволновых ахроматических фазовых пластин 4 и 5, причем перечисленные элементы имеют те же характеристики, что элементы, изображенные на фиг. 2, и двух расположенных с двух сторон внутреннего активного элемента 2 ахроматических четвертьволновых фазовых пластин 6 и 7 с азимутами оптических осей, отличающимися на 90^o от азимута оптической оси элемента 2. В таком варианте элементы 4 и 6 и элементы 5 и 7 могут быть изготовлены в виде оптических сборок, что сократит общее число элементов в устройстве.

Работа устройства аналогична работе трехкомпонентной панчаратнамовской системы фазовых пластин, в которой между двумя идентичными симметрично расположенными крайними пластинами с фазовым сдвигом τ под произвольным азимутом оптической оси a расположена центральная пластина с фазовым сдвигом t_o Изменение параметров такой системы пластин описываются формулами [4]

При α 45^o эти выражения существенно упрощаются и приобретают вид (1). Таким образом, эквивалентные параметры трехкомпонентной системы фазовых пластин с углом взаимной ориентации 45^o являются простыми функциями двух переменных, представляющих собой фазовые сдвиги центрального и крайних компонентов: T = f₁(τ_o, τ); Ф = f₂(τ_o, τ) Если заменить пассивные фазовые пластины на активные элементы с возможностью управления величинами τ_o и τ например с помощью двух электрических напряжений (в случае если активные элементы выполнены в виде электрооптических кристаллов), то появляется возможность выбирать параметры Т и Ф по произвольному закону в соответствии с (1).

Таким образом, с помощью предлагаемого устройства может быть реализована фазовая пластина с любым желаемым фазовым сдвигом с переменным азимутом оптической оси (изменяющимся равномерно, с шаговым изменением или по любому другому закону) без использования каких бы то ни было движущихся элементов. Диаграмма, характеризующая работу устройства, представлена на фиг. 4. В плоскости t_ot сплошные линии соответствуют различным значениям эквивалентного фазового сдвига, а пунктирные кривые различным положениям эквивалентной оптической оси. Значения наведенных разностей фаз, необходимых для реализации эквивалентных параметров устройства Т и Ф, являются координатами точки на диаграмме, находящейся на пересечении сплошной линии T const и пунктирной линии Ф const. Например, четвертьволновая фазовая пластина, с помощью которой осуществляется дискретный поворот оптической оси с шагом 20^o, может быть реализована при следующих значениях наведенных разностей фаз, в градусах (см. табл. 1).

Необходимость изменения двух параметров τ_o и τ для регулировки только одного параметра азимута эквивалентной оптической оси Ф на первый взгляд представляется неудобной, однако, учитывая современный уровень автоматизации средств измерения, указанная процедура может быть легко реализована с помощью программного управляющего устройства.

В рассматриваемой конструкции может быть легко осуществлен переход от одного фазового сдвига Т к другому (т.е. переход на другую сплошную кривую фиг. 4), что позволит практически мгновенно переключить фазосдвигатель с измерения круговой поляризации (T 90^o) на измерение линейной поляризации (T 180^o) и наоборот, то есть появляется возможность применить устройство в поляриметрах в качестве быстродействующего модулятора параметров Стокса, работающего в режиме реального времени.

Однако недостатком рассмотренного устройства является то, что для реализации полного диапазона эквивалентных параметров фазосдвигателя (0^o≅T≅180^o, 0^o≅Ф≅180^o) в его активных элементах необходимо наведение отрицательных разностей фаз t_o и τ Этот недостаток можно устранить путем введения в конструкцию фазосдвигателя дополнительных пассивных элементов, обеспечивающих компенсацию наведенных отрицательных разностей фаз (фиг. 2, 3).

Работа устройства в этом случае ничем не отличается от работы устройства в предыдущем варианте, если в качестве параметров трехэлементной системы рассматривать общие разности фаз, создаваемые активными и пассивными элементами:

Таким образом, дополнительно введенные ахроматические фазовые пластины обеспечивают смещение нуля по координатам τ_o и τ при этом для реализации полного диапазона эквивалентных параметров устройства требуются только положительные значения наведенных разностей фаз и τ′ Графическая диаграмма, характеризующая работу устройства, при этом не изменяется за исключением смещения отсчета шкал на соответствующую величину, что представлено на фиг. 4 правой шкалой для и верхней шкалой для τ′ Так, работа рассмотренной выше четвертьволновой фазовой пластины с дискретным изменением азимута оптической оси с шагом 20^o будет определяться следующими значениями наведенных разностей фаз, в градусах, (см. табл. 2).

Следует отметить, что использование ахроматических фазовых пластин позволяет расширить спектральный диапазон работы устройства, а применение электрооптических кристаллов или акустооптических элементов существенно повысить его быстродействие. Кроме того, для реализации более ограниченного диапазона изменения эквивалентных параметров фазосдвигателя могут быть выбраны другие значения фазовых сдвигов пассивных элементов по сравнению с вышеприведенными, а также другое значение угла, характеризующего взаимную ориентацию осей наведенной анизотропии активных элементов.

Источники информации
1. Мустель Е.Р. Парыгин В.Н. /Методы модуляции и сканирования света. - М. Наука, 1970, с. 11 47.

2. Кучеров В.А. Шутов А.М. /Высокоскоростной вращатель плоскости поляризации //Авт.св. N 1695180, МКИ5 G 01 N 21/21. Опубл. 30.11.91.

3. Джеррард А. Берч Д.М. /Введение в матричную оптику. -М. Мир, 1978, с. 206 207.

4. Serkowski K. /Polarization techniques// In: Methods of experimental physics. Astrophysics. New York; London. Acad. press. 1974. Pt.A. p. 361 414.

Изобретение относится к преобразователям поляризованного излучения, используемым в различных оптических системах передачи, обработки и измерения информации. В фазосдвигателе использованы три активных оптических элемента, работы которых основаны на электро- или акустооптическом эффектах; оптические оси наведенной анизотропии элементов ориентированы так, что в результате достигнута возможность оперативно перестраивать рабочие характеристики устройства в пределах полного диапазона их возможных изменений и использовать фазосдвигатель в различных поляриметрических устройствах, работающих в режиме реального времени. В рамках изобретения возможны модификации. Так, например, дополнительное введение в конструкцию фазосдвигателя пассивных ахроматических фазовых пластин дает возможность при реализации полного диапазона изменения параметров применять только положительные значения наведенных разностей фаз. 1 з.п. ф-лы, 2 табл. 4 ил.

1. Фазосдвигатель с управляемыми параметрами, состоящими из двух идентичных внешних фазовых элементов с одинаковыми направлением оптических осей и расположенного между ними внутреннего активного элемента, азимут оптической оси наведенной анизотропии которого отличается на 45^o от азимута оптических осей внешних фазовых элементов, отличающийся тем, что внешние фазовые элементы выполнены активными и обладают одинаковой наведенной разностью фаз, при этом величина эквивалентного фазового сдвига устройства и направление азимута эквивалентной оптической оси соответственно равны
T = 2 arccos(cos τ_o/2 cos τ);
Ф = 1/2 arcctg(ctg τ_o/2 sin τ),
где τ - значение наведенной разности фаз внешних активных элементов;
τ_o - значение наведенной разности фаз внутреннего активного элемента;
Т эквивалентный фазовый сдвиг устройства;
Ф направление азимута эквивалентной оптической оси устройства. 2. Фазосдвигатель по п.1, отличающийся тем, что внешние активные элементы снабжены ахроматическими четвертьволновыми фазовыми пластинами с азимутом оптических осей, отличающимся на 90^o от азимута оптических осей наведенной анизотропии внешних активных элементов, а внутренний активный элемент снабжен ахроматической полуволновой фазовой пластиной или двумя ахроматическими четвертьволновыми фазовыми пластинами, расположенными с двух сторон внутреннего активного элемента, при этом азимут оптических осей дополнительных фазовых пластин отличается на 90^o от азимута оптической оси наведенной анизотропии внутреннего активного элемента, а значение наведенных разностей фаз составляют τ′ = τ + 90^° для внешних активных элементов и для внутреннего активного элемента.