СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G02F1/03 G02B5/32 

Изобретение относится к оптике, в частности к оптическим методам и устройствам для спектральной фильтрации оптического излучения, основанным на Брэгговской дифракции света на дифракционных решетках, формируемых в фоторефрактивных кристаллах, и может быть использовано для создания перестраиваемых узкополосных фильтров с широким диапазоном перестройки по длине волны.

Известны способы спектральной фильтрации оптического излучения, основанные на дифракции этого излучения на голографической решетке, предварительно записанной и зафиксированной в фоторефрактивном кристалле. Примеры таких способов приведены в [1, 2, 3]. Запись голографической решетки осуществляется следующим образом. С помощью двух записывающих когерентных пучков света в кристалле формируют интерференционную картину, в соответствии с которой в кристалле происходит перераспределение электрических зарядов и возникает локальное изменение показателя преломления, представляющее собой объемную голографическую дифракционную решетку. При записи голографической решетки пучки света, формирующие интерференционную картину, могут быть направлены на кристалл как со стороны одной грани, как описано в [3], так и навстречу друг другу с противоположных граней кристалла [1]. Поскольку записанная таким образом дифракционная решетка нестабильна и распадается под действием света, решетку "фиксируют" в кристалле, нагревая кристалл и выдерживая его при повышенной температуре определенное время. При этом увеличивается подвижность одновалентных ионов, которые приобретают способность перемещаться в кристалле, компенсируя указанное распределение электронов. После понижения температуры в кристалле остается ионная решетка, которая сохраняет свои свойства в течение нескольких лет даже при интенсивном освещении.

Собственно спектральную фильтрацию осуществляют следующим образом. При освещении кристалла пучком света в направлении, практически параллельном вектору записанной и зафиксированной дифракционной решетки, свет с длиной волны, которая удовлетворяет условию Брэгга, отражается от решетки в обратном направлении, а свет в остальном спектральном диапазоне проходит сквозь оптически прозрачный кристалл. Строго говоря, от решетки отражается свет в определенном узком диапазоне длин волн, центральная длина волны которого λ_r удовлетворяет условию Брэгга
λ_r = 2nΛ, (1)
где n - средний показатель преломления кристалла;
Λ - период дифракционной решетки.

Для обеспечения высокой спектральной селективности фильтра в кристалле записывают дифракционную решетку малой амплитуды. В этом случае свет дифрагирует на решетке по всей ее длине. Соответственно, длину решетки стараются сделать большой, поскольку спектральная селективность такого фильтра зависит от длины дифракционной решетки и описывается следующим соотношением:

где δλ_r - ширина спектра выделяемого сигнала;
Т - длина дифракционной решетки.

Для выбора значения λ_r к кристаллу может быть приложено внешнее электрическое поле напряженностью Е, например, как описано в [5]. В фоторефрактивных кристаллах, в частности в ниобате лития (LiNbO₃), благодаря линейному электрооптическому эффекту (эффект Поккельса) изменение его среднего показателя преломления n для определенной поляризации проходящего света зависит от напряженности электрического поля Е следующим образом:

где Δn - приращение показателя преломления;
n₀ - средний показатель преломления при Е=0;
r - эффективный электрооптический коэффициент, который зависит от направления электрического поля Е по отношению к главным кристаллографическим осям и направления поляризации света.

Изменяя напряженность поля Е, перестраивают фильтр, осуществляя выбор определенной длины волны λ_r фильтруемого излучения.

Очевидно, что для создания оптического спектрального фильтра с широким диапазоном перестройки значений λ_r необходим кристалл с большим электрооптическим коэффициентом. В то же время упомянутый ниобат лития имеет сравнительно низкий электрооптический коэффициент.

Известны кристаллы с высоким электрооптическим коэффициентом, например, титанат бария (ВаТiO₃), ниобат калия (КаNbO₃), ниобат бария-стронция (SBN). Однако основным недостатком этих кристаллов является низкая дифракционная эффективность фиксированных решеток, что не позволяет, используя известный способ фильтрации оптического излучения на фиксированных решетках, создавать на их основе фильтры с высоким коэффициентом передачи.

Известны также способы спектральной фильтрации оптического излучения, основанные на дифракции этого излучения на голографической дифракционной решетке, которая не фиксирована в фоторефрактивном кристалле, а формируется в кристалле одновременно с процессом фильтрации за счет интерференции пересекающихся в кристалле когерентных пучков света.

В частности, в [6] описан спектральный оптический фильтр на основе фоторефрактивного кристалла, используемый в спектроанализаторе. В кристалле с помощью двух встречно направленных когерентных пучков света, один из которых генерируется перестраиваемым лазером, а другой формируется за счет отражения от зеркала первого пучка света, прошедшего кристалл, формируется (записывается) голографическая дифракционная решетка. Одновременно в кристалл в направлении преимущественно вдоль вектора дифракционной решетки подается световой поток, спектр которого анализируется. Отраженный от решетки за счет дифракции пучок света регистрируется фотоэлектрическим детектором. Как указывалось выше, отраженный пучок света имеет узкую спектральную полосу, центральная длина волны которой λ_r соответствует условию Брэгга (1). Работа спектроанализатора, в составе которого использован данный оптический фильтр, основана на изменении периода Λ записываемой дифракционной решетки за счет изменения (перестройки) длины волны перестраиваемого лазера. При изменении периода решетки Λ условие Брэгга будет соответствовать другим значениям λ_r отраженного пучка света, мощность которого регистрируется детектором.

Таким образом, перестройка рассмотренного оптического спектрального фильтра осуществляется за счет перестройки длины волны λ_w оптического излучения, которое используется для формирования (записи) дифракционной решетки. В данном случае мы имеем дело с так называемым оптически перестраиваемым фильтром.

Однако для такой схемы фильтрации оптического излучения не удается использовать электрооптические свойства кристалла для электрической перестройки фильтра, как это можно было делать в случае фиксированной в кристалле дифракционной решетки. Действительно, предположим, что рассматриваемый способ спектральной фильтрации оптического излучения [6] дополнен возможностью приложения к кристаллу электрического поля напряженностью Е, изменяющего средний показатель преломления n₀. В этом случае при рассматриваемой схеме записи во встречных пучках период Λ_E записываемой решетки будет равен

где n_E - средний показатель преломления кристалла в электрическом поле напряженностью Е.

При этом длина волны пучка света, отраженного от решетки за счет Брэгговской дифракции, будет равна
λ_r = 2n_EΛ_E. (5)
Из выражений (4) и (5) видно, что в рассматриваемых условиях записи дифракционной решетки во встречных пучках, а также подачи фильтруемого излучения вдоль вектора решетки, λ_r = λ_w и не зависит от значения показателя преломления материала кристалла. Следовательно, использовать электрооптические свойства кристалла для перестройки фильтра невозможно.

Другой способ спектральной фильтрации оптического излучения, основанный на дифракции этого излучения на голографической дифракционной решетке, которая не фиксирована в фоторефрактивном кристалле, описан в [7]. С помощью двух когерентных пучков света, направленных с одной грани кристалла и пересекающихся в кристалле, формируется (записывается) дифракционная решетка. Со стороны этой же грани в кристалл подается фильтруемое излучение, которое проходит кристалл поперек вектора дифракционной решетки под некоторым углом к ней. За счет Брэгговской дифракции на решетке происходит отражение фильтруемого излучения в узкой полосе спектра и отраженный пучок света регистрируется. Соотношения между длиной волны записывающего излучения λ_w, периодом записываемой дифракционной решетки Λ и длиной волны отраженного пучка света λ_r следующие:

где θ_w - угол падения записывающего излучения на грань кристалла (рассматривается симметричная схема записи), а значение λ_r определяется как
λ_r = 2Λsinθ_p, (7)
где θ_p - угол падения фильтруемого излучения на грань кристалла.

С учетом выражений (6) и (7) получаем следующее выражение для длины волны отраженного пучка света:

из которого следует, что длина волны отраженного пучка света λ_r не зависит от показателя преломления материала кристалла. Следовательно, для рассмотренной схемы записи дифракционной решетки и подачи фильтруемого излучения также невозможно использовать электрооптические свойства кристалла для перестройки фильтра.

В отличие от известных способов спектральной фильтрации оптического излучения, при которых в кристалле записывают и фиксируют дифракционную решетку, два последних способа [6, 7] не предполагают предварительного создания в кристалле фиксированной голографической решетки. Дифракция фильтруемого излучения осуществляется на непрерывно записываемой в кристалле, без фиксации в нем, решетке. В этом случае потенциально может быть достигнута значительно более высокая дифракционная эффективность решетки, нежели та, которая может быть достигнута после температурной фиксации решетки, применяемой в известных решениях. В то же время, как было показано, в способах [6, 7] невозможно осуществить перестройку фильтра путем приложения электрического поля к кристаллу.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа спектральной фильтрации оптического излучения, осуществляемого за счет дифракции этого излучения на голографической решетке, формируемой в фоторефрактивном кристалле, при котором обеспечивается одновременно широкий диапазон выбора длины волны фильтруемого излучения, в том числе за счет электрооптических свойств кристалла, путем приложения к нему электрического поля, а также достаточно высокий коэффициент передачи, достигаемый за счет высокой дифракционной эффективности решетки.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе спектральной фильтрации оптического излучения, осуществляемом за счет дифракции этого излучения на голографической дифракционной решетке, формируемой в фоторефрактивном кристалле с помощью двух пересекающихся в кристалле когерентных пучков света, ввод фильтруемого излучения в фоторефрактивный кристалл осуществляют преимущественно вдоль вектора дифракционной решетки.

Значение длины волны λ_r отраженного от решетки пучка света для указанного направления распространения фильтруемого излучения относительно вектора решетки определяется в соответствии с выражением (1). С учетом того, каким образом в данном случае формируется дифракционная решетка, значение периода решетки Λ определяется в соответствии с выражением (6). В итоге, с учетом выражений (1) и (6) получаем значение длины волны λ_r для заявляемого способа

Видно, что в выражение (9) входит средний показатель преломления кристалла n. Это означает, что, изменяя n, можно изменять значение λ_r. Поэтому, если изготовить такой фильтр на кристалле, обладающем электрооптическими свойствами, то его можно перестраивать электрически.

Поскольку при таком способе спектральной фильтрации оптического излучения к кристаллу уже не предъявляется требований к сохранению фиксированной решетки с достаточной дифракционной эффективностью, это позволяет выбирать кристаллы с высоким электрооптическим коэффициентом независимо от их способности сохранять фиксированную решетку. Таким образом может быть создан фильтр одновременно с высокой дифракционной эффективностью решетки и большим диапазоном перестройки по длине волны λ_r, осуществляемой с помощью электрического поля.

Дополнительно можно существенно увеличить диапазон перестройки фильтра за счет изменения длины волны λ_w пучков света, формирующих в кристалле интерференционную картину записывающих пучков света, что приводит к записи в кристалле решетки с другим значением периода Λ. В этом случае при осуществлении заявляемого способа выбор длины волны λ_r дифрагируемого излучения осуществляют путем задания длины волны λ_w упомянутых записывающих пучков света.

Дополнительно можно увеличить диапазон перестройки фильтра за счет изменения угла θ_w - угла падения упомянутых записывающих пучков света, что также приводит к записи в кристалле решетки с другим значением периода решетки Λ. В этом случае при осуществлении заявляемого способа выбор длины волны фильтруемого излучения λ_r осуществляют путем задания угла θ_w.
Сущность заявляемого изобретения поясняется графическими материалами, на которых изображено:
фиг.1 - схема, реализующая заявляемый способ;
фиг. 2 - пример осуществления заявляемого способа с поворотным зеркалом для изменения угла падения одного из потоков записывающего излучения;
фиг. 3 - пример осуществления заявляемого способа с использованием электрооптических или акустооптических дефлекторов для изменения угла падения обоих пучков записывающего излучения.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом. В фоторефрактивном кристалле 1 (см. фиг.1), обладающем также электрооптическими свойствами, с помощью двух когерентных пучков света 2 и 3, имеющих длину волны λ_w и падающих на одну из граней кристалла 1 под углом θ_w, непрерывно записывается голографическая дифракционная решетка 4, период которой Λ определяется выражением (6). Фильтруемое излучение 5 вводится в кристалл 1 через одну из его боковых поверхностей преимущественно вдоль вектора решетки 4. Световой поток 6 с длиной волны λ_r, значение которой удовлетворяет условию Брэгга и определяется выражением (9), отражается от решетки 4 в обратном направлении, а световой поток 7 в остальном спектральном диапазоне проходит сквозь оптически прозрачный кристалл 1. С помощью электродов 8 и 9 путем подачи на них электрического напряжения U к кристаллу 1 может быть приложено электрическое поле, изменяющее его показатель преломления n. Изменение показателя преломления n кристалла 1 в соответствии с выражением (9) приводит к изменению значения длины волны λ_r отраженного светового потока 6.

Другой возможностью изменения длины волны λ_r является в соответствии с выражением (9) изменение длины волны λ_w пучков света 2 и 3. Для этого можно использовать перестраиваемый по длине волны полупроводниковый лазер. Это приводит к тому, что в кристалле 1 будет записываться решетка 4 с иным значением периода Λ. Хотя в сравнении с перестройкой фильтра за счет изменения напряженности поля в кристалле 1, этот процесс более инерционный, поскольку ранее записываемая решетка 4 должна стереться и записаться новая. Этот процесс для таких кристаллов, как ВаТiO₃ и при интенсивности записывающих пучков света 2 и 3 порядка 1 Вт/см² составляет примерно 1 с. При сохранении электрического управления выбором длины волны λ_r изменение длины волны λ_w записывающих пучков света 2 и 3 можно использовать для перестройки спектрального диапазона, в котором работает электрически управляемый фильтр.

Также, в соответствии с выражением (9), можно изменять диапазон перестройки фильтра за счет изменения угла падения записывающих пучков света 2 и 3. При этом также изменяется период Λ записываемой решетки 4 и, соответственно, изменяется спектральный диапазон, в котором работает электрически управляемый фильтр. Примеры осуществления заявляемого способа, в которых реализуется указанный прием перестройки спектрального диапазона фильтра за счет изменения угла падения записывающих пучков света 2 и 3, представлены на фиг.2 и 3.

Представленная на фиг. 2 схема заявляемого способа включает лазер 10 с длиной волны λ_w, полупрозрачное зеркало 11 и два зеркала 12 и 13, одно из которых или оба имеют возможность поворачиваться на некоторый угол. Световой поток от лазера 10, попадая на полупрозрачное зеркало 11, разделяется на два пучка, которые, отражаясь от соответствующих зеркал 12 и 13, образуют записывающие пучки света 2 и 3, попадающие в кристалл 1 и записывающие в нем голографическую дифракционную решетку 4. Фильтрация оптического излучения 5 происходит описанным выше (см. фиг.1) образом. Для изменения периода Λ записываемой в кристалле 1 решетки 4 и, соответственно, перестройки спектрального диапазона фильтрации, поворачивают зеркало 12 (или оба зеркала 12 и 13, что на фиг.2 не показано). При этом угол θ_w изменяется и принимает некоторое иное значение θ1w

На фиг. 3 представлен другой вариант осуществления заявляемого способа, когда в качестве элементов, отклоняющих записывающие пучки света 2 и 3, используются электрооптические или акустооптические дефлекторы. Эта схема содержит лазер 10 с длиной волны λ_w, полупрозрачное зеркало 11, два зеркала 14 и 15, а также электрооптические (или акустооптические) дефлекторы 16 и 17. Световой поток от лазера 10, попадая на полупрозрачное зеркало 11, разделяется на два пучка, которые, отражаясь от соответствующих зеркал 14 и 15, попадают на входы соответствующих дефлекторов 16 и 17. На выходах дефлекторов 16 и 17 формируются записывающие пучки света 2 и 3, попадающие в кристалл 1 и записывающие в нем решетку 4. Фильтрация оптического излучения 5 происходит описанным выше (см. фиг.1) образом. Изменение угла θ_w для изменения периода Λ записываемой в кристалле 1 решетки 4 и, соответственно, перестройки спектрального диапазона фильтрации, осуществляют с помощью дефлекторов 16 и 17.

Таким образом, заявляемый способ позволяет осуществить спектральную фильтрацию оптического излучения, при этом обеспечивается широкий диапазон перестройки длины волны λ_r фильтруемого излучения. Это достигается за счет независимого изменения таких параметров фильтрации, как показатель преломления n кристалла 1, путем приложения к кристаллу изменяемого электрического поля, длины волны λ_w пучков света 2 и 3, используемых для записи в кристалле 1 дифракционной решетки 4, а также угла падения θ_w этих записывающих пучков света 2 и 3.

В описанных примерах осуществления заявляемого способа процессы записи решетки 4 в кристалле 1 и фильтрации оптического излучения за счет дифракции света на этой решетке 4 совмещены во времени. Очевидно, что эти два процесса могут быть и разнесены во времени, а именно, если прекратить запись решетки 4 (выключить пучки света 2 и 3), то в пределах времени релаксации решетки 4 указанная фильтрация оптического излучения будет также возможна. Несмотря на реальное малое время релаксации, такой прием может найти применение для обработки коротких оптических сигналов.

Источники информации
1. G.A. Rakuljic, V. Leyva. Volume holographic narrow-band optical filter. // Optics Letters. 1993. Vol. 18. 6. P. 459-461.

2. Патент US 5684611, G 03 H 1/02, публ. 04.11.97.

3. Патент US 5796096, G 01 J 3/50, публ. 18.08.98.

4. Photorefractive materials and their applications II: Survey of applications. / Edited by P. Gunter and J.-P. Huignard. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1989.

5. R. Muller, J.V. Alvarez-Bravo, L. Arizmendi and J.M. Cabrera. Tuning of photorefractive interference in LiNbO₃. J. Phys. D: Appl. Phys., 27, 1628-1632 (1994).

6. D. Herve, В. Mainguet, S. Pinel, R. Coquille, A. Poudoulec and F. Delorme. "Narrow-band WDM spectrum analyser without mechanical tuning" - Electronics Letters. 25th April 1996. Vol. 32. 9. 838-839.

7. R. T. B. James, C. Wah, K. Iizuka and H. Shimotahira. "Optically tunable optical filter" // Applied Optics, Vol. 34, 35, 8230-8235 (1995).

Изобретение относится к оптике. Способ основан на формировании с помощью двух пересекающихся когерентных пучков света дифракционной решетки в фоторефрактивном кристалле, при этом ввод фильтруемого излучения в кристалл осуществляют вдоль вектора дифракционной решетки. При такой схеме записывающих пучков света и фильтруемого излучения можно осуществлять выбор длины волны дифрагируемого излучения путем приложения к кристаллу электрического поля заданной напряженности, изменяющего показатель преломления кристалла, а также путем задания длины волны записывающих пучков света и/или путем задания угла между направлениями распространения этих пучков света. Технический результат - расширение диапазона выбора длины волны. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ спектральной фильтрации оптического излучения, осуществляемый за счет Брэгговской дифракции этого излучения на голографической дифракционной решетке, характеризующийся тем, что дифракционную решетку формируют в фоторефрактивном кристалле с помощью двух пересекающихся в кристалле когерентных пучков света, а ввод фильтруемого излучения в кристалл осуществляют преимущественно вдоль вектора дифракционной решетки, при этом выбор длины волны дифрагируемого излучения осуществляют путем приложения к кристаллу электрического поля заданной напряженности, изменяющего показатель преломления кристалла. 2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что дополнительно выбор длины волны дифрагируемого излучения осуществляют путем задания длины волны упомянутых пучков света, формирующих дифракционную решетку. 3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что дополнительно выбор длины волны дифрагируемого излучения осуществляют путем задания угла между направлениями распространения упомянутых пучков света, формирующих дифракционную решетку.