СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АЗИМУТА ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ Российский патент 2008 года по МПК G01J4/04 

Изобретение относится к лазерным измерениям и может быть использовано при проектировании систем определения поляризации оптического излучения.

Известен способ измерения угла поляризации оптического излучения (см., например, В.П.Дунец, А.Ю.Козирацкий, Ю.Л.Козирацкий, П.Е.Кулешов. Патент RU №2284017 С2, G01J 3/04, 2006), основанный на приеме оптического излучения, смешивании анализируемого оптического излучения с линейно поляризованным опорным излучением, при этом анализируемое и опорное излучение согласованы по фазе, детектировании суммарного и опорного излучений, выделении переменной и постоянной составляющих суммарного фототока, вычислении максимального значения переменной составляющей фототока по формуле , где i_Г - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля опорного оптического излучения,i_с - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля анализируемого оптического излучения, определении угла поляризационного рассогласования анализируемого и опорного оптических излучений как отношение переменной составляющей суммарного фототока к его максимальному значению, определении по изменению величины значения выделенной переменной составляющей взаимного расположения векторов поляризации анализируемого и опорного оптических излучений, определении угла поляризации анализируемого оптического излучения как суммы значений угла поляризации опорного излучения и угла поляризационного рассогласования.

Недостатком способа является необходимость вращения плоскости поляризации опорного излучения для определения взаимной ориентации векторов поляризации опорного и анализируемого излучений, приводящего к увеличению времени измерения угла поляризации, а также к возможным ошибочным результатам измерения в случае соизмеримых скоростях вращения плоскостей поляризации линейно поляризованных анализируемого и опорного излучений.

Техническим результатом, на достижение которого направленно предлагаемое изобретение, являются сокращение времени и повышения точности измерения азимута плоскости поляризации оптического излучения.

Технический результат достигается тем, что в известном способе измерения угла поляризации оптического излучения, заключающемся в приеме оптического излучения, смешивании анализируемого оптического излучения с линейно поляризованным опорным излучением, при этом анализируемое и опорное излучение согласованы по фазе, детектировании суммарного и опорного излучений, выделении переменной и постоянной составляющих суммарного фототока, вычислении максимального значения переменной составляющей фототока по формуле , где i_Г - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля опорного оптического излучения, i_с - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля анализируемого оптического излучения, определении угла поляризационного рассогласования анализируемого и опорного оптических излучений как отношение переменной составляющей суммарного фототока к его максимальному значению, определении по изменению величины значения выделенной переменной составляющей взаимного расположения векторов поляризации анализируемого и опорного оптических излучений, принятое оптическое излучение делят на первый и второй потоки, второй поток смешивают со вторым линейно поляризованным опорным излучением, плоскость поляризации которого повернута на угол α_пов=45° относительно плоскости поляризации опорного излучения, при этом вторые анализируемый поток и опорное излучение согласованы по фазе, детектируют вторые суммарное и опорное излучения, выделяют переменную и постоянную составляющие второго суммарного фототока, вычисляют максимальное значение переменной составляющей второго суммарного фототока по формуле , где i_Г2 - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля второго опорного оптического излучения; i_с2 - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля второго анализируемого оптического потока излучения, определяют второй угол поляризационного рассогласования второго анализируемого потока и второго опорного оптического излучения как отношение переменной составляющей второго суммарного фототока к ее максимальному значению, сравнением значения второго угла поляризационного рассогласования со значением угла поворота плоскости поляризации второго опорного излучения определяют взаимное расположение плоскостей поляризации анализируемого и первого опорного оптических излучений, а азимут плоскости поляризации анализируемого оптического излучения определяют как сумму значений азимута плоскости поляризации первого опорного излучения и первого угла поляризационного рассогласования.

При смешивании волн анализируемого и опорного излучений, если они однородны и согласованы по фазе, то амплитуда сигнала, образованная в результате биений полей, будет определяться степенью поляризационного согласования указанных волн (см., например В.В. Протопопов, Н.Д. Устинов Лазерное гетеродирование - М.: Наука, 1985, стр.5). Взаимодействием суммарного поля с материалом чувствительной площадки фотодетектора является выходной ток, который определяется выражением

где - единичные вектора поляризации анализируемого и опорного оптических излучений;

i_Г - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля

опорного оптического излучения;

i_c - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля анализируемого оптического излучения;

Δϕ - разность фаз исследуемого и опорного оптических полей (по условию соответствует максимальному значению фототока);

α_П(t)- угол между векторами поляризации исследуемого и опорного оптических линейно-поляризованных излучений;

Ω - разностная частота анализируемого и опорного оптических полей.

Два первых слагаемых (1) представляют собой не зависящие от времени постоянные составляющие фототока, вызванные полями анализируемого и опорного излучений.

Третье слагаемое (1) описывает результат интерференции полей, то есть определяет переменную составляющую фототока, изменяющуюся частотой Ω и зависящую от поляризационной согласованности смешиваемых полей.

Постоянная составляющая дает дельтообразную спектральную составляющую на нулевой частоте, а переменная составляющая две дельтообразные симметричные составляющие на частотах ± Ω, расположенных симметрично относительно нулевой частоты. Переменная и постоянная составляющие могут быть легко отделены спектральной фильтрацией.

Из выражения (1) видно, что степень поляризационной согласованности смешиваемых линейно-поляризованных излучений может быть определена полезной переменной составляющей фототока, содержащей множитель cosα_П(t).

Сущность изобретения заключается в делении анализируемого оптического излучения на два идентичных по поляризации потока и смешивании каждого из них с линейно поляризованными опорными оптическими излучениями, имеющими угол 45° между ориентациями плоскостей поляризации. Сравнение одного из углов поляризационного рассогласования между плоскостями поляризации анализируемого излучения и опорными излучениями (полученных через отношение переменных составляющих суммарных фототоков к их максимальным значениям) с углом между плоскостями поляризации опорных излучений определяет взаимную ориентацию плоскостей поляризации опорного и анализируемого излучений и, в конечном счете, азимут плоскости поляризации анализируемого излучения. Тем самым исключает необходимость вращения плоскости поляризации опорного излучения.

На фиг.1 изображено взаимное расположение векторов поляризации двух линейно поляризованных опорных излучений и разделенного на два потока анализируемого излучения, смешиваемых на площадках двух фотодетекторов. При этом плоскость поляризации второго опорного излучения повернута на угол α_пов=-45° (или α_пов=+45°) относительно плоскости поляризации первого опорного излучения. Плоскость поляризации первого опорного излучения имеет азимут α_Г1=90°. Угол поляризационного рассогласования между анализируемым излучением и первым опорным излучением составляет α_П1. Угол поляризационного рассогласования между анализируемым излучением и вторым опорным излучением составляет α_П2.

Тогда выходные токи на выходах первого и второго фотодетекторов определяются выражениями

где нижние индексы 1,2 указывает на принадлежность членов выражений фототоков первому и второму фотодетекторам.

Определения значения углов cosα_П1(t) и cosα_П2(t) поляризационного рассогласования между разделенными потоками анализируемого излучения и опорными излучениями достигается через отношения выделенных переменных составляющих фототоков и сформированных их максимальных значений (см., например, В.П.Дунец, А.Ю.Козирацкий, Ю.Л.Козирацкий, П.Е.Кулешов. Патент на изобретение RU №2284017 С2, G01J 3/04, 2006).

Взаимная ориентация (справа или слева по вращению часовой стрелки) плоскостей поляризации анализируемого излучения и первого имеющего известный азимут плоскости поляризации опорного излучения определяется путем сравнения угла поляризационного рассогласования между плоскостями поляризации анализируемого и второго опорного излучений с углом между плоскостями поляризации опорных излучений, составляющим 45°. Так, для случая представленного на фиг.α_пов=-45° (или α_пов=+45°) значение угла поляризационного рассогласования между плоскостями поляризации анализируемого и второго опорного излучения удовлетворяет неравенствам: α_Г2≥45° (или α_Г2<45°) если плоскость поляризации анализируемого излучения расположена справа относительно плоскости поляризации первого опорного излучения и α_Г2<45° (или α_Г2≥45°) - если плоскость поляризации анализируемого излучения расположена слева относительно плоскости поляризации первого опорного.

Предложенный способ позволяет полностью устранить необходимость вращения плоскости поляризации опорного излучения, что приводит к сокращению времени измерения и повышению точности измерения азимута плоскости поляризации оптического излучения.

На фиг.2 представлена блок - схема устройства, с помощью которого может быть реализован предлагаемый способ.

Блок - схема устройства содержит полупрозрачные зеркала 22, отражающее зеркало 21, оптические элементы фокусировки и коллимации 23, гетеродин 19, первый 2 и второй 1 фотоприемники анализируемого оптического излучения, первый 4 и второй 3 фотоприемники известных опорных оптических излучений, первый 6 и второй 5 фильтры, первый 8 и второй 7 блоки вычитания, первый 14 и второй 13 перемножители, первый 16 и второй 15 блоки извлечения удвоенного корня, первый 10 и второй 9 амплитудные детекторы, первый 12 и второй 11 блоки отношения переменных составляющих, блок сравнения углов α_пов и α_Г2 17, блок определения азимута плоскости поляризации α_с 18, поляризатор 20.

Анализируемое оптическое излучение с помощью полупрозрачных зеркал 22, отражающего зеркала 21 и оптических элементов фокусировки и коллимации 23 делится на первый и второй потоки и фокусируются на фотоприемники 1, 2. Опорное оптическое излучение от гетеродина 19 с помощью полупрозрачных зеркал 22 делится на четыре потока, при этом интенсивность первого равна интенсивности второго потоков, интенсивность третьего равна интенсивности четвертого потоков. В дальнейшем первый поток опорного излучения будем называть первым опорным излучением, четвертый поток опорного излучения будем называть вторым опорным излучением. Первый поток анализируемого излучения смешивается на фоточувствительной площадке фотоприемника 2 с первым линейно поляризованным опорным оптическим излучением, ориентация плоскости поляризации которого известна. Второй поток анализируемого излучения смешивается на фоточувствительной площадке фотоприемника 1 со вторым линейно поляризованным опорным оптическим излучением, плоскость поляризации которого повернута поляризатором 20 на угол 45°. Первый и второй суммарные сигналы, регистрируются фотоприемниками 2 и 1 соответственно, с выходов которых снимаются полные фототоки, содержащие переменные и постоянные составляющие и поступают на входы фильтров 6 и 7 соответственно. Фильтры 6 и 5 разделяют первый и второй полные токи на сумму постоянных (i_Г1+i_с1), (i_Г2+i_c2) и переменных , составляющих соответственно и поступают на входы блоков вычитания 8 и 7 амплитудных детекторов 10 и 9 соответственно. Блоки вычитания 7 и 8 производят вычисление постоянных составляющих фототоков анализируемого потоков (i_c1=(i_Г1+i_c1)-i_Г1), (i_c2=(i_Г2+i_с2)-i_Г2) и поступают на входы блоков перемножения 14 и 13 соответственно. В блоках перемножения 14 и 13 и блоках извлечения удвоенного корня 16 и 15 осуществляется формирование максимальных значений переменных составляющих первого и второго суммарных фототоков соответственно и поступают на входы блоков отношения переменных составляющих 12 и 11 на другие входы, которых с выходов амплитудных детекторов 10 и 11 поступают значения реальных переменных составляющих соответственно. В блоках отношения переменных составляющих 12 и 11 производится определения значений углов поляризационного рассогласования между анализируемым и опорными и излучениями соответственно α_П1 и α_П2. Значение угла поляризационного рассогласования между плоскостями поляризации анализируемого излучения и второго опорного излучения поступает на первый вход блока сравнения углов α_пов и α_Г2 17, на второй вход которого поступает значение угла α_пов=45°. По результатам сравнения определяется взаимное расположение плоскостей поляризации первого опорного и анализируемого излучений. Результат сравнения поступает первый вход блока определения азимута плоскости поляризации α_с, на второй вход которого поступает азимут плоскости поляризации первого опорного излучения, на третий вход которого поступает значение угла поляризационного рассогласования между плоскостями поляризации первого опорного и анализируемого излучений. В блоке определения азимута плоскости поляризации α_с производится вычисления азимута плоскости поляризации анализируемого излучения.

Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений неизвестен способ измерения угла поляризации оптического источника излучения, основанный делении анализируемого оптического излучения на первый и второй потоки, смешивании второго потока со вторым линейно поляризованным опорным излучением, плоскость поляризации которого повернута на угол α_пов=45° относительно плоскости поляризации опорного излучения, при этом вторые анализируемый поток и опорное излучение согласованы по фазе, детектировании вторых суммарного и опорного излучений, выделении переменной и постоянной составляющих второго суммарного фототока, вычислении максимального значения переменной составляющей второго суммарного фототока по формуле, , где i_Г2 - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля второго опорного оптического излучения; i_c2 - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля второго анализируемого оптического потока излучения, определении второго угла поляризационного рассогласования второго анализируемого потока и второго опорного оптического излучения как отношение переменной составляющей второго суммарного фототока к ее максимальному значению, определении взаимного расположения плоскостей поляризации анализируемого и первого опорного оптических излучений сравнением значения второго угла поляризационного рассогласования со значением угла поворота плоскости поляризации второго опорного излучения, определении азимута плоскости поляризации анализируемого оптического излучения как суммы значений азимута плоскости поляризации первого опорного излучения и первого угла поляризационного рассогласования.

Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность операций - деление анализируемого оптического излучения на первый и второй потоки, смешивание второго потока со вторым линейно поляризованным опорным излучением, плоскость поляризации которого повернута на угол α_пов=45° относительно плоскости поляризации опорного излучения, при этом вторые анализируемый поток и опорное излучение согласованы по фазе, детектирование вторых суммарного и опорного излучений, выделение переменной и постоянной составляющих второго суммарного фототока, вычисление максимального значения переменной составляющей второго суммарного фототока по формуле, где i_Г2 - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля второго опорного оптического излучения; i_с2 - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля второго анализируемого оптического потока излучения, определение второго угла поляризационного рассогласования второго анализируемого потока и второго опорного оптического излучения как отношение переменной составляющей второго суммарного фототока к ее максимальному значению, определение взаимного расположения плоскостей поляризации анализируемого и первого опорного оптических излучений сравнением значения второго угла поляризационного рассогласования со значением угла поворота плоскости поляризации второго опорного излучения, определение азимута плоскости поляризации анализируемого оптического излучения как суммы значений азимута плоскости поляризации первого опорного излучения и первого угла поляризационного рассогласования.

Предлагаемое техническое решение практически применимо, так как для его реализации могут быть использованы типовые оптические и радиоэлектронные узлы и устройства.

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для измерения азимута плоскости поляризации оптического излучения. Способ заключается в делении анализируемого оптического излучения на два идентичных потока и смешивании каждого из них с линейно поляризованными опорными излучениями, имеющими угол 45° между ориентациями плоскостей поляризации. Сравнение одного из углов поляризационного рассогласования между плоскостями поляризации анализируемого излучения и опорными излучениями, полученных через отношение переменных составляющих суммарных фототоков к их максимальным значениям, с углом между плоскостями поляризации опорных излучений определяет взаимную ориентацию плоскостей поляризации опорного и анализируемого излучений и азимут плоскости поляризации анализируемого излучения. Техническим результатом является сокращение времени и повышение точности измерения. 2 ил.

Способ измерения азимута плоскости поляризации оптического излучения, заключающийся в приеме оптического излучения, смешивании анализируемого оптического излучения с линейно поляризованным опорным излучением, при этом анализируемое и опорное излучения согласованы по фазе, детектировании суммарного и опорного излучений, выделении переменной и постоянной составляющих суммарного фототока, вычислении максимального значения переменной составляющей фототока по формуле , где i_Г - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля опорного оптического излучения, i_с - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля анализируемого оптического излучения, определении угла поляризационного рассогласования анализируемого и опорного оптических излучений как отношения переменной составляющей суммарного фототока к его максимальному значению, определении по изменению величины значения выделенной переменной составляющей взаимного расположения векторов поляризации анализируемого и опорного оптических излучений, отличающийся тем, что анализируемое оптическое излучение делят на первый и второй потоки, второй поток смешивают со вторым линейно поляризованным опорным излучением, плоскость поляризации которого повернута на угол α_пов=45° относительно плоскости поляризации опорного излучения, при этом вторые анализируемый поток и опорное излучение согласованы по фазе, детектируют вторые суммарное и опорное излучения, выделяют переменную и постоянную составляющие второго суммарного фототока, вычисляют максимальное значение переменной составляющей второго суммарного фототока по формуле где i_Г2 - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля второго опорного оптического излучения; i_c2 - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля второго анализируемого потока излучения, определяют второй угол поляризационного рассогласования второго анализируемого потока и второго опорного оптического излучения как отношение переменной составляющей второго суммарного фототока к ее максимальному значению, сравнением значения второго угла поляризационного рассогласования со значением угла поворота плоскости поляризации второго опорного излучения определяют взаимное расположение плоскостей поляризации анализируемого и первого опорного оптических излучений, а азимут плоскости поляризации анализируемого оптического излучения определяют как сумму значений азимута плоскости поляризации первого опорного излучения и первого угла поляризационного рассогласования.