АКУСТООПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА Российский патент 2016 года по МПК G01J3/18 G02F1/11 

Область техники

Изобретение относится к области лазерной физики, оптической электроники, акустооптики и спектрометрии.

Уровень техники

Из уровня техники известно, что для изучения спектральных характеристик светового излучения используются специальные приборы - спектрометры. Принцип их работы основывается на разложении светового излучения в спектр при помощи дисперсионного элемента и регистрации интенсивности отдельных спектральных компонент, при этом спектральные компоненты могут регистрироваться как одновременно, так и последовательно. Основной характеристикой спектральных приборов является спектральное разрешение, определяющее минимальную разницу между длинами волн излучения, которые способен различить спектрометр. Известно достаточно большое количество типов спектрометров. На настоящий момент наибольшее распространение получили устройства, в которых в качестве дисперсионного элемента используются дифракционные решетки.

Из уровня техники известно также, что существуют устройства, предназначенные для регистрации спектра радиочастотных колебаний в электрических цепях, называемые анализаторами спектра.

Из уровня техники известно, что существуют устройства, использующие в своей работе акустооптический эффект, заключающийся в дифракции светового излучения на акустической волне, возбуждаемой в оптически прозрачной среде. Акустические волны в таких устройствах, как правило, возбуждаются пьезопреобразователями.

Из уровня техники известно, что существуют оптические спектрометры, одним из элементов которых является акустооптическая ячейка (дефлектор или фильтр) RU 96109169 А (Заявка: 96109169/25, 17.05.1996), US 20060103841, US 20040075832, WO 2014036843. В таких спектрометрах акустооптическое устройство является вспомогательным и помогает более полно использовать возможности основного дисперсионного элемента (дифракционной решетки или интерферометра). Иногда для управления акустооптическим устройством в таких спектрометрах применяется цепь обратной связи, например в WO 2014036843.

Из уровня техники также известно, что существуют спектрометры, использующие в своей работе акустооптический эффект, заключающийся в дифракции света на акустической волне, распространяющейся в оптически прозрачной среде. Дисперсионным элементом в данном случае является перестраиваемый акустооптический фильтр, полоса пропускания которого изменяется в некотором спектральном диапазоне, пропуская только часть спектральных компонент светового излучения. Перестройка полосы пропускания осуществляется посредством изменения частоты акустической волны, распространяющейся в среде, при этом существует взаимооднозначное соответствие между частотой акустических колебаний и длиной волны дифрагирующего светового излучения, называемое условием фазового синхронизма. Спектральные приборы, использующие акустооптический эффект, отличаются малыми массой и габаритами, однако, имеют невысокое спектральное разрешение.

Из уровня техники известны акустооптические устройства, использующие в своей работе модуляцию интенсивности светового излучения с частотой ультразвука, получаемую при помощи метода оптического гетеродинирования (В.И. Балакший, И.А. Нагаева, «Оптоэлектронный генератор на основе акустооптического взаимодействия», Квант, эл., 1996, т. 23, №3, стр. 261-264; В.И. Балакший, И.М. Синев, «Конкуренция мод в акустооптическом генераторе с акустооптическим гетеродинированием», Квант, эл., 2004, т. 34, №3, стр. 277-282.) за счет применения цепи электрической обратной связи. Такие устройства называются оптоэлектронными генераторами. В них фотоприемное устройство регистрирует амплитудную модуляцию светового излучения с частотой, равной частоте ультразвука, требуемой для выполнения условия фазового синхронизма. Далее эта частота усиливается усилителем и подается по цепи обратной связи на пьезопреобразователь акустооптической ячейки, возбуждающий в ней акустические волны на частоте фазового синхронизма. Данные системы имеют несколько недостатков. Во-первых, использование метода оптического гетеродинирования, требующего точной оптической юстировки системы, поскольку характеристики системы зависят от того, насколько точно сведены опорный и сигнальный пучки. Во-вторых, возможность существования нескольких акустических частот в акустооптическом фильтре, число которых определяется расстоянием от плоскости пьезопреобразователя до места, через которое световой пучок проходит через акустооптический фильтр. Следовательно, на оптическом выходе оптоэлектронного генератора могут существовать одновременно несколько световых волн с разными длинами волн и амплитудами.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является акустооптическое устройство, осуществляющее модуляцию интенсивности оптического сигнала с частотой возбуждаемого ультразвука, содержащее: изготовленный из оптически анизотропного кристалла акустооптический фильтр, вырезанный таким образом, чтобы обеспечивался коллинеарный режим дифракции света на ультразвуке с рассеянием светового излучения одновременно в несколько дифракционных порядков, оптический поляризатор, расположенный на входе акустооптического фильтра и ориентированный таким образом, чтобы на выходе акустооптического фильтра существовали +1-й, -1-й и 0-й дифракционные максимумы, анализатор, расположенный на выходе акустооптического фильтра, ориентированный таким образом, чтобы на его выходе осуществлялась интерференция +1-го, -1-го и 0-го дифракционных максимумов, фотоприемное устройство, регистрирующее прошедшее через анализатор световое излучение (Балакший В.И., Манцевич С.Н. "Влияние поляризации света на характеристики коллинеарной акустооптической дифракции" // Оптика и спектроскопия, 2009, том 106, №3, с. 499-503).

Недостатками данного устройства являются уширение полосы пропускания акустооптического фильтра, приводящее к ухудшению спектрального разрешения устройства, увеличение боковых лепестков функции пропускания акустооптического фильтра и отсутствие полезного применения получаемой амплитудной модуляции.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является устранение указанных недостатков.

Техническим результатом, обеспечиваемым разработанной конструкцией, является обеспечение возможности получения высокого спектрального разрешения для определения спектральных компонент света.

Технический результат достигается тем, что в акустооптическом анализаторе спектра оптического сигнала, содержащем изготовленный из оптически анизотропного кристалла акустооптический фильтр, вырезанный таким образом, чтобы обеспечивался коллинеарный режим дифракции света на ультразвуке с рассеянием светового излучения одновременно в несколько дифракционных порядков, оптический поляризатор, расположенный на входе акустооптического фильтра и ориентированный таким образом, чтобы на выходе акустооптического фильтра существовали +1-й, -1-й и 0-й дифракционные максимумы, анализатор, расположенный на выходе акустооптического фильтра, ориентированный таким образом, чтобы на его выходе осуществлялась интерференция +1-го, -1-го и 0-го дифракционных максимумов, фотоприемное устройство, регистрирующее прошедшее через анализатор световое излучение, совместно используются радиочастотный анализатор спектра, электрически связанный с выходом фотоприемного устройства и обеспечивающий регистрацию спектра электрического сигнала фотоприемного устройства, и цепь электрической обратной связи, связывающая выход фотоприемного устройства с входом пьезоэлектрического преобразователя акустооптического фильтра.

При этом акустооптический фильтр коллинеарной геометрии изготовлен из оптически анизотропного кристалла с химическим составом, в котором реализуется коллинеарная геометрия акустооптического взаимодействия, например молибдат кальция, ниобат лития, кварц, молибдат свинца.

Использование радиочастотного анализатора спектра, электрически связанного с выходом фотоприемного устройства, обеспечивает возможность регистрировать спектр светового излучения, переведя его в спектр радиосигнала, при этом одним из факторов, определяющих спектральное разрешение системы в целом, является спектральное разрешение радиочастотного анализатора спектра.

Использование цепи обратной связи позволяет обеспечить передачу части электрического сигнала от фотоприемника к пьезопреобразователю акустооптического фильтра, что приводит к уменьшению полосы пропускания акустооптического фильтра и увеличению эффективости акустооптической дифракции.

Использование акустооптического фильтра коллинеарной геометрии, выполненного из оптически анизотропного кристалла с химическим составом, в котором реализуется коллинеарная геометрия акустооптического взаимодействия, например молибдат кальция, ниобат лития, кварц, молибдат свинца, позволяет обеспечить наличие нескольких интерферирующих световых пучков, распространяющихся вдоль одного направления.

Использование поляризатора и анализатора, установленных перед и после коллинеарного акустооптического фильтра, позволяет обеспечить одновременное существование +1-го, -1-го и 0-го дифракционных порядков и их интерференцию.

В заявленном акустооптическом анализаторе спектра оптически анизотропный кристалл, используемый для изготовления акустооптического фильтра, является одноосным кристаллом или двуосным кристаллом, в котором можно реализовать коллинеарную геометрию акустооптического взаимодействия, например молибдат кальция, ниобат лития, кварц, молибдат свинца.

Кроме того, этот кристалл вырезан таким образом, что взаимодействующие акустическая волна и световой пучок распространяются вдоль кристаллографической оси [100] (ось X), что обеспечивает коллинеарную геометрию акустооптического взаимодействия.

Сущность заявленного устройства и его функционирование основаны на свойствах дифракции света на фазовой дифракционной решетке, образуемой при распространении акустической волны в оптически анизотропной среде, и свойствах электронных систем с электрической обратной связью. Работа данного устройства оказывается возможной благодаря найденной специфической особенности коллинеарного акустооптического взаимодействия, сопряженной с наличием цепи обратной связи.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена схема акустооптического анализатора спектра: 1 - изучаемое световое излучение, 2 - коллиматор, 3 - оптический поляризатор, 4 - акустооптический фильтр, в котором реализуется коллинеарная геометрия акустооптического взаимодействия, 5 - оптический анализатор, 6 - фотоприемное устройство, 7 - цепь электрической обратной связи, 8 - радиочастотный спектроанализатор.

Предлагаемое изобретение осуществляется следующим образом.

В заявляемом устройстве используется акустооптический фильтр коллинеарной геометрии, изготовленный из кристалла, в котором такую геометрию акустооптического взаимодействия возможно реализовать; поляризатор и анализатор с плоскостями поляризации, ориентированными таким образом, чтобы на выходе акустооптического фильтра существовали +1-й, -1-й и 0-й дифракционные максимумы. Эти максимумы интерферируют друг с другом, обеспечивая модуляцию интенсивности светового излучения с частотой ультразвука, возбужаемого в акустооптическом фильтре. Далее световое излучение попадает на фотоприемное устройство, которое регистрирует модуляцию интенсивности светового излучения и переводит световой сигнал в электрический. По цепи электрической обратной связи сигнал подается на пьезопреобразователь акустооптического фильтра. При этом часть электрического сигнала подается на вход электрического анализатора спектра, который регистрирует спектральные составляющие электрического сигнала. Таким образом, данная система переводит спектр оптического излучения, поступающего на ее оптический вход, в спектр радиосигнала, регистрируемый электрическим анализатором спектра, при этом весь спектр регистрируется одновременно. За счет многократного прохождения сигнала (аналогично интерферометру Фабри-Перо) такая система обладает спектральным разрешением гораздо более высоким, чем исходный коллинеарный фильтр, являющийся одним из ее составных элементов.

Изучаемое световое излучение может быть от любого источника - как когерентного, так и нет. Коллиматор представляет собой оптическое устройство, известное из уровня техники, служащее для формирования нерасходящегося однородного пучка на входе акустооптического фильтра. Оптический поляризатор и анализатор также известны из уровня техники и могут иметь любую из известных конструкцию и исполнение. Акустооптический фильтр, реализующий коллинеарную геометрию взаимодействия, является устройством, хорошо известным и освоенным промышленностью. В качестве фотоприемного устройства может использоваться фотоприемное устройство любой конструкции, имеющее оптический и частотный диапазоны работы, соответствующие оптическому и частотному диапазонам работы акустооптического фильтра. Применение цепей обратной связи в радиотехнике также широко известно из уровня техники. В данном устройстве может использоваться цепь обратной связи любой конструкции, при условии, что ее частотный диапазон работы совпадает с частотным диапазоном работы акустооптического фильтра. В предлагаемом устройстве может применяться любой радиочастотный спектроанализатор. Разрешение спектроанализатора будет являться одним из факторов, ограничивающим спектральное разрешение предлагаемого устройства.

Промышленная применимость

Предлагаемое устройство (акустооптический анализатор спектра) может быть воспроизведено на основе элементов, освоенных и серийно выпускаемых промышленностью.

Изобретение относится к области спектрометрии и касается акустооптического анализатора спектра оптических сигналов. Анализатор включает в себя акустооптический фильтр, фотоприемное устройство, радиочастотный анализатор спектра и цепь обратной связи. Акустооптический фильтр включает в себя анизотропный кристалл, поляризатор и анализатор. Анизотропный кристалл вырезан таким образом, чтобы обеспечивать коллинеарный режим дифракции света на ультразвуке с рассеянием излучения одновременно в несколько дифракционных порядков. Поляризатор и анализатор ориентированы таким образом, чтобы на выходе акустооптического фильтра существовали +1-й, -1-й и 0-й дифракционные максимумы. Радиочастотный анализатор спектра электрически связан с выходом фотоприемного устройства и обеспечивает регистрацию спектра электрического сигнала фотоприемного устройства. Цепь электрической обратной связи связывает выход фотоприемного устройства с входом пьезоэлектрического преобразователя акустооптического фильтра. Технический результат заключается в повышении спектрального разрешения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Акустооптический анализатор спектра оптического сигнала, содержащий изготовленный из оптически анизотропного кристалла акустооптический фильтр, вырезанный таким образом, чтобы обеспечивался коллинеарный режим дифракции света на ультразвуке с рассеянием светового излучения одновременно в несколько дифракционных порядков, оптический поляризатор, расположенный на входе акустооптического фильтра и ориентированный таким образом, чтобы на выходе акустооптического фильтра существовали +1-й, -1-й и 0-й дифракционные максимумы, анализатор, расположенный на выходе акустооптического фильтра, ориентированный таким образом, чтобы на выходе акустооптического фильтра существовали +1-й, -1-й и 0-й дифракционные максимумы, фотоприемное устройство, регистрирующее прошедшее через анализатор световое излучение, отличающийся тем, что в нем совместно используются радиочастотный анализатор спектра, электрически связанный с выходом фотоприемного устройства и обеспечивающий регистрацию спектра электрического сигнала фотоприемного устройства, и цепь электрической обратной связи, связывающая выход фотоприемного устройства с входом пьезоэлектрического преобразователя акустооптического фильтра.

2. Акустооптический анализатор спектра по п.1, в котором используемый акустооптический фильтр коллинеарной геометрии изготавливается из оптически анизотропного кристалла с химическим составом, в котором реализуется коллинеарная геометрия акустооптического взаимодействия, например молибдат кальция, ниобат лития, кварц, молибдат свинца.