Электрооптический фильтр Советский патент 1984 года по МПК G02F1/03 

1

Изобретение относится к техиике оптического приборостроения, точнее к узкополосным оптическим фильтрам, применяемым для анализа спектров оптического излучения, и может быть использовано в случае быстропротекающих оптических процессов, а такж в системах оптической модуляции, основанных на электрооптическом эффекте

Известны узкополосные оптические фильтры, содержащие двулучепреломляющую с точкой инверсии кристаллическую пластинку, размещенную межДУ двумя поляризаторами fП.

Такие фильтры имеют единственную пропускаемую (главные направления полйрнзации поляризаторов перпендикулярны) или блокируемую (главные направления поляризации поляризаторов параллельны) узкую спектральную полосу с центром при некоторой длине волны света д., перестройка которой по спектру осуществляется путем изменения температуры и химического или стехиометричеслсого сотавов кристаллической среды.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является электрооптический фильтр, содержащий последовательно размещенные поляризатор, электрооптический кристалл с электрда ш и анализатор Щ,

К недостаткам известшлх фильтров следует отнести ограниченные эксплуатационные возможности, зависимость характеристик фильтра от толщины кристаллических срезов, что влечет за собой усложнение технологии и в конечном итоге увеличение стоимости изготовления, Кроме этого, зависимость пропускания узкополосного фильтра от суперпозиции двулучепреломцения и естественной оптической .активности приводит к появлению слабых боковых полос, что ухудшает селективные свойства этих фильтров.

Целью изобретения является расширение эксплуатационных возможностей, улучшение селективных свойств и удешевление узкополосных оптических фильтров.

Цель достигается тем, что в элек рооптическом фильтре, содержащем последовательно размещенные поляризатор, электрооптический кристалл с электродами и анализатор, использован кристалл, обладанщий инверсией знака злектрооптического коэффициен308252

та, вырезанный так, что нормаль к входной плоскости кристалла совпадает с его негиротропным направлением.

В качестве кристалла, обладающего 5 инверсией знака электрооптического коэффициента может быть использован Aglnj..

На фиг.1 изображен схематически электрооптический фильтр; на фиг.2 10 и 3 - спектральные зависимости злектрооптического коэффициента () и полуволнового напряжения (UA/J) ; на фиг.4 - расчетные спектральные зависимости пропускания электрооптичес15 кого фильтра для различных электрических напряжений; на фиг.5 и 6 - спектральные зависимости соответственно пропускания и блокирования действующего узкополосного оптического фильт20 ра, полученные для напряжения U2 8 кВ, при этом главные направления поляризации поляризатора и анализатора ориентированы соответственно параллельно и перпендикулярно.

5 Электрооптический фильтр состоит . из размещающихся последовательно на пути параллельного светового потока 1 поляризатора 2, первого прозрачного электрода, состоящего из

- стеклянной подпожки 3 и токопроводящей пленки 4, кристаллического элемента 5, второго прозрачного электрода, состоящего из токопроводящей пленки 6 и стеклянной подложки 7, анализатора 8. Поляризатором 2 и

анализатором 8 служат поляризационные призмы Глана-Томсона. Кристаллический элемент 5 представляет собой плоскопараллельную пластину zсреза кристалла, принадлежащего к точечной группе симметрии 42т и обладающего инверсией знака электрооптического коэффициента. Пластины указанного типа вырезаются перпендикулярно кристаллофизической оси z

кристалла. Ось z является оптической осью кристалла, поэтому дпя света, распространяющегося вдоль этого направления, кристаллическая пластина при условии, что к ней не

0 приложено электрическое поле, будет изотропной. Так как электрическое поле, прикладываемое к кристаллическому элементу 5, направляется параллельно световому потоку 1, то

5 используются два прозрачных электрода 3,4 и 6,7, Каждый электрод представляет собой ; тонкую токопроводящую пленку 4,6 из закиси олова, на3несенную на стеклянную подложку 3, 7. Электроды упруго прижаты или приклеены токопроводящей стороной к плоскостям кристаллического элемента 5 и подключены к источнику постоянного электрического напряжения U. В совокупности элементы 3-7 образуют ячейку Поккельса. Главные плоскости поляризации поляризатора 2 и анализатора 8 могут быть либо взаимно перпендикулярными либо параллельными. Кристаллофизическая ось X (или равноправная ось У) кристаллического элемента 5 всегда ориентирована параллельно главному направлению поляризации поляризатора 2 или анали затора 8. Для фильтрации узкой спектральной полосы с центром при длине волны све та Ло электрооптический фильтр устанавливают в оптический тракт, после чего к кристаллическому элементу 5. прикладывают постоянное электрическое напряжение заданной величины. При этом в случае параллельного расположения главных направлений поляризации поляризатора 2 и анализатора 8 (фиг,1) электрооптический фильтр пропускает узкую полосу спект ра с центром при дпине волны света Я.о, а в случае перпендикулярного расположения главных плоскостей поляризации затвор блокирует указанную полосу. В результате действия электрического поля в изотропном направлении кристалла индуцируется двулучепрелом ление, величина которого определяется выражением Csn)z fi i Е. где (дп)- индуцированное в изотропном направлении двулучепр ломпение; - электрооптический коэффициент;п- - обыкновенный показатель преломления; EZ - компонента напряженности электрического доля вдоль . кристаллофизической оси X Следовательноj пропускание оптико-поляризационной системы элактрооптического затвора определяется сле дующими зависимостями: цри параллель ной оркентации главных направлений 254 поляризации поляризатора и анализатораУ.1-Ли(г,и Ег 2П/л) -5«-(гиЯ./г fiJ И при перпендикулярной У Sin(.)-Si(i2.) (3) где j J/3« - пропускание электрооптичаского затвора; 1д - интенсивность падающего на затвор светового потока; d - интенсивность прршёдшего через затвор светового потока; V- длина волны света; 15 Е d2 - напряжение электрического поля; d2 - толщина кристаллической пластшш в направлении осн z; ид, полуволновое напряжение. Как видно из шфажений (2) и(3}, пропускание 4ашьтра при постоянной величине электрического напряжения определяется величиной и дисперсией полуволнового напряжения. Обыч но для всех известных кристаллов электрооптические коэффициенты характеризуются постоянством знака во всей области прозрачности и нормальной дисперсией - с уменьшением длины волны света значение электрроптнческого коэффициента увеличивается, а полувоянового напряжения уменьшается. В этом случае при , фильтр в большей иди меньшей мере соответственно дисперсии электрооптического коэффихщента пропускает свет всех длин волн, а при , спектральное распределение пропускания приобретает периодический характер. Однако спектральное распределение пропускания указанного фильтра существенно изменяется, если используются кристаллы системы А81п,.дСах Sj , для которых электрооптический коэф нщиент (фиг. 2) при длине волны света Дв ,5 нм (х«1), становится равным нулю и по обе стороны от этой длины волны света имеет п ротивоположные знаки, так как имеет место инверсия знака электрооптического коэффшдаента. В длинноволновой области спектра электрооптнческйй коэффициент tgj остается практически постоянным. Отмеченные особенности соответствующим образом отражаются на дисперсии полуволнового напряжения (фиг, 3), которое с приближением к длине волны света д. о стремится к бесконечности, а в окрестности 550 нм достигает некоторого минимального значения /l V2Xi/M

На фиг,4 кривые 9-1Г изображают в качестве примера, рассчитанное на уравнение (2) спектральное распределение пропускания электрооптического фильтра с параллельной ориентацией главных направлений поляризации поляризатора и анализатора различных напряжений U (соответственно 2 кВ, 6 кВ, 8 кВ). Если электрическое напряжение не приложено к кристаллу, то фильтр пропускает весь падающий на него световой поток с спектральным составом, включающим практически весь оптический диапазон. Поэтому при работе в данной спектральной области один раз установленный фильтр может постоянно находиться в оптическом тракте, не оказывая влияния на другие функциональные применения светового потока. Когда к кристаллу прнложеио электрическое напряжение, то в спектральном распределении пропускаИия электрооптического фильтра (фиг. 4) вцделяется полоса пропускания с центром при длине волны светаЛ.п Для напряжений, меньших,чем /Uxf2ji 7,tKB/cff .(кривые 9,10), затвором пропускается как полоса с центром при дпине волны света Др, так и частично вся остальная спектральная часть светового потока. Кроме того, с увеличением приложенного к кристаллу напряжения Цд спектральная ширина полосы пропускания с центром при Л.о уменьшается. Для электрических напряжений, близ.ких по величине к значению /ил/г)),кВ|см (кривая 11) фильтром пропускается лишь узкая полоса с центром при Л,, а вся (за счет постоянства электроопти ческого коэффициента длинноволновая спектральная часть светового . потока полностью блокируется.

.Аналогичные рассуждения можно привести и для электрооптического фильтра с перпендикулярной ориентацией главных направлений поляризации в поляризаторе и анализаторе .В противположность к предыдущему случаю здесь с приложением к кристаллу напряжения, близкого по величине к / ия/г Ъатвором блокируется узкая полосЭ с центром при длине волны света /( , а остальная часть спектра светового потока пропускается. При этом электрооптический фильтр с перпендикулярной ориентацией главных направлений поляризации в поляризаторе и анализаторе не может постоянно находиться в оптическом тракте, так как при отсутствии электрического напряжения окрещенные поляризаторы не пропускают световой поток.

Как следует из полученных экспериментально . графиков, фильтром пропускается (фиг.5) или блокируется (фиг.6) узкая спектральная полоса с центром при дпине волны света . Однако уровень пропускания в максимуме спектральной характеристики полосы фильтрации значительно ниже, чем в полученной расчетным путем ; (фиг. 4). Это связано с тем, что при расчете не учитывались потери на отражение и поглощение элементами фильтра. Действующий узкополосный оптический фильтр при комнатной температуре и обладает следующими характеристиками: центральная длина волны света До полосы фильтрации равняется 479,5 нм полуширина полосы пропускания составляет около 10 А, а пропускание j-lOO % в максимуме спектральной характеристики 25%.

Расширение эксплуатационных возможностей достигается за счет применения в электрооптическом фильтре изотропного среза кристалла, обладающего инверсией знака электрооптического коэффициента. В этом случае электрооптический фильтр с параллельной ориентацией главных направлений поляризации в поляризаторе и анализаторе при отсутствии напряжения на кристаллическом элементе пропускает весь падающий на него световой поток с спектральным составом, включающим практически весь оптический диапазон. Следовательно, при работе в данной спектральной области один раз установленный фильтр может постоянно находиться в оптическом тракте, не оказывая влияния на другие функциональные применения светового потока.

Улучшение селективных свойств достигается тем, что пpимeняe в Iй в фильтре срез негиротропный. В известных уэкополосных оптических фильтрах на основе двулучепреломляющего кристаллического среза пропускание в центре полосы обусловлено оптической активностью, т.е. гирацией. По этой причине их пропускание зависит от суперпозиции двулучепреломления и оптической активности, что приводит к нежелательному появлению слабых боковых полос. В данном фильтре боко вые полосы отсутствуют (фиг. 5 и 6).

Удешевление фильтра достигается как за счет экономии ценного сырья, так и за счет упрощения технологии изготовления. Действительно, электрическое поле прикладывается к кристаллу вдоль оси .:;z и свет проходит путь df в том же направлении. Произведение в представленных ранее выражениях (2) и (3) представляет напряжение U, приложенное к кристаллу Поэтому кристаллический элемент может быхь вырезан в виде какой угодно тонкой пластины, при iэтом отпадает необходимость в контроле ее толщины, тем самым упрощается технология изготовления.

ЬЭЛЕКТРООПтаЧЕСКИЙ ФИЛЬТР, содержащий последовательно размещенные поляризатор, электрооптический « -JCOJO:5},rf ,,, кристалл с электродами и анализатор, отличающийся тем-, что,с целью расашрения его эксплуатационных возможностей, улучшения селективных свойств и удешевления, использован кристалл, обладающий инверсией знака электрооптического коэффициента, вырезанный так, что нормаль к входной плоскости кристалла совпадает с его негиротропным направлением. 2. Фильтр по п.I, о т л и ч а ющ и и с я тем, что в качестве кристалла, обладающего ииверсией знака электрооптического коэф| щкента, использован кристалл . 00 о 00 ю ел

(u, j

иг.2

40

jOniH.eff

5006QO

700 /IjHM

ФигЛ