Модулятор поляризации света Советский патент 1992 года по МПК G02F1/03 

Изобретение относится к технике оптических измерений и может быть использовано в оптоэлектрониых и фотоэлектронных устройствах, а также в прецизионной спектроскопии.

Известен модулятор фазы света, содержащий последовательно соединенные поляризатор и электрооптический кристалл в виде кристаллической пластины, вырезанной вдоль оптической оси и снабженной электродами для подачи модулирующего напряжения.

При применении этого модулятора фазы в цитируемой работе в качестве источника света использован лазер, обладающий свойствами, необходимыми для увеличения

точности и чувствительности измерений. Однако ожидаемого эффекта не получилось, из-за появления паразитной амплитудной модуляции (ПАМ), которая значительно снизила точность и чувствительность проводимых исследований, Кроме того, конструктивное выполнение данного электрооптического кристалла не позволяет использовать этот модулятор фазы в качестве модулятора поляризации света.

Поэтому в качестве прототипа выбран модулятор поляризации света как наиболее близкий по технической сущности.

Известный модулятор поляризации света содержит последовательно установленные поляризатор в виде поляризационной

3

СО

о со

Ј

призмы Ротона и электрооптический кристалл в виде кристаллической пластинки среза с электродами для подачи модулирующего напряжения. В данной конструкции электроды выполнены в виде слоев про- зрачной жидкости (глицерина), нанесенных на обе (входную и выходную) поверхности кристаллической пластины между самой кристаллической пластиной и двумя дополнительными стеклянными пластинками, При использовании данного модулятора поляризации света также возникает паразитная амплитудная модуляция. Это связано с рассеянием модулируемого света на решетках собственных колебаний электро- оптического кристалла: акустической и оптической. Появление акустической решетки связано с тем, что электрооптический кристалл является пьезоэлектриком, а появление оптической решетки - с тем, что кристалл Z-среза является к тому ж|Г и резонатором Фабри-Перо.

Таким образом, недостатком вышеописанного модулятора поляризации света является высокий уровень ПАМ, что сущест- венно снижает чувствительность и точность проводимых с помощью этого устройства измерений, а также возможности спектроскопии.

Целью предлагаемого изобретения яв- ляется уменьшение амплитудной паразитной модуляции, обусловленной вышеописанными причинами.

Поставленная цель достигается тем, что в модуляторе поляризации света, содержа- щем электрооптический кристалл Z-среза и электроды для подачи модулирующего напряжения с частотой f, установленные на двух противоположных гранях электрооптического кристалла, согласно изобретению электрооптический кристалл выполнен в виде четырехугольной призмы, основания которой являются входной и выходной гранями кристалла, при этом входная грань кристалла выполнена под углом а к его оптической оси, выбираемым из условия

л..„о(О

0 а 90 -arctg -p где ш - диаметр пучка

света в кристалле, a L - длина пучка света в кристалле.

Целесообразно призму электрооптического кристалла выполнить усеченной по противоположным боковым граням, снабженным электродами, при этом угол ft между этими боковыми гранями, снаб- женными электродами, связан с частотой f модулирующего напряжения соотношениГ

ем 2arcsln зН s гДе длина электродов, Сэв - скорость звука в электрооптическом кристалле.

Выполнение входной грани призмы элекГрооптического кристалла под углом а к его оптической оси, выбираемым из условия 0 a 90°-arctg т-, позволяет существенно уменьшить ПАМ, обусловленную рассеянием модулирующего света на решетках собственных колебаний электрооптического кристалла. Это связано с тем, что такое выполнение кристалла позволяет развести переотраженные в кристалле пучки света и избавиться таким образом, от решетки собственных оптических колебаний, при этом частично разрушается и решетка собственных акустических колебаний из-за увеличения краевых эффектов, уменьшающих объем, занятый акустической решеткой.

Максимальный угол «макс наклона входной грани к оптической оси кристалла, при котором еще происходит разведение переотраженных в кристалле пучков света вычисляется из условия их неперекрытия на выходной грани кристалла и равен

«мэкс 900-агтд .

При уменьшении угла а а макс разведение переотраженных в кристалле пучков увеличивается, однако при этом уменьшается полезный объем кристалла. Поэтому, хотя теоретически угол а может меняться в пределах 0 а а Макс, но на практике угол а целесообразно выбирать вблизи Омакс- Угол (X не может быть равен О из геометрии кристалла, так как в этом случае кристалл вырождается в плоскость.

Выполнение угла / между двумя боковыми противоположными снабженными электродами гранями усеченной

призмы, удовлетворяющим условию р

2arcsln ., , приводит к дополет

нительному уменьшению ПАМ, обусловленной рассеянием модулируемого света на решетке собственных акустических колебаний кристалла. Минимальный угол Д,ин вычисляется из условия резонанса на одном из

концов кристалла (di -n, где di - поперечный размер кристалла на одном из концов кристалла, Я - длина волны собственных акустических колебаний), при выполнении условия антирезонанса на другом конце

кристалла ( -я, где d2 - поперечный раз- «

мер кристалла на другом конце), используя известную формулу f -Я -Сзв- оказарлось равным 2arcsin и f8 . При увеличении

4Т

угла /3 число зон антирезонанса в объеме кристалла увеличивается, соответственно уменьшается объем, занятый решеткой собственных акустических колебаний, следовательно, уменьшается и ПАМ. Однако увеличение угла /3требует для обеспечения модуляции света увеличения амплитуды прикладываемого к электродам модулирующего напряжения, что не всегда осуществимо и ограничивает на практике угол / сверху величиной порядка значительно меньшей теоретического предела, равного 180°. Угол {3 не может быть равен 180° из геометрии кристалла.

Выполнение электрооптического кристалла в модуляторе поляризации света ука- эанным образом устраняет решетки собственных колебаний кристалла, а следовательно, снижает величину паразитной амплитудной модуляции, что значительно повышает точность и чувствительность проводимых измерений, существенно расширяет возможности применения модуляционного метода спектроскопии. Сам процесс модуляции поляризации света в предлагаемом модуляторе осуществляется, как и в известных модуляторах поляризации, работающих на основе электрооптиче- ского эффекта При наложении на электрооптический кристалл переменного модулирующего напряжения в кристалле возникает наведенное двулучепреломление и нормальные волны приобретают разность набега фаз, что обеспечивает модуляцию проходящего света по поляризации в соответствии с приложенным напряжением.

На чертеже изображена схема модулятора поляризации света

Устройство содержит поляризатор 1 и последовательно соединенный с ним электрооптический кристалл 2 в виде четырехугольной призмы, вырезанный под углом 90° к оптической оси 3 (оси Z), т.е. кристалл Z-среза. Основания призмы являются входной гранью 4 и выходной гранью 5 кристалла. Из двух пар боковых граней 6, 7, 8 (четвертая боковая грань на чертеже не видна) одна пара граней, например, 6 и 7 снабжена электродами 9 и 10 для подачи модулирующего напряжения

Входная грань 4 кристалла 2 выполнена ориентированной под углом «к его оптической оси 3, определяемым из условия 0

а 90°-arctg т-. Целесообразно для дополнительного уменьшения ПАМ две противоположные боковые грани 6 и 7 призмы,

снабженные электродами 9 и выполнить 0 непараллельными, а скошенными При этом угол ft между этими гранями б и 7 выбирается из соотношения:

2arcsln .

5 Две другие противоположные грани 8 при этом остаются параллельными.

В конкретной реализации устройства электрооптический кристалл 2 выполнен в виде четырехугольной усеченной призмы из

0 ниобата лития (LiNbOa) и имеет следующие параметры: угол а 67±1°, угол / 2° ± 30 при длине электродов 9, 10 мм Поляризатор 1 представляет собой призмы Рошона.

5 Устройство работает следующим образом.

Прошедший через поляризатор 1 свет падает на входную грань 4 электрооптического кристалла 2. Преломленный свет рас0 пространяется вдоль оптической оси 3 кристалла 2 и разделяется на выходной грани 5 на два пучка. Первый из которых (основной) выходит через грань 5 наружу, а второй отражается от грани 5 обратно в кристалл и

5 попадает на входную грань 4, от которой отражается вторично. При этом поскольку входная грань 4 выполнена под углом а а макс к оптической оси кристалла, то при вторичном отражении от нее второй пучок

0 распространяется внутри кристалла и затем по выходе из кристалла таким образом, что первый пучок и второй пучок в пространстве вне кристалла оказываются разошедшимися и при наложении на электрооптический

5 кристалл переменного напряжения не взаимодействуют, что исключает появление ПАМ за счет рассеяния на решетке собственных оптических колебаний. Выполнение входной грани 4 под углом а к оси 3 уменьшает также ПАМ, обусловленную рассеянием проходящего пучка света на решетке собственных акустических колебаний, что обеспечивается увеличением краевых эффектов, уменьшающих объем, занятый этой акустической решеткой. Выполнение входной грани 4 к оптической оси 3 под углом, большим, чем Дмакс, приводит к появлению решетки собственных оптических колебаний и появлению ПАМ.

Дополнительное уменьшение ПАМ, обуслоЁленной рассеянием на решетке собственных акустических колебаний, достигается за счет скашивания граней 6,7 призмы, снабженных электродами 9, 10 на определенный угол fi , указанный а формуле изобретения, что позволяет в кристалле 2 дополнительно уменьшить объем, занятый

решеткой собственных акустических колебаний.

Формула изобретения 1. Модулятор поляризации света, содержащий электрооптический кристалл Z-среза и электроды для подачи модулирующего напряжения с частотой f, установленные на двух боковых противоположных гранях электрооптического кристалла, отличающийся тем, что, с целью уменьшения паразитной амплитудной модуляции, электрооптический кристалл выполнен в виде четырехугольной призмы, основания которой являются входной и выходной гранями кристалла, при этом входная грань кристалла выполнена под углом а к его оптической оси, выбираемым из условия

0

a 90°-arctg -г-, где ю - диаметр пучка света

в кристалле, at- длина пучка света в кристалле.

2. Модулятор по п. 1,отличающий- с я тем, что призма электрооптического кристалла выполнена усеченной по противоположным боковым граням, снабженным электродами, при э.том угол/3 между этими боковыми гранями, снабженными электродами, связан с частотой f модулирующего напряжения соотношением Сзв

ft arcsln 3ff где эл Алина электродов, Сзв - скорость звука в электрооптическом кристалле,

Изобретение относится к технике оптических измерений и может быть использовано в оптроэлектронных и фотоэлектронных устройствах, а также в прецизионной спектроскопии. Сущность: модулятор поляризации света содержит поляризатор и последовательно соединенный с ним электрооптический кристалл в виде четырехугольной призмы, вырезанный под углом 90° к оптической оси (оси Z), т.е. кристалл Z-среза. Основания призмы являются входной и выходной гранями кристалла. Из двух пар боковых граней одна пара граней снабжена электродами для подачи модулирующего напряжения. Входная грань кристалла выполнена ориентированной под углом а, к его оптической оси, определяемым из условия 0 а 5 90° arctg т-. Для дополнительного уменьшения ПАМ две противоположные боковые грани призмы, снабженные электродами, выполняют не параллельными, а скошенными. При этом угол /3 между этими гранями выбирают из соотЈ ношения 2 arcsin -i, f в 180°. Две друнт гие противоположные грани при этом остаются параллельными. 1 ил, Ё

av-