ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО С НЕСКОЛЬКИМИ Советский патент 1966 года по МПК H03K3/29 H03K3/42 

Известны электроонтические устройства с несколькими устойчивыми состояниями, содержащие оптическую линию задержки, фотоэлектрический преобразователь, СВЧ-усилитель, детектор с интегрирующим звеном и перестраивающийся СВЧ-генератор. В этих устройствах, использованы два модулятора света, что усложняет конструкцию и снижает надежность.

Предложенное устройство отличается от известных тем, что для его упрощения, повыщения надежности и увеличения числа устойчивых состояний, в нем оптическая линия задержки содержит отражающее зеркало, установленное вне основной части устройства и полупрозрачное зеркало, установленное под углом 45° между поляроидом и электрооптическим кристаллом светового модулятора.

Па фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - его амплитудно-частотная характеристика.

Устройство содержит электрооптический модулятор 1 с кристаллом 2 Поккельса, помещенным в электрическое поле СВЧ объемного резонатора 3, а также скрещенные николи 4 и 5 (поляроид и анализатор соответственно), оптическую линию задержки 6 с отражающим зеркалом 7, полупрозрачные зеркала 5 и Я фотоэлектрический преобразователь 10 (например, фотоэлектронный умножитель), широкополосный СВЧ-усилитель 11 (например, на лампе бегущей волны; ФЭУ и ЛБВ могут быть объединены в единый блок-фото ЛБВ), СВЧ-детектор с интегрирующим звеном 12, унравитель частоты 13 и перестраиваемый по частоте СВЧ-генератор 14 (например, на лампе обратной волны типа «О).

Устройство представляет эквивалентно обобщенный четырехполюсник с немонотонной амплитудной характеристикой (см. фиг. 2) гребенчатого тина. Замыкание его в петлю обратной связи (что представлено прямой обратной связью) согласно классическому рассмотрению обеспечивает наличие у системы

многих устойчивых полол.ений равновесия. Точками на графиках обозначены области устойчивого равновесия, в каждой пз которым может неограниченно долго находиться прибор (режим его работы). Другие пересечения характернзуют области неустойчивого равновесия в приборе. Каждому устойчивому положению равновесия отвечает определенное значение частоты колебаний СВЧ-генератора 14.

Устройство работает следующим образом.

Луч света (в общем случае некогерентного и немонохроматического), проходя через поляроид 4, становится линейно поляризованным. Затем после прохождения через нолуэлектрооптический модулятор 1, собранный на электрооптическом изотропном кристалле 2 Поккельса и СВЧ объемном резонаторе 3. Если в резонаторе отсутствуют электрические колебания, то свет проходит через линию задержки 6, отражается от зеркала 7, вновь проходит линию задержки и выходит из модулятора 1, оставаясь линейно поляризованным. При этом часть светового потока отражается от полупрозрачного зеркала 8 и воздействует на анализатор, в качестве которого использован скрещенный николь. Как известно, свет, ориентированный ноляроидом 4, например, в вертикальной плоскости не проходит через скрепденный николь 5, так как иоследний ориентирует свет в горизонтальной плоскости. На выходе анализатора световой поток отсутствует, если резонатор 3 не возбужден. Так как резонатор 3 связан с СВЧ-генератором 14, то в нем имеются электромагнитные колебания, которые приводят к модуляции света в кристалле 2 по поляризации. Кристалл 2 Поккельса обладает свойством двойного лучепреломления в электрическом продольном поле. При приложении к кристаллу переменного электрического СВЧ-поля световой поток на выходе кристалла для прямой волны, распространяющейся от источника света к зеркалу 7, становится эллиптически поляризованным, т. е. модулируется по поляризации. Эллиптически поляризованный свет может быть представлен, как известно, суперпозицией двух линейно поляризованных комнонент света, электрические векторы которых колеблются во взаимно перпендикулярных направлениях с частотой света, причем характер поляризации зависит от сдвига фаз между этими колебаниями. Если сдвиг фаз равен нулю, то результирующее колебание - это линейно поляризованный свет. Если разность фаз составляет 90°, то результирующий свет является поляризованным по кругу (амплитуды компонент считаются одинаковой величины). При произвольном значении угла разности фаз свет представляется в общем случае эллиптически поляризованным. Пусть амплитуда напряженности электрического СВЧ-поля такова, что при однократном прохоладении линейно ноляризованного света через кристалл 2 Поккельса свет на его выходе становится эллиптически поляризованным с углом разности фаз, равным 45°, (это условие всегда легко выполнимо). Иначе говоря, вдоль оптической линии задержки 6 распространяется свет с периодически изменяющимся характером поляризации, причем угол разности фаз б осциллирует в пределах 44 С периодом осцилляции, равным периоду СВЧ-колебания, действующего в СВЧ-резонаторе 3. Таким образом, модулятор / для прямой волны выполняет функцию формирующего устройства т. е. преобразует непрерывный и неизменный по амплитуде световой поток с линейной поляризацией в непрерывный и неизменный по амплитуде (интенсивности) световой поток с периодически изменяющимся характером поляризации. Поляризационно-модулированная обратная световая волна, распространяющаяся от зеркала 7 к модулятору /, вновь проходит через модулятор после некоторой задержки т в оптической линии задержки 5, равной , (2) где / - конструктивная длина линии (расстояние между модулятором и зеркалом), п - показатель преломления среды, заполняющей линию задержки, с - скорость света в вакууме. В зависимости от соотношения времени задержки в линии 6 и периода СВЧ-колебаний в резонаторе 3 модулирующее вторичное воздействие модулятора / на обратную световую волну может быть различным. Так, если в момент прихода на модулятор волны света, характеризующейся углом б, равным 45°, напряженность электрического ноля в кристалле 2 такова, что создает дополнительное лучепрелол1ление на 45°, то на выходе модулятора свет имеет разность фаз 90°, т. е. имеет круговую поляризацию. Такое совпадение «настройки модулятора с моментом прихода на него света с углом разности фаз 45° как бы эквивалентно удвоению длины кристалла 2, так как известно, что разность фаз б нропорциональна длине к-ристалла (при неизменной напряженности электрического управляющего поля). Если в момент поступления на модулятор света с разностью фаз линейно поляризованных комнонент эллиптически поляризованного света, равной 45°, состояние «настройки модулятора таково, что создает отрицательное приращение разности фаз на -45°, то выходной световой поток после модулятора линейно поляризован, то есть такой же, как в отсутствие электрического поля в кристалле 2. Могут быть также другие промежуточные значения результирующего угла сдвига фая в выходном потоке света, дважды прощедщего модулятор /. Важно то, что характер поляризации в выходном световом потоке, прощедщнм модулятор, зависит от частоты СВЧ-колебаний в резонаторе 3. Таким образом, световой модулятор / для обратной волны света осуществляет функции «поляризационной схемы совпадений. Угол сдвига фаз б для прямой волны света онределяется как 6i / cf ocosu)t,(3) где К.- постоянная Поккельса; d - длина кристалла 2 Поккельса; Е - амплитуда напряженности электрического поля в криста.лле 2; со - круговая частота СВЧ-колебаний в резонаторе 3.

Угол сдвига (дополнительного) фаз б для обратной волны света находят с учетом времени задержки в линии 6 как

62 /Cu EoCOs(+t)cu,(4)

где т - время задержки в линии (3), определяемое на основании выражения (2).

Тогда суммарный сдвиг фаз линейно поляризованных компонент эллиптически поляризованного света на выходе модулятора (после его двойного прохождения светом), обозначаемый как бв , равен 6s 61+62 2/(й оСО5ф cos (wt + ф),(5)

где угол (р определяется задержкой т как

О

Как было указано выще, амплитуда напряженности электрического поля -Бо выбирается так, что 6 45°, т. е. имеет место равенство КЛЕ, Поэтому на основании выражения (5) можно заключить, что результирующая разность фаз 6s может изменяться по модулю в пределах.l-f (8) в зависимости от угла бг , который, в свою очередь определяется значением частоты со колебаний в резонаторе 5. Для заданного значения частоты со член 2KdEoCOS(p выражает амплитуду угла б s в выражении (5), следовательно, последняя существенно зависит от частоты колебаний в резонаторе. Как известно, при наличии скрещенных николей 4 к 5 интенсивность выходного света (после пиколя 5) достигает максимума при условии, что 6v --, или минимальна, если Sv 0. Таким образом, условия максимума и минимума выходной интенсивности света могут быть записаны в следующей с|)орме: max- ::2-n,(9) LI - - шш - 2 2 где /г 1, 2, 3, ... - целое число, / -интенсивность выходного света (после николя 5), /о - интенсивность облучения (до виколя Световой поток, промодулированный по амплитуде колебапиями СВЧ, амплитуда которого существенно зависит от частоты модулирующих СВЧ-колебаний, преобразуется в фотоэлектричес хом преобразователе в соответствующей величины электрическое напряжение

и представляющее СВЧ-колебание с частотнозавнсимой амплптудой. Коэффициент t выражает степень преобразовапия световой энергии в электрическую в фотоэлектрическом преобразователе.

СВЧ-колебание с выхода фотоэлектрического преобразователя 10 усиливается затем в широкополосном СВЧ-усилителе // (если это необходимо) и детектируется в детекторе 12,

работающем, например, в режиме квадратичного детектпрования. Выход (нагрузка) детектора связан с интегрирующим звеном, усредняющим значение продетектированного сигнала. Полученное значение напряжения

и,р является управляющим для работы управителя частоты 13 и равно

у,

(,ярС08 , (12)

20 где К у - коэффициент усиления в усилителе // по напряжению, /С а - коэффициепт детектирования в детекторе 12. иоупр- наибольщее возможное значение управляющего напряжения. Из выражения (12) непосредственно следует. что управляющее напряжение представляет собой немонотонную функцию (см. фиг. 2) гребенчатого типа, аргументом которой является частота колебаний со в резонаторе 3 (при постоянном значении времени задержки т в линии 6). Управляющ,ее напряжение воздействует на управитель частоты 13 и приводит к изменению частоты генерируемых в СВЧ-генераторе 14 колебаний, например, по закону; ш со„)„(1 +аУ,д,(13) где m -текущее значение частоты колебаний СВЧ генератора 14, comin - минимальное значение частоты, получаемое при Uy,,, 0, а - пекоторый постоянный коэффициент, имеющий смысл крутизны преобразования управляющего напряжения в частоту колебаний. Графически выражение (13) представляется в форме прямой обратной связи на фиг. 2. На ocHOBainin выражений (12) и (13) можно записать уравнение 1 + « ov««cos в качестве неизвестного в данном уравнения выступает частота со. Уравнения типа (14) легко решаются графическим методом (см. фиг. 2): в точках пересечения двух графиков тырехполюсника с иемоиотонпои амплитудной амплитудно-частотной) характеристикой гребенчатой формы нриводит к многоустойчивому режиму работы системы авторегулирования. Устойчивыми будут те ноложения равновесия (число их равно числу корней уравнения (14), то есть равно числу нересечений графиков функций на фиг. 2), которые образованы- пересечениями графиков соответствующих функций в точках (отмечены на фиг. 2), в которых соответствующие функции имеют производные разных знаков. Таким образом, число устойчивых состояний равновесия, которое может быть реализовано в системе, равно числу «горбов немонотонной характеристики четырехполюсника (обобщенного). Как следует из выражения (9), определяющего максимум немонотонной амплитудно-частотной характеристики ,ч2,тырехполюсника, увеличение числа устойчивых состояний равновесия возможно при увеличении времени задержки т в линии 6, так как 1. . . - «, Т где Г - период колебаний в СВЧ-резонаторе 3. При этом имеется в виду, что такое увеличение числа устойчивых состояний равновесия в приборе достигается при одном и том же значении перекрытия но частоте генерируемых генератором 14 колебаний, то есть и при одной и той же величине отношения максимально генерируемой частоты СВЧ-колебаний к минимальной (это перекрытие обычно определяется параметрами применяемого СВЧ-генератора, оно максимально в случае применения генераторов на лампах обратной волны типа «О). Предмет изобретения Электрооптическое устройство с несколькими устойчивыми состояниями, содержащее электрооптический модулятор света, оптическую линию задержки, фотоэлектрический преобразователь, СВЧ-усилитель, детектор с интегрирующим звеном, устройство управления частотой и перестраиваемый СВЧ-генератор, отличающееся тем, что, с целью упрощения, повышения надежности и увеличения числа устойчивых состояний, в нем оптическая линия задержки содержит отражающее зеркало, установленное вне основной части устройства, а также полупрозрачное зеркало, установленное под углом 45° между поляроидом и электрооптическим кристаллом светового модулятора.

Фиг.1

Фиг. 2