МОДУЛЯТОР СВЕТА Советский патент 1973 года по МПК G02F1/03 

1

Изобретение относится к квантовой оптике и может быть применено в приборах оптической связи, дальнометрии, локации, вычислительной техники и т. д.

Известный модулятор состоит из поляризатора, электрооптического элемента, анализатора и блока управления. В качестве поляризатора и анализатора обычно используются либо поляризационные призмы, либо поляриодные пленки. Электрооптические элементы выполняют из кристаллов, обладающих электрооптическим эффектом.

Существует два вида электрооптических элементов, работа которых основана на продольном и поперечном электрооптических эффектах. При использовании продольного линейного электрооптического эффекта величина управляющего напряжения не зависит от геометрических размеров кристалла и полностью определяется величиной электрооптических коэффициентов и показателем преломления для данной длины волны излучения. При использовании поперечного линейного электрооптнческого эффекта величина управляющего напряжения пропорциональна отношению d/l, где

d - размер кристалла в направлении электрического поля,

/ - в направлении распространения света.

В этом случае управляющее напряжение можно уменьшить путем уменьшения отнощения d/il.

При наложении электрического поля на кристалл вследствие изменения показателей преломления происходит изменение разности фаз между ортогональными составляющими линейно-поляризованного света. Величина АФ зависит от ориентации кристаллографических осей относительно приложенного поля и направления электрического (светового) вектора. Если электрооптический элемент помещен между скрещенными поляризаторами, то относительную интенсивность света на выходе системы можно представить следующим уравнением:

(

(1)

/о 2 2 J

где Фо - начальная разность фаз, которая возникает, если среда обладает естественным двулучепреломлением. Эту разность фаз необходимо компенсировать, так как она мешает построению амплитудного электрооптнческого модулятора света. Это справедливо и для случая, когда свет распространяется вдоль оптической оси, но световой пучок обладает расходимостью. Изменение интенсивности света на выходе системы (модуляция света) происходит за счет изменения ДФ при наложении неременного электрического ноля.

Однако известные модуляторы характеризуются, большими управляющими иаиряжениями, малой угловой апертурой и недостаточной надежностью.

При уменьшении отношения dj,l в электрооптических элементах управляющее напряжение уменьшается, однако при этом уменьшается и диаметр светового окна модулятора, а так как допустимая расходимость светового пучка для известных электрооптических элементов мала, то при использовании модуляторов с такими элементами необходимы специальные источники света или оптические системы для формирования узкого параллельного пучка света, что приводит к большим потерям света.

Целью изобретения является уменьшение управляющих напряжений, увеличение угловой апертуры и повышение надежности.

Для этого электрооптический элемент выполнен с цилиндрическими электродами, ось которых перпендикулярна направлению распространения света.

Изобретение пояснено чертежами.

На фиг. 1 приведена схема модулятора; на фиг. 2 - схема электрооптического элемента.

Модулятор света содержит поляризатор 1, короткофокусные объективы 2, электрооптический элемент 3, анализатор 4, блок управления 5 модулятором.

Электрооптический элемент содержит (фиг. 2) электроды 6, кристаллический элемент 7 с полированными плоскостями 100, проводники 8 для подведения управляющих напряжений, 9 - падающий на кристалл луч света, электрический вектор которого параллелен направлению ПО или ПО.

Поляризатор в модуляторе располагают таким образом, чтобы плоскость поляризации луча совпадала с плоскостью кристалла ПО или ПО. Электрическое поле прикладывают вдоль направления 010. В этом случае индуцированную разность фаз для кристаллов с точечной группой симметрии тЗт (к которым относится кристалл магнониобата свинца) можно представить следующим образом

lnl(Rn-Rn)

(2)

Ф:

где По показатель преломления кристалла в отсутствие электрического поля,

ij - квадратичные электрооптические коэффициенты,

Е - напряженность электрического поля,

Я - длина волны.

Так как для кубических кристаллов , то из (1) напряжение, при котором разность фаз между ортогональными составляющими линейно-поляризованного света достигает я, определяется выражением

1-V. - - . (3)

L

ут

Из этого выражения видно, что с уменьшением размеров кристалла при сохранении условия полуволновое напряжение уменьшается. Таким образом, управляюшее напряжение в модуляторе уменьшается при уменьшении размеров кристалла, что значительно уменьшает габариты модулятора. Кроме того, за счет квадратичного электрооптического эффекта полуволновое напряжение можно уменьшить, если подать постоянное электрическое смещение, т. е. перейти на следующие ветви статической характеристики. Полуволновое напряжение между г-тым максимумом и /-тым минимумом можно представить следующим

выражением

1/° 2|/2ГТТ-1/2/1,

(4)

,00

т /ци

где 1/Х/2-полуволновое напряжение, определяемое выражением (3), t и , /+1-положительные целые числа.

Угловая апертура модулятора при использовании кубических кристаллов практически ограничивается только геометрическими размерами электрооптического элемента. Допустимый угол расходимости светового пучка определяется следующим выражением

«о

sin в rz.

(5)

/1 + (//«)

Возможность работы такого электрооптического элемента в сходящихся (расходящихся)

пучках света позволяет устанавливать элемент в каустике светового пучка, что позволяет еще более оптимизировать конструкцию модулятора. На фиг. 2 приведена схема электрооптического элемента, у которого плоскости приложения электрического напряжения заменены вогнутыми цилиндрическими поверхностями, причем их образующие перпендикулярны направлению распространения света. Радиус цилиндрической поверхности выбирают, исходя

из требований к угловой апертуре модулятора.

В соответствии с предложенной схемой был разработан, изготовлен и испытан модулятор со следующими размерами электрооптического модулятора: длина элемента мм, минимальное расстояние между электродами 0,2 мм, радиус кривизны цилиндрических поверхностей 1,5 мм. Полуволновое напряжение такого элемента на первой ветви составляло

90 в. При напряжении смещения в полуволновое напряжение уменьшилось до 20 в. При этом контрастность модулятора при максимальной допустимой расходимости света составляла 1 : 500.

Таким образом, предложенный модулятор допускает модуляцию немонохроматических пучков света с большой расходимостью - донескольких десятков градусов, а его управляющее напряжение может быть уменьшено

до нескольких вольт.

Предмет изобретения

Модулятор света, содержащий поляризатор, электрооптический элемент, выполненный из кристаллов магнониобата свинца, анализатор и блок управления, отличающийся тем.

что, с целью уменьшения управляющих напряжений, увеличения угловой апертуры и повышения надежности, электрооптический элемент выполнен с цилиндрическими электродами, ось которых перпендикулярна направлению распространения света.

V

U-l

Т/7

Cooil

в

fwoj

fowj &