Модулятор света Советский патент 1979 года по МПК G02F1/05 

1

Изобретение относится к модуляторам света и предназначено для использования в устройствах связи, автоматики и вычислительной техники.

Известно, что всякий немеханический модулятор света содержит, как обязательный элемент, светопроводящую среду, оптические характеристики которой изменяются за счет определенных явлений, имеющих место в этой среде при соответствующих внешних воздействиях. Довольно широко используются модуляторы на основе эффектов Поккельса и Керра 1.

Однако все возрастающие требования техники привели к разработке модуляторов света, работающих при меньших электрических напряжениях, а также имеющих более широкие модуляционные возможности. Примером такого модулятора света может служить модулятор, состоящий из светопроводящей среды, выполненной из жидкого кристалла, к которому посредством прозрачных электродов подводится электрическое напряжение. Кроме того, в состав модулятора входит источник ультрафиолетового излучения. Жидкий кристалл заключен между стеклами, одно из которых является фотохромным . В этом устройстве модуляция света осуществляется как изменением оптических параметров жидкого кристалла под воздействием электрического поля, так и изменением пропускания фотохромного стекла под воздействием излучения от источника ультрафиолета. Таким образом, в этом устройстве осуществляется двойная модуляция света.

Недостатком этого модулятора света является, прежде всего, его малая надежность, обусловленная узким температурным

диапазоном работы жидкого кристалла, а также малой устойчивостью устройства к механическим воздействиям (перегрузкам). Кроме того, модуляционные возможности такого устройства также довольно ограничены, так как и жидкий кристалл и фотохроиный материал осуществляют только амплитудную модуляцию света.

Цель изобретения - упрощение модулятора света и расширение его модуляционных возможностей, а именно, одновременное осуществление амплитудной и широтноимпульсной модуляции.

Поставленная задача решается тем, что в модуляторе света, содержащем светопроводящую среду с прозрачными электродами и источник ультрафиолетового излучения, светопроводящая среда выполнена из материала фотохром-сегнетоэлектрик и заключена между поляризаторами.

На фиг. 1 показан предлагаемый модулятор; на фиг. 2 - эпюры, объясняющие его работу.

Модулятор состоит из светопроводящей среды 1, выполненной из материала фотохром-сегнетоэлектрик, на которую нанесены прозрачные электроды 2 и 3. Кроме этого, в состав модулятора входят источник ультрафиолетового излучения 4 и полязираторы 5 и 6, между которыми расположена светепроводящая среда 1.

Для уяснения работы предлагаемого модулятора света остановимся на свойствах материала фотохром-сегнетоэлектрик. Этот материал представляет собой кристаллическую структуру, обладающую одновременно фотохромными и сегнетоэлектрическими свойствами. Фотохромные свойства обусловлены наличием в материале центров окраски и проявляются в изменении оптического пропускания (цвета) материала под воздействием ультрафиолетового излучения. Таким образом, модуляция света (амплитудная), проходящего через материал, обладающий фотохромными свойствами, осуществляется изменением его оптического пропускания. Сегнетоэлектрические свойства материала обусловлены наличием спонтанной поляризации, которая может изменять свое направление под воздействием внешнего электрического поля. Электрооптический эффект в сегнетоэлектриках имеет гистерезисный характер, который проявляется в том, что при приложении к материалу электрического напряжения одной полярности он переходит в состояние пропускания света и после снятия напряжения это состояние сохраняется. Для того, чтобы перевести материал в прежнее оптическое состояние (состояние непропусканйя света) на него необходимо подать напряжение с противоположной полярностью, причем переход материала из одного оптического состояния в другое происходит скачком, когда электрическое напряжение достигает величины, равной коэрцитивному напряжению сегнетоэлектрика. Благодаря наличию гистерезисного электрооптического эффекта сегнетоэлектрик при приложении к нему переменного напряжения способен преобразовывать непрерывный поляризованный световой поток, проходящий через него, в импульсы света, длительность которых определенным образом зависит от приложенного напряжения. Материалы типа фотохромсегнетоэлектрик могут быть получены на основе перовскито-подобных соединений, кислородно-октаэдрическая структура которых предрасположена с сегнетоэлектричеству, а частичное замещение находящихся в кислородном октаэдре ионов (например, титана) ионами железа, никеля, молибдена и т. п. приводит к фотохромным свойствам, при этом сегнетоэлектрические свойства не нарушаются.

Исходя из выщеизложенного, предлагаемый модулятор света работает следующим образом. Непрерывный световой поток проходит через поляризатор 5, поляризуется и попадает на фотохромсегнетоэлектрическую среду I. Если к среде I посредством электродов 2, 3 приложено переменное напряжение, например, синусоидальное, то при пересечении синусоиды с уровнем коэрцитивного поля -}-Ек (точка а на фиг. 2) материал переходит в состояние пропускания света, которое продолжается вплоть до точки б, где синусоида пересекается с уровнем -Е,, и материал переходит в состояние, при котором он свет не пропускает. Таким образом, на выходе среды 1 после поляризатора 6 образуются импульсы

света с длительностью (Т

период

Ct

синусоиды). Если к электродам 2, 3 кроме синусоидального напряжения приложить и постоянное (медленно меняющееся) напряжение, то это приведет к смещению уровня коэрцитивного поля, а значит и к смещению точек пересечения синусоиды с этим уровнем (точки а , б на фиг. 2). Следствием этого будет изменение длительности светового импульса на выходе модулятора до некоторой величины т .

Зависимость длительности импульсов т от приложенного напряжения выражается соотношением:

I

ic + arcsln

-arcsin

t/M

f/и

(1)

2я/

где бм - амплитудное значение синусоидального напряжения; / - частота;

t/ - амплитуда постоянного напряжения.

В случае приложения пилообразного напряжения это соотношение принимает вид:

-/т J-

(2) 2 V + TJ)Из соотношений (1) и (2) и фиг. 2 совершенно очевидно, что при неизменном 1/м такой модулятор осуществляет преобразования непрерывного светового потока в импульсы света, длительность которых зависит от напряжения ii/, т. е. осуществляется широтно-импульсная модуляция светового потока.

При отключенном источнике ультрафиолетового излучения 4 амплитуда импульсов света будет постоянной. При приложении к источнику 4 напряжения он начинает испускать ультрафиолетовое излучение, которое, проходя через электрод 3, попадает в светопроводящую среду 1 и воздействует на фотохромные центры. Следствием этого воздействия будет изменение оптич :ского пропускания среды I, что и приведет к уменьшению амплитуды импульсов света на выходе модулятора. При увеличении напряжения на источнике 4 интенсивность ультрафиолетового излучения будет возрастать, это вызовет еще большее уменьшение оптического пропускания среды 1 и дальнейшее уменьшение амплитуды импульсов света /ев (фиг. 2). Таким образом, предлагаемый модулятор света позволяет осуществлять как амплитудную, так и широтно-импульсную модуляцию света, причем оба вида модуляции осуществляются независимо друг от друга. Такой модулятор света отличается высокой надежностью, обусловленной прежде всего тем, что для модуляции света используются два различных явления, имеющих место в одном и том же твердом теле, что позволило создать монолитную, устойчивзю к механическим воздействиям светопроводящую среду, имеющую большую термостабильность. Опытный образец модулятора света изготавливался из материала фотохром-сегнетоэлектрик, полученного на основе Bi-, Ti-содержащих соединений кислородно-октаэдрического типа, содержащих примеси железа и молибдена. Испытания показали работоспособность модз-лятора света и подтвердили его модуляционные возможности. Формула изобретения Модулятор света, содержащий светопроводящую среду с прозрачными электродами II источник ультрафиолетового излучения, о т л и ч а ю щ н и с я тем, что, с целью упрощения и расширения модуляционных возможностей за счет осуществления одновременной широтно-импульсной и амнлитудной модуляции, светопроводящая среда выполнена из материала фотохром-сегнетоэлектрик и расположена между поляризаторами. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Катыс Г. П. и др. Модуляция и отклонение оптического излучения, М., «Наука, 1967, с. 37-42, 48-53. 2.Авторское свидетельство СССР № 473146, кл. G 02 F 1/13, 1973.

УА

Ml

/