Электрооптический амплитудный модулятор

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Пилипович Владимир Антонович Конойко Алексей Иванович Ставров Александр Афанасьевич Поликанин Александр Михайлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Электрооптический амплитудный модулятор, содержащий первый расщепитель, выполненный в виде двух наложенных друг на друга объемных фазовых решеток Брэгга с диапазоном изменения показателя преломления, обеспечивающим при максимальной дифракционной эффективности равенство интенсивностей световых пучков, первый и второй электрооптические элементы с поперечным приложением управляющего поля, входы которых оптически связаны с первым расщепителем, первый и второй отражатели, отличающийся тем, что содержит второй и третий расщепители, оптически связанные с выходами соответственно первого и второго электрооптических элементов, третий, четвертый,пятый и шестой электрооптические элементы, оптические входы третьего и четвертого электрооптических элементов оптически связаны со вторым расщепителем, пятого и шестого электрооптических элементов - с третьим расщепителем, третий и четвертый отражатели,оптически связанные с выходами соответственно пятого и шестого электрооптических элементов, а первый и второй отражатели оптически связаны с выходами соответственно третьего и четвертого электрооптических элементов, причем разность оптических путей расщепленных первым расщепителем световых пучков кратна /4, вторым и третьим - /8 соответственно, где- длина волны излучения, направление вектора напряженности управляющего электрического поля в первом, третьем и пятом электрооптических элементах параллельно его оптической оси, во втором, четвертом и шестом - противоположно его оптической оси, а оптические оси электрооптических элементов одинаково ориентированы по отношению к плоскости поляризации проходящего светового пучка.(56) 1. Мустель Е.П., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. - М. Наука,1970. - 296 с. 2. Патент РБ 10292, МПК 7021/00,021/29. 3. Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах. - М. Мир, 1987. - 616 с. Полезная модель, электрооптический амплитудный модулятор, относится к области оптических методов обработки информации, лазерной технике, оптической связи и локации и может быть использована в научном, технологическом, измерительном и медицинском приборостроении. Известен электрооптический амплитудный модулятор бегущей волны 1, который состоит из поляризатора и двух электрооптических кристаллов, между которыми помещена пластинка, вносящая оптическую разность хода /2. Причем одноименные кристаллографические оси обоих кристаллов ориентированы в противоположных направлениях. Такой электрооптический амплитудный модулятор обладает высоким управляющим напряжением, поскольку вносимая им управляемая разность фаз между ортогональными составляющими электрического вектора проходящей световой волны наводится за счет управляемого смещения только одной из взаимодействующих составляющих. Наиболее близким по технической сущности является электрооптический амплитудный модулятор 2, содержащий первый и второй кристаллические электрооптические элементы с поперечным приложением управляющего поля, расщепитель, выполненный в виде двух наложенных друг на друга объемных фазовых решеток Брэгга с диапазоном изменения показателя преломления, обеспечивающим при максимальной дифракционной эффективности равенство интенсивностей световых пучков, и оптически связанный с входами первого и второго электрооптических элементов, первый и второй отражатели, оптически связанные с выходами первого и второго электрооптических элементов, причем разность оптических путей расщепленных световых пучков кратна /2, где , - длина волны излучения, направление вектора напряженности управляющего электрического поля в первом электрооптическом элементе параллельно его оптической оси, во втором - противоположно его оптической оси, а оптические оси электрооптических элементов параллельны между собой. Такой электрооптический амплитудный модулятор обладает достаточно высоким управляющим напряжением, поскольку в нем используется двухлучевая интерференция,что обуславливает достаточно пологую зависимость интенсивности излучения на выходе от величины управляющего напряжения. Технической задачей полезной модели является уменьшение управляющего напряжения электрооптического амплитудного модулятора за счет получения управляемой многолучевой интерференции когерентных световых пучков, позволяющей реализовать более крутую зависимость интенсивности излучения на выходе от величины управляющего напряжения. Поставленная техническая задача решается тем, что электрооптический амплитудный модулятор, содержащий первый расщепитель, выполненный в виде двух наложенных друг на друга объемных фазовых решеток Брэгга с диапазоном изменения показателя преломления, обеспечивающим при максимальной дифракционной эффективности равенство интенсивностей световых пучков, первый и второй электрооптические элементы с поперечным приложением управляющего поля, входы которых оптически связаны с первым расщепителем, первый и второй отражатели, содержит второй и третий расщепители,оптически связанные с выходами соответственно первого и второго электрооптических элементов, третий, четвертый, пятый и шестой электрооптические элементы, оптические входы третьего и четвертого электрооптических элементов оптически связаны со вторым 2 48152008.10.30 расщепителем, пятого и шестого электрооптических элементов - с третьим расщепителем,третий и четвертый отражатели, оптически связанные с выходами соответственно пятого и шестого электрооптических элементов, а первый и второй отражатели оптически связаны с выходами соответственно третьего и четвертого электрооптических элементов, причем разность оптических путей расщепленных первым расщепителем световых пучков кратна /4, вторым и третьим - /8 соответственно, где- длина волны излучения, направление вектора напряженности управляющего электрического поля в первом, третьем и пятом электрооптических элементах параллельно его оптической оси, во втором, четвертом и шестом - противоположно его оптической оси, а оптические оси электрооптических элементов одинаково ориентированы по отношению к плоскости поляризации проходящего светового пучка. Совокупность указанных признаков позволяет осуществлять амплитудную модуляцию оптического излучения с величиной управляющего напряжения в 1,3 раза меньше,чем у прототипа, за счет пространственного последовательного разделения исходного светового пучка на два, а затем четыре равных по амплитуде, их индивидуального управляемого смещения друг относительно друга и интерференционного суммирования. Сущность полезной модели поясняется на фигуре, где 1 - первый расщепитель 2 - первый электрооптический элемент 3 - второй электрооптический элемент 4 - второй расщепитель 5 - третий расщепитель 6 - третий электрооптический элемент 7 - четвертый электрооптический элемент 8 - пятый электрооптический элемент 9 - шестой электрооптический элемент 10 - первый отражатель 11 - второй отражатель 12 - третий отражатель 13 - четвертый отражатель. Устройство содержит расщепитель 1, оптически связанный с входами первого 2 и второго 3 электрооптических элементов, второй 4 третий 5 расщепители, оптически связанные с выходами соответственно первого 2 и второго 3 электрооптических элементов,причем разность оптических путей расщепленных первым расщепителем световых пучков кратна /4, третий 6, четвертый 7 электрооптические элементы, оптически связанные с выходами второго 4 расщепителя, пятый 8, шестой 9 электрооптические элементы, оптически связанные с выходами третьего 5 расщепителя, первый 10, второй 11, третий 12 и четвертый 13 отражатели, оптически связанные соответственно с выходами третьего 6,четвертого 7, пятого 8, шестого 9 электрооптических элементов, причем разность оптических путей расщепленных вторым 4 и третьим 5 расщепителями световых пучков кратна/8, кроме того, направление вектора напряженности управляющего электрического поля в первом 2, третьем 6 и пятом 8 электрооптических элементах параллельно их оптической оси, а во втором 3, четвертом 7 и шестом 9 - противоположно, причем оптические оси первого 2, второго 3, третьего 6, четвертого 7, пятого 8 и шестого 9 электрооптических элементов одинаково ориентированы по отношению к плоскости поляризации проходящего светового пучка. Первый 1, второй 4 и третий 5 расщепители выполнены в виде объемных фазовых голограмм (две наложенные решетки Брэгга) с динамическим диапазоном изменения показателя преломления, обеспечивающим равенство интенсивностей расщепленных световых пучков при максимальной дифракционной эффективности. 3 48152008.10.30 Первый 2, второй 3, третий 6, четвертый 7, пятый 8 и шестой 9 электрооптические элементы выполнены в виде прямоугольных призм из электрооптического кристалла ,у которых на противоположных боковых гранях, перпендикулярно оптической оси, нанесены проводящие пленочные электроды. Первый 10, второй 11, третий 12 и четвертый 13 отражатели выполнены в виде диэлектрических зеркальных покрытий на плоскопараллельных подложках из стекла К-8. Электрооптический амплитудный модулятор работает следующим образом. В исходном состоянии на первый расщепитель 1 поступает неполяризованное излучение. В результате дифракции исходного светового пучка на первом расщепителе 1 исходный световой пучок делится на два равных по интенсивности световых пучка. После чего один из них проходит через первый 2, а другой через второй 3 электрооптические элементы, приобретая фазовые сдвиги соответственно равные . Затем они поступают соответственно на второй 4 и третий 5 расщепители, которые в результате дифракции делят падающие световые пучки на четыре равных по интенсивности световых пучка. После чего они распространяются через третий 6, четвертый 7, пятый 8 и шестой 9 электрооптические элементы, приобретая дополнительные фазовые сдвиги, соответственно в каждой паре равные/2. Пройдя их, они отражаются соответственно от первого 10, второго 11,третьего 12 и четвертого 13 отражателей и возвращаются в обратном направлении. При этом каждый из них приобретает дополнительные соответствующие фазовые сдвиги. Световой пучок, прошедший соответственно первый 2 и третий 6 электрооптические элементы в прямом и обратном направлении, получает фазовый сдвиг, равный 3, первый 2 и четвертый 7 электрооптические элементы - , второй 3 и пятый 8 электрооптические элементы - -, второй 3 и шестой 9 электрооптические элементы - -3. После прохождения первого расщепителя 1 в обратном направлении световые пучки объединяются и интерферируют между собой. Величина интенсивности излучения вых. на выходе лазерного затвора может быть найдена из следующего выражения 0 1(21 )(1) 2 1(2) где- величина суммарной амплитуды на выходе лазерного затвора 0 - интенсивность излучения входного светового пучка 2 - количество ступеней расщепления светового пучка. Она будет равна 0 при условии 0/40,25. Такие фазовые сдвиги соответствуют оптической разности хода /8. Реализовать их можно за счет поворота электрооптических элементов затвора на соответствующие углы в главной плоскости,перпендикулярной плоскости поляризации входного светового пучка. Поэтому после прохождения голографического расщепителя 1 в обратном направлении световые пучки в результате интерференции гасят друг друга. При подаче на первый 2, второй 3 электрооптические элементы управляющего напряжения , а на третий 6, четвертый 7, пятый 8 и шестой 9 электрооптические элементы управляющего напряжения величиной /2 в плоскости, перпендикулярной их оптическим осям, возникают соответствующие изменения показателя преломления 3 13 63,0 2 1 3 63 ,0 2 2 где 2, 3 - номера соответственно первого 2 и второго 3 электрооптических элементов- номера соответственно третьего 6, четвертого 7, пятого 8 и шестого 9 электрооптических элементов 0 - показатель преломления электрооптического кристалла для обыкновенного луча 48152008.10.30 63 - электрооптический коэффициент Е - напряженность электрического поля,причем положительный знак изменения показателя преломления будет иметь место в случае, если направление напряженности электрического поля совпадает с направлением оптической оси, отрицательный - в случае противоположной ориентации. Это приводит в расщепленных световых пучках к возникновению изменения разности оптических путей излучения, поляризованного в плоскости, перпендикулярной оптическим осям первого 2 и второго 3 электрооптических элементов. Для излучения, поляризованного параллельно оптическим осям первого 2 и второго 3 электрооптических элементов, оптическая разность хода не изменяется. В результате прохождения голографического расщепителя 1 в обратном направлении световые пучки интерферируют между собой. Световые волны, поляризованные в плоскости, параллельной оптическим осям всех электрооптических элементов, гасят друг друга,а поляризованные в перпендикулярной плоскости - складываются. Поэтому в направлении, противоположном исходному световому пучку, начинает распространяться встречный световой пучок, поляризованный в плоскости, перпендикулярной оптическим осям всех электрооптических элементов. Интенсивность этого светового пучка будет иметь величину вых.0 при достижении фазового сдвига 0,156, то есть изменение фазового сдвига под воздействием управляющего электрического поля должно составлять 0,094. Это обеспечивается за счет приложения к электрооптическим элементам электрического напряжения величиной 0,094 3, 0 63 где- длина волны излучения, и- соответственно толщина и длина электрооптических элементов, которая в шесть раз меньше, чем у существующих электрооптических амплитудных модуляторов 1, и в 1,3 раза меньше, чем у электрооптического амплитудного модулятора (прототипа) 2. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5