Модулятор мощности потока оптического излучения

Модулятор мощности потока оптического излучения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к светотехническим устройствам, в частности к модуляторам лазерного излучения, и может быть использовано для диагностики плазмы.

Известно устройство для управления потоком оптического излучения [Патент РФ №2128360. МПК6: G 05 D 25/00, G 02 F 1/01. Опубл. БИ №9 от 03.27.99. Способ управления потоком излучения. Белашев Б.З.], которое представляет собой оптический элемент на основе материала, содержащего адсорбированную воду. Этот оптический элемент содержит узел охлаждения и/или нагрева оптического элемента в области температур от температуры восстановления водородных связей в адсорбированной воде до температуры ниже температуры начала удаления конституционной воды из материала оптического элемента.

Недостатком такого модулятора является потеря энергии этого излучения во время прерывания потока, узкий диапазон частот модуляции.

Известен также модулятор мощности потока оптического излучения [Лазерные методы исследования плазмы. Зайдель А.Н., Островская Г.В. Л., "Наука", 1977, с.189], который содержит установленный на подвижном валу непрозрачный диск. По периметру этого диска установлены одна или более непрозрачных пластинок, ориентированных по радиусу диска.

Недостатком механического модулятора мощности потока оптического излучения является потеря энергии этого излучения во время прерывания потока, узкий диапазон частот модуляции.

Известен интерферометрический модулятор мощности потока оптического излучения [Кухаркин Е.С. Электрофизика информационных систем: Учеб. Пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 2001. - 671 с., см. 239 с.], выбранный в качестве прототипа. Он содержит оптически прозрачную среду, в которой последовательно по ходу потока оптического излучения сформированы разделитель потока оптического излучения в первый канал распространения от потока оптического излучения во второй канал распространения, участок для когерентного суммирования потоков оптического излучения, прошедших через разные каналы распространения. При этом хотя бы один из этих каналов распространения снабжен устройством изменения фазы потока оптического излучения относительно фазы потока в другом канале распространения.

В интерферометрическом модуляторе мощности потока оптического излучения происходит блокирование прохождению на выход части энергии потока оптического излучения за счет интерференции сдвинутых на угол π/2 потоков оптического излучения на одной длине волны. Поэтому часть энергии оптического излучения за каждый период модуляции мощности выводится из выходного потока оптического излучения.

Задачей изобретения является разработка модулятора мощности потока оптического излучения, обеспечивающего перераспределение энергии оптического излучения вдоль направления его распространения, для сохранения средней мощности потока.

Поставленная задача решается за счет того, что модулятор мощности потока оптического излучения содержит так же, как и в прототипе, оптически прозрачную среду, в которой последовательно по ходу потока оптического излучения установлены разделитель потока оптического излучения в первый канал распространения от потока оптического излучения во второй канал распространения, участок для когерентного суммирования потоков оптического излучения, прошедших через разные каналы распространения. При этом хотя бы один из этих каналов распространения снабжен устройством изменения фазы потока оптического излучения относительно фазы потока в другом канале распространения.

Согласно изобретению в качестве разделителя потока оптического излучения в первый канал распространения выбрана плоскость входа в оптически прозрачную среду. Второй канал распространения потока оптического излучения снабжен по крайней мере одним зеркально отражающим поток оптического излучения элементом, ориентированным в пространстве параллельно плоскости входа в оптически прозрачную среду. При этом плоскость входа в оптически прозрачную среду и плоскость зеркально отражающего поток оптического излучения элемента второго канала распространения установлены с возможностью непрерывного изменения расстояния между ними. Участок для когерентного суммирования оптических потоков, прошедших через два канала распространения, распределен по всей трассе распространения модулированного потока оптического излучения.

В качестве оптически прозрачной среды может быть использована жидкость, помещенная в резервуар, соединенный с дополнительным резервуаром с запасом этой жидкости. При этом плоскостью входа в оптически прозрачную среду является свободная поверхность этой жидкости. В качестве зеркально отражающего поток оптического излучения элемента второго канала распространения может быть использована граница раздела двух жидкостей с разными показателями преломления, например ртуть, или плоское зеркало, установленное горизонтально в толще жидкости с возможностью непрерывного совершения вертикальных перемещений. Непрерывное изменение расстояния между свободной поверхностью жидкости и зеркально отражающим поток оптического излучения элементом второго канала распространения может быть обеспечено за счет непрерывного перераспределения объемов жидкости в резервуарах.

В качестве оптически прозрачной среды может быть использовано также оптически прозрачное тело, снабженное плоскостью входа, в котором в качестве зеркально отражающего поток оптического излучения элемента второго канала распространения сформирована область уплотнения с плоскими фронтами, например, стоячей акустической волны. При этом непрерывное изменение расстояния между плоскостью входа и зеркально отражающим поток оптического излучения элементом второго канала распространения может быть обеспечено путем непрерывного перемещения этого элемента внутри оптически прозрачного тела, например, при интерференции двух встречных акустических волн с близкими частотами.

Положительный эффект достигается за счет того, что участок для формирования временной модуляции потока оптического излучения по интенсивности, при когерентном сложении двух сонаправленных и сдвинутых на доплеровскую частоту потоков оптического излучения, распределен по всей трассе распространения пучка оптического излучения. В этом случае энергия потока оптического излучения промодулирована во времени и пространственно перераспределена вдоль его направления распространения, а средняя мощность через выбранное сечение равна мощности исходного потока. Следовательно, энергия за время уменьшения интенсивности исходного потока оптического излучения до минимального значения в одном из его сечений остается в потоке, а средняя по времени мощность потока оптического излучения сохраняется.

На фиг.1 приведена схема модулятора, в котором в качестве оптически прозрачной среды использованы две жидкости. На фиг.2 приведена схема модулятора, в котором в качестве оптически прозрачной среды использовано оптическое стекло.

Модулятор мощности потока оптического излучения может содержать первую жидкость 1 (фиг.1), помещенную в резервуар 2, который соединен с помощью трубочки 3 с дополнительным резервуаром 4 с запасом первой жидкости. Трубочка 3 снабжена дозирующим вентилем 5. В резервуар 2 также помещена вторая жидкость 6, отличающаяся от первой жидкости показателем преломления и имеющая большую плотность. При этом граница раздела 7 первой и второй жидкостей установлена ниже выходного конца трубочки 3 в резервуар 2, а дополнительный резервуар 4 установлен выше свободной поверхности 8 первой жидкости в резервуаре 2. В качестве первой жидкости 1 может быть использована, например, вода, в качестве второй жидкости 5, например, ртуть.

Резервуар 2 представляет собой стеклянный стакан 2 диаметром 70 мм и высотой 120 мм. На дне стакана 2 помещена ртуть, высота столба которой составляла более 6 мм. Стеклянный стакан 2 соединен с помощью резиновой трубочки 3, снабженной дозирующим вентилем 5 из стекла, с дополнительным резервуаром 4 с запасом воды.

Для модуляции потока 9 излучения гелий-неонового лазера его направляют под небольшим углом к нормали к свободной поверхности первой жидкости 1. Открывают дозирующий вентиль 5. Производят относительное изменение длин волн потоков оптических излучений, распространяющихся по двум каналам при их зеркальном отражении от свободной поверхности первой жидкости 1 и зеркально отражающего поток оптического излучения элемента. Для этого стеклянный стакан 2 наполняют первой жидкостью. Поток оптического излучения 10, зеркально отраженный от свободной поверхности первой жидкости 1, и поток 11, зеркально отраженный от границы раздела 7 первой и второй жидкостей (или плоского зеркала, расположенного горизонтально в толще первой жидкости), когерентно складывают. В выходном потоке мощность излучения гелий-неонового лазера модулирована во времени.

Модулятор мощности потока оптического излучения может состоять и из оптически прозрачного продолговатого тела 12 (фиг.2), содержащего на переднем и заднем, относительно направления распространения потока оптического излучения, торцах пьезоэлектрические пластинки 13, 14. В качестве такого тела 12 может быть использован, например, сплошной прямоугольный цилиндр из оптического стекла. В качестве пьезоэлектрических пластинок 13, 14 могут быть использованы, например, пластинки из цирконата-титаната свинца с металлизированными с обеих сторон участками.

При реализации модулятора мощности потока оптического излучения в качестве оптически прозрачного продолговатого тела 12 был использован цилиндр из оптического стекла длиной 90 мм и диаметром 40 мм. На передний и задний торцы этого цилиндра по внешнему периметру наклеены с помощью эпоксидной смолы вышеуказанные пьезоэлектрические пластинки. Электроды пьезоэлектрических пластинок, установленных на заднем и переднем торцах, соединены параллельно.

Модулятор мощности потока оптического излучения работает следующим образом. С помощью двух электрических генераторов синусоидального напряжения, например, с частотами 30 и ≈29,99 кГц возбуждают пьезоэлектрические пластинки 13, 14. Путем интерференции двух встречно распространяющихся акустических волн, имеющих близкие частоты, в цилиндре 12 формируют по крайней мере одну область 15 с плоскими фронтами и с измененным показателем преломления, перемещающуюся перпендикулярно переднему торцу цилиндра 12. На передний торец цилиндра 12 направляют поток когерентного, например, лазерного излучения 16 диаметром 1 см. Формируют два независимых потока оптического излучения путем отражения от переднего торца цилиндра 12 и области 15 с плоскими фронтами и с измененным показателем преломления и направляют эти потоки оптического излучения вдоль одной прямой. Длину волны потока оптического излучения, зеркально отраженного от области 15 с плоскими фронтами и с измененным показателем преломления, изменяют путем перемещения относительно переднего торца цилиндра 12, области 15 с плоскими фронтами и с измененным показателем преломления. Производят когерентное суммирование потока 17, зеркально отраженного от передней грани цилиндра 12, и потока 18, зеркально отраженного от области 15 с плоскими фронтами и с измененным показателем преломления. В выбранном сечении выходного потока 19 мощность оптического излучения модулирована во времени.

1. Модулятор мощности потока оптического излучения, содержащий оптически прозрачную среду, в которой последовательно по ходу потока оптического излучения установлены разделитель потока оптического излучения в первый канал распространения от потока оптического излучения во второй канал распространения, участок для когерентного суммирования потоков оптического излучения, прошедших через разные каналы распространения, при этом хотя бы один из этих каналов распространения снабжен устройством изменения фазы потока оптического излучения относительно фазы потока в другом канале распространения, отличающийся тем, что в качестве разделителя потока оптического излучения в первый канал распространения выбрана плоскость входа в оптически прозрачную среду, второй канал распространения потока оптического излучения снабжен по крайней мере одним зеркально отражающим поток оптического излучения элементом, ориентированным в пространстве параллельно плоскости входа в оптически прозрачную среду, при этом плоскость входа в оптически прозрачную среду и плоскость зеркально отражающего поток оптического излучения элемента второго канала распространения установлены с возможностью непрерывного изменения расстояния между ними, а участок для когерентного суммирования оптических потоков, прошедших через два канала распространения, распределен по всей трассе распространения модулированного потока оптического излучения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве оптически прозрачной среды может быть использована жидкость, помещенная в резервуар, соединенный с дополнительным резервуаром с запасом этой жидкости, при этом плоскостью входа в оптически прозрачную среду является свободная поверхность этой жидкости, а непрерывное изменение расстояния между свободной поверхностью жидкости и зеркально отражающим поток оптического излучения элементом второго канала распространения обеспечено за счет непрерывного перераспределения объемов жидкости в резервуарах.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве оптически прозрачной среды может быть использовано оптически прозрачное тело, снабженное плоскостью входа, в котором в качестве зеркально отражающего поток оптического излучения элемента второго канала распространения сформирована область уплотнения с плоскими фронтами, при этом непрерывное изменение расстояния между плоскостью входа и зеркально отражающим поток оптического излучения элементом второго канала распространения обеспечено путем непрерывного перемещения этого элемента внутри оптически прозрачного тела.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве зеркально отражающего поток оптического излучения элемента второго канала распространения может быть использована граница раздела двух жидкостей с разными показателями преломления.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве зеркально отражающего поток оптического излучения элемента второго канала распространения может быть использовано плоское зеркало, установленное горизонтально в толще жидкости с возможностью непрерывного совершения вертикальных перемещений.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в качестве зеркально отражающего поток оптического излучения элемента второго канала распространения может быть использована область уплотнения стоячей акустической волны с плоскими фронтами.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в качестве второй жидкости может быть использована ртуть.