Электрооптический дефлектор

Электрооптический дефлектор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к средствам управления параметрами оптического излучения, и может быть использовано в устройствах вычислительной техники, связи и системах управления.

Известен электрооптический дефлектор (А.И.Конойко. Оптические методы и устройства обработки информации (ОМУОИ): учеб. пособие для студентов специальности Т.09.01.00. В 3-х ч. [Текст] / А.И.Конойко, М.П.Федоринчик. - Мн.: БГУИР, 2007. - 72 с.), включающий набор из N последовательно расположенных отклоняющих каскадов, каждый из которых состоит из электрооптического элемента переключения поляризации и двоякопреломляющего элемента, позволяющий осуществить дискретное изменение положения выходного пучка в 2^N позиций.

Недостатками данного устройства являются сложность юстировки дефлектора, вызванная наличием большого числа составляющих его элементов, громоздкость конструкции, обусловленная тем, что толщина двоякопреломляющих элементов увеличивается в геометрической прогрессии с увеличением числа составляющих его элементов, сложность электронных средств управления дефлектором, что ограничивает область его применения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является электрооптический дефлектор (А.С. №765774, МПК³ G02F 1/29, опубл. 23.09.1980, бюл. №35), содержащий две электрооптические пластины с прозрачными электродами, один из которых низкоомный, другой - высокоомный, причем пластины развернуты друг относительно друга на 90° по наводимому градиенту показателя преломления, обеспечивающий отклонение светового пучка в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Недостатком данного устройства являются небольшие углы отклонения светового пучка, высокие управляющие напряжения вследствие низкой чувствительности и, соответственно, низкой разрешающей способности такого дефлектора, а также необходимость формирования на входе дефлектора светового пучка с малым диаметром и его точной пространственной юстировки на входной поверхности дефлектора.

В основу изобретения поставлена задача повышения чувствительности и разрешающей способности электрооптического дефлектора.

Данная задача решается за счет того, что в электрооптическом дефлекторе, содержащем две электрооптические пластины с нанесенными на их поверхности прозрачными низкоомными и высокоомными проводящими слоями и управляющими линейными электродами вдоль противоположных сторон поверхностей электрооптических пластин с высокоомными проводящими слоями, причем линейные электроды электрооптических пластин ортогональны друг другу, согласно изобретению на низкоомные и высокоомные проводящие слои дополнительно нанесены зеркальные покрытия для длины волны светового пучка, например диэлектрические многослойные интерференционные зеркала, а оптические толщины электрооптических пластин выбраны кратными половине длины волны светового пучка.

Устройство электрооптического дефлектора поясняется чертежами,

где на Фиг.1 изображен вид сбоку, где 1 - электрооптическая пластина, 2 - зеркальные покрытия, 3 - низкоомный проводящий слой, 4 - высокоомный проводящий слой, 5 - управляющие линейные электроды, 6 - световой пучок,

где на Фиг.2 изображен вид сверху, где 4 - высокоомный проводящий слой, 5 - управляющие линейные электроды,

где на Фиг.3 изображена зависимость длины волны λ_рез максимума спектра пропускания электрооптических пластин с нанесенными зеркальными покрытиями от координат х, у.

Устройство работает следующим образом.

Световой пучок 6 (Фиг.1) вводится в электрооптический дефлектор, образованный электрооптическими пластинами 1 и зеркальными покрытиями 2, спектры пропускания которых варьируются по поверхности в зависимости от потенциалов на управляющих линейных электродах 3 и 5. Зависимость длины волны λ_рез максимума спектра пропускания каждой электрооптической пластины с нанесенными зеркальными покрытиями определяется свойствами зеркальных покрытий 2, свойствами электрооптической пластины 1 (ее оптической толщиной в рассматриваемой точке поверхности), напряженностью электрического поля в электрооптической пластине, создаваемой распределением потенциалов прозрачного низкоомного проводящего слоя 3 и прозрачного высокоомного проводящего слоя 4 в данной точке поверхности.

Распределение потенциалов U(x), U(y) в электрооптических пластинах в первом приближении можно описать выражениями:

где U₁…U₅ - потенциалы управляющих линейных электродов; х_макс, y_макс - зазор между управляющими линейными электродами; х, у - координаты.

Тогда, например, для продольного электрооптического эффекта на основе кристаллов с симметрией 3m, 4mm координатные зависимости показателей преломления электрооптических пластин будут равны:

где n₀ - показатель преломления для обыкновенной волны; r₁₃ - электрооптический коэффициент, м/В.

С учетом электрооптического эффекта в электрооптических пластинах координатные зависимости относительных спектральных характеристик пропускания Т⁽¹⁾ (λ, х, U₁, U₂, U₃), Т⁽²⁾ (λ, х, U₄, U₅, U₃) электрооптических пластин с нанесенными зеркальными покрытиями будут иметь вид (Ярив, А. Оптические волны в кристаллах: пер. с англ. / А.Ярив, П.Юх. - М: Мир, 1987. - 616 с.):

где R⁽¹⁾, R⁽²⁾ - энергетические коэффициенты отражения от зеркальных покрытий; d⁽¹⁾, d⁽²⁾ - толщины электрооптических пластин; λ - длина волны светового пучка.

Из формул (1)-(3) следует, что для каждой электрооптической пластины с нанесенными зеркальными покрытиями зависимости длины волны λ_рез максимума спектра пропускания от координат х или у и величин потенциалов U₁…U₅ будут иметь линейный характер (Фиг.2).

Таким образом, при изменении величин потенциалов U₁…U₅ изменяются длины волн λ_рез максимумов спектров пропускания электрооптических пластин с нанесенными зеркальными покрытиями. Поскольку изменение напряженности электрического поля для каждой электрооптической пластины происходит только по одной координате (ортогональной управляющим линейным электродам, например, вдоль оси х для верхней электрооптической пластины и для оси у для верхней электрооптической пластины - Фиг.1), то световой пучок, прошедший через каждую электрооптическую пластину с нанесенными зеркальными покрытиями, будет иметь форму прямой линии, параллельной управляющим линейным электродом. А световой пучок, проходящий через электрооптический дефлектор, будет иметь вид точки, координата (x_вых, y_вых) которой будет определяться совпадением спектров пропускания электрооптических пластин с нанесенными зеркальными покрытиями (Фиг.2), определяемых величинами потенциалов U₁…U₅.

В предлагаемом устройстве в отличие от прототипа входной световой пучок освещает всю поверхность дефлектора между его управляющими линейными электродами. Поэтому в противоположность прототипу не требуется формирование на входной поверхности дефлектора светового пучка с малым диаметром и его пространственная юстировка.

Повышение разрешающей способности устройства достигается за счет увеличения чувствительности электрооптического дефлектора к управляющим потенциалам и уменьшения линейных размеров светового пучка в выходной поверхности, что определяется спектрами пропускания электрооптических пластин с нанесенными зеркальными покрытиями.

Пример. Рассмотрим конструкцию электрооптического дефлектора, электрооптические пластины которого выполнены из ниобата бария-стронция НБС:75 толщиной d⁽¹⁾=d⁽²⁾=1 мм, обладающего электрооптическим коэффициентом r₁₃=67·10^-12 м/В и показателем преломления n₀=2,3117. Коэффициенты отражения зеркальных покрытий R⁽¹⁾=R⁽²⁾=0,9; длина волны светового пучка λ=0,4623 мкм; порядок интерференции N=2500; расстояния между управляющими линейными электродами x_макс=y_макс=0,005 м. Пусть для управляющих потенциалов U₁…U₅ выполняются соотношения: U₃=0 В; U₂=U₅=-50 B; U₁, U₄=0…+50 B…

Тогда для электрооптического дефлектора координатная зависимость полного пропускания T*(х, у, U₁, U₄)=T⁽¹⁾(х, U₁)·Т⁽²⁾(у, U₄) будет иметь вид:

Тогда ширина светового пучка Δx, Δу на выходе дефлектора по уровню 0,5 вдоль координат х, у равна Δх=940 мкм, Δу=940 мкм, а центр светового пучка находится на расстоянии х_вых=х_макс/2=0,0025 м, y_вых=y_макс/2=0,0025 м от соответствующих управляющих линейных электродов (по центру дефлектора) при U₁=U₄=+50 B.

Разрешающая способность дефлектора при изменении потенциала в пределах U₁=U₄=0…+50 В составит N_R=х_mах/Δх≈5 по оси х и 5 разрешимых положений по оси у, всего разрешающая способность 25 положений светового пучка.

Для расчета параметров прототипа с идентичными конструкционными параметрами примем направление распространения светового пучка ортогональным оси х. Тогда изменение угла распространения в пределах электрооптической пластины в непосредственно перед выходной поверхностью будет равно (в предположении, что Sin (Θ')≈Θ'<<1) (Ярив, А. Оптические волны в кристаллах: пер. с англ. / А.Ярив, П.Юх. - М.: Мир, 1987. - 616 с.):

а на выходе пластины изменение угла распространения по сравнению с первоначальным, составит:

Для U₁=0…+1000 В максимальный угол отклонения равен 8,28·10^-5 рад (0,0047 град.), что соответствует разрешающей способности дефлектора при расстоянии h=12 м (!) до плоскости приемника светового пучка и диаметре светового пучка на входной плоскости дефлектора Δх=940 мкм:

Как следует из результатов расчетов, прототип даже на огромных расстояниях от дефлектора до приемника (12 м в примере) и значительно больших управляющих потенциалах (1000 В) обладает меньшей разрешающей способностью.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивают более высокое разрешение по сравнению с прототипом и, соответственно, при фиксированном разрешении большую чувствительность к изменению управляющих потенциалов.

Электрооптический дефлектор, содержащий две электрооптические пластины с нанесенными на их поверхности прозрачными низкоомными и высокоомными проводящими слоями и управляющими линейными электродами вдоль противоположных сторон поверхностей электрооптических пластин с высокоомными проводящими слоями, причем линейные электроды электрооптических пластин ортогональны друг другу, отличающийся тем, что на низкоомные и высокоомные проводящие слои дополнительно нанесены зеркальные покрытия для длины волны светового пучка, например диэлектрические многослойные интерференционные зеркала, а оптические толщины электрооптических пластин выбраны кратными половине длины волны светового пучка.