способ преобразования спектра лазерного излучения

Формула изобретения

Способ преобразования спектра лазерного излучения, основанный на пропускании потока излучения под углом Брэгга через акустооптический модулятор, отличающийся тем, что пространственно разделяют излучение на два луча и пропускают их через n акустооптических модуляторов, причем на каждый модулятор одну половину лучей направляют под углом _i= 90-_i, а другую половину лучей под углом _i= 90+_i, где i 1,2,n, _i угол между световым вектором и направлением распространения акустической волны в i-м модуляторе, _i угол Брэгга для i-го модулятора, причем интенсивность преобразованного оптического излучения на каждой частоте задают посредством соответствующих интенсивностей акустических волн, возбуждаемых в акустооптических ячейках модуляторов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в различных активных локационных системах с преддетекторным усилением оптических сигналов.

Для преддетекторного усиления обычно используют квантовые усилители (КУ), которые имеют конечную ширину полосы усиления сигнала, в результате чего допплеровский сдвиг частоты лазерного излучения, отраженного от движущейся цели, может превысить полосу ускорения КУ. Поэтому в ряде случаев при локации движущихся целей возникает необходимость преобразовывать несущую частоту принимаемого сигнала до величины, попадающей в полосу усиления КУ.

Известен способ преобразования спектра лазерного излучения, заключающийся в том, что поток излучения направляют на вращающуюся шероховатую поверхность, при отражении от которой несущая частота оптического излучения сдвигается на частоту Dn, причем значение сдвига частоты определяется скоростью вращения поверхности и ее шероховатостью [1]

Основным недостатком данного способа является относительно малая величина сдвига частоты Dn, а так же то, что за время типичного импульса принимаемого оптического сигнала (10^-7 10^-5 с) практически невозможно произвести необходимое преобразование частоты сигнала и, следовательно, осуществить лоцирование цели за один принимаемый импульс.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, основанный на пропускании преобразуемого потока излучения через акустооптический модулятор (АОМ) под углом Брэгга. При этом несущая частота оптического излучения сдвигается на частоту f, где f частота акустической волны в акустооптической ячейке АОМ [2] Этот способ принят за прототип. Преимущества способа состоит в возможности регулировать сдвиг частоты за счет изменения частоты акустической волны, возбуждаемой в акустооптической ячейке АОМ. Однако и данный способ не позволяет осуществить лоцирование цели за один принимаемый импульс, т.к. за время импульса принимаемого оптического сигнала практически не возможно произвести необходимое преобразование частоты.

Технической задачей изобретения является получение возможности осуществлять лоцирование объекта за один принимаемый импульс.

Поставленная задача достигается тем, что в способе преобразования спектра лазерного излучения, основанном на пропускании потока излучения под углом Брэгга через акустооптический модулятор, пространственно разделяют излучение на два луча и пропускают их через n акустооптических модуляторов, причем на каждый модулятор одну половину лучей направляют под углом _i= 90-_i,, а другую половину лучей под углом _i= 90+_i,, где i 1, 2, n; _i- угол между световым вектором и направлением распространения акустической волны в i-м модуляторе; _i- угол Брэгга для i-го модулятора, причем интенсивность преобразованного оптического излучения на каждой частоте задают посредством соответствующих интенсивностей акустических волн, возбуждаемых в акустооптических ячейках модуляторов.

Получение возможности осуществлять лоцирование цели за один принимаемый импульс достигается за счет разбиения (посредством воздействия n-го числа акустооптических модуляторов) отраженного от цели излучения с несущей частотой на набор лучей, несущие частоты которых образуют сетку частот с интервалом меньшим или равным полосе усиления квантового усилителя.

Сущность способа заключается в следующем.

Пусть принимаемое излучение с несущей частотой n делится на два луча и пропускается через n расположенных друг за другом акустооптических модуляторов. При этом, если один из лучей падает под углом Брэгга в сторону распространения акустической волны в первом модуляторе, а другой в сторону, противоположную распространению акустической волны в первом АОМ, то после прохождения n акустооптических модуляторов (при условии, что на каждый модулятор половину лучей направляют под углом _i= 90-_i,, а другую половину лучей под углом _i= 90+_i,, где _i угол между световым вектором и направлением распространения акустической волны в i-м модуляторе; _i угол Брэгга для i-го модулятора) излучение разложится на 2ⁿ⁺¹ лучей, несущие частоты которых образуют ряд значений _i (i 1, 2, 2ⁿ), где _i - элементы столбца



где f₁, f₂, f_n-1, f_n частота акустической волны, возбуждаемая соответственно в первом, втором, (n-1)-м и n-м АОМ.

Матрица [F] имеет размер 2ⁿxn. Значения элементов F_i,j матрицы [F] вычисляются по формуле:



где M_j элементы строки [M] A_i,j элементы матрицы [A]

Строка [M] имеет размерность n, при этом первый элемент строки M₁ 1, a (i+1)-й (i 1, 2, n) элемент строки определяется следующим образом:

M_i+1 M_i если луч, выходящий из i-го модулятора под углом _i= 90+_i,, падает на (i+1)-й модулятор под углом _i+1= 90+_i+1;

M_i+1 -M_i если луч, выходящий из i-го модулятора под углом _i= 90+_i, падает на (i+1)-й модулятор под углом _i+1= 90-_i+1..

Матрица [A] имеет вид:



При этом элементы А_i,j связаны между собой следующими равенствами:



Другими словами, элементами строк матрицы [A] являются значения разрядов n-разрядных двоичных чисел.

Интенсивность луча на частоте -_i или +_i зависит от перераспределения энергии излучения между проходящим и дифрагированным лучом в каждом из модуляторов. Распределение энергии излучения между проходящим и дифрагированным лучом определяется интенсивностью акустической волны, возбуждаемое в акустооптической ячейке АОМ. Пусть после прохождения n акустооптических модуляторов лучи с несущими частотами имеют интенсивности I₁, I₂, I₂n, а лучи с несущими частотами - интенсивности I"₁, I"₂, I"₂n. Тогда интенсивности I₁, I₂, I₂n и I"₁, I"₂, I"₂n определяются следующим образом:



где I интенсивность входного излучения; K_i,j элементы матрицы



Здесь [E] единичная матрица размером равным размеру матрицы [A] k₁, k₂, k_n коэффициенты, характеризующие распределение энергии излучения между проходящим и дифрагированным лучом после прохождения излучения соответственно первого, второго и n-го модулятора, при этом где I_пад, I_д интенсивность излучения соответственно падающего и дифрагируемого луча.

Как видно из формул (I) (III), ширина спектра преобразованного излучения, т. е. диапазон частот от -_max до +_max, где _max максимальное значение в ряде частот _i (i 1, 2, 2ⁿ), зависит от числа модуляторов n, от частоты акустических волн f₁, f₂, f_n, и от направления распространения акустических волн, возбуждаемых в акустооптических ячейках АОМ. В частности, если акустические волны в i-м и (i+1)-м АОМ распространяются в противоположных направлениях, то

В свою очередь интенсивность какой-либо частотной составляющей излучения в сетке частот от -_max до +_max определяется как значением коэффициентов k₁, k₂, k_n, так и количеством выходящих из АОМ на этой частоте лучей. Поэтому в ряде случаев спектр преобразованного излучения будет обладать неравномерностью по амплитуде от I_min до I_max.

Очевидно, что если интенсивность принимаемого излучения больше а максимальный интервал между соседними частотными составляющими меньше или равен ширине полосы усиления квантового усилителя, то локатор будет способен зарегистрировать за один принимаемый импульс отраженный от цели сигнал с допплеровским сдвигом частоты, лежащем в диапазоне от -_max до +_max,, где Р_ш.вх мощность спонтанного шума квантового усилителя, приведенная к его входу; N количество частотных составляющих излучения в сетке частот от -_max до +_max.

На фиг.1 показан возможный вариант конструкции устройства, реализующего предлагаемый способ преобразования спектра лазерного излучения. На фиг.2 приведен спектр интенсивностей преобразованного лазерного излучения при использовании трех модуляторов с акустическими волнами f₁ f₂ 40 МГц, f₃ 160 МГц и 50 распределения энергии между проходящим и дифрагированным лучом (k₁ k₂ k₃ 0,5). На фиг.3 приведен спектр интенсивностей преобразованного лазерного излучения при использовании трех модуляторов с акустическими волнами f₁ f₂ 40 МГц, f₃ 160 МГц и с коэффициентами распределения энергии между проходящим и дифрагированным лучом равными k₁ k₂ 0,5 и k₃ 1.

Устройство содержит последовательно расположенные по ходу оптических лучей первую призму 1, первый АОМ 2, второй АОМ 3, вторую призму 4, третий АОМ 5 и третью призму 6. Вторая призма 4 имеет угловое увеличение в плоскости дифракции модуляторов где ₁, ₂, ₃ угол Брэгга соответственно для первого АОМ 2, второго АОМ 3 и третьего АОМ 5.

Преобразователь работает следующим образом (фиг.1).

Входное излучение делится первой призмой 1 на два одинаковых по интенсивности луча и поступает на первый акустооптический модулятор 2. При этом один из лучей падает на АОМ 2 под углом 90+₁ к направлению распространения волны в АОМ 2, а другой под углом 90-₁. Каждый из лучей с несущей частотой излучения , дифрагируя на акустической волне, раскладывается на два луча с разными частотами (фиг.1). Если угол между падающим на модулятор лучом и направлением распространения акутической волны в АОМ 2 равен 90+₁ то на выходе первого АОМ 2 лучи имеют частоты и n+f₁, а если угол между лучом и направлением распространения акустической волны равен 90-₁, то на выходе АОМ 2 лучи имеют частоты и -f₁.. После прохождения второго АОМ 3 излучение разложится на набор лучей с несущими частотами +f₁, , -f₂, -f₁-f₂, +f₁+f₂, +f₂, , -f₁. Вторая призма 4 меняет направление лучей так, чтобы лучи с частотами +f₁, , -f₂, -f₁-f₂ падали на третий АОМ 5 под углом 90-₃ к направлению распространения акустической волны в модуляторе 5, а лучи с частотами +f₁+f₂, +f₂, , -f₁ под углом 90+₃. В результате дифракции на акустической волне, излучение на выходе третьего АОМ 5 будет состоять из 16 лучей с несущими частотами _i (i 1, 2, 8), где _i элементы столбца



При этом интенсивности лучей I₁, I₂, I₈ с частотами +_i, и интенсивности лучей I"₁, I"₂, I"₈ с частотами -_i определяются следующим образом:



где k₁, k₂, k₈ коэффициенты, характеризующие распределение энергии излучения между проходящим и дифрагированным лучом после прохождения излучения соответственно первым АОМ 2, вторым АОМ 3 и третьим АОМ 5.

Третья призма 6 формирует выходящие из устройства излучение требуемой расходимости.

Для примера на фиг.2 и 3 приведены зависимости интенстивности выходящего из устройства излучения от при использовании модуляторов с акустическими волнами f₁ f₂ 40 МГц, f₃ 160 МГц при различных значениях коэффициентов k₁, k₂ и k₃. В случае k₁ k₂ k₃ 0,5 (фиг.2) принимаемое отраженное от объекта излучение с несущей частотой n после прохождения устройства разложится на 13 частотных составляющих в диапазоне от n-240 до +240 МГц, а при k₁ k₂ и k₃ 1 (фиг. 3) излучение разложится на 8 частотных составляющих в диапазонах от -240 до -120 МГц и от +120 до +240 МГц. Если ширина полосы усиления квантового усилителя больше или равна 40 МГц, то локатор за один принимаемый импульс в первом случае зарегистрирует сигнал с допплеровским сдвигом частоты, лежащим в пределах 240 МГц, а во втором случае, лежащим в пределах (120 240). При локации на длине волны = 10,6 мкм допплеровский сдвиг 240 МГц соответствует скорости движения цели = 9150 км/час,, a допплеровский сдвиг (120 240) cоответствует скорости движения цели = (45759150) км/час.ч