способ модуляции мощности потока оптического излучения

Формула изобретения

Способ модуляции мощности потока оптического излучения, по которому исходный поток разделяют на два независимых друг от друга потока, в которых изменяют во времени величину относительного сдвига фаз, модулированный поток оптического излучения формируют путем когерентного сложения этих двух независимых друг от друга потоков, пространственно совмещаемых вдоль общей трассы распространения, отличающееся тем, что когерентное сложение потоков оптического излучения производят в каждой точке вдоль трассы их распространения, а величину относительного сдвига фаз во времени в независимых друг от друга потоках оптического излучения производят за счет относительного изменения длин волн этих потоков.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к светотехническим устройствам, в частности к модуляторам лазерного излучения, и может быть использовано для увеличения соотношения сигнал-шум при проведении измерений.

Известен способ управления потоком оптического излучения [Белашев Б.З. Способ управления потоком излучения. Патент РФ №2128360. Опубл. БИ №9 от 03.27.99, МПК 6: G 05 D 25/00, G 02 F 1/01], в котором на пути потока излучения размещают оптический элемент, выполненный из материала, содержащего адсорбированную воду. Изменяют оптические характеристики оптического элемента путем охлаждения и/или нагрева оптического элемента в области температур восстановления-разрушения водородных связей в адсорбированной воде. Оптический элемент подвергают импульсному нагреву и последующему медленному нагреву в диапазоне температур выше температуры разрушения водородных связей в адсорбированной воде.

Недостатком такого способа управления потоком оптического излучения является потеря энергии этого излучения за время прерывания пучка.

Известен способ модуляции мощности потока оптического излучения [Лазерные методы исследования плазмы. Зайдель А.Н., Островская Г.В. - Л.: Наука, 1977, с.189], в котором пучок оптического излучения периодически полностью прерывают с помощью непрозрачных лепестков, установленных на вращающемся диске.

Недостатком механического способа модуляции мощности потока оптического излучения является потеря энергии во время прерывания потока.

Известен интерферометрический способ модуляции 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. По прототипу поток оптического излучения разделяют на два канала. В указанных каналах производят относительное изменение фазы потоков оптического излучения, вплоть до значения . Пространственно сводят потоки оптического излучения, прошедшие по параллельным каналам, и производят их когерентное суммирование.

Недостатком интерферометрического способа модуляции является блокирование прохождения на выход энергии потока оптического излучения при интерференции сдвинутых на угол потоков оптического излучения.

Задачей изобретения является разработка способа модуляции мощности потока оптического излучения, при котором вся энергия переходит в модулированный поток.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе модуляции мощности потока оптического излучения исходный поток разделяют на два независимых друг от друга потока, в которых изменяют во времени величину относительного сдвига фаз. Модулированный поток оптического излучения формируют путем когерентного сложения этих двух независимых друг от друга потоков оптического излучения, пространственно совмещаемых вдоль общей трассы распространения. Согласно изобретению когерентное сложение потоков оптического излучения производят в каждой точке вдоль трассы их распространения. При этом величину относительного сдвига фаз во времени в независимых друг от друга потоках оптического излучения производят за счет относительного изменения длин волн этих потоков.

Положительный эффект достигается за счет того, что модуляцию мощности потока оптического излучения во времени в одном из сечений осуществляют путем формирования бегущих вдоль его направления распространения интерференционных минимумов и максимумов путем когерентного сложения двух сонаправленных и сдвинутых на доплеровскую частоту потоков оптического излучений. В этом случае энергия потока оптического излучения пространственно перераспределяется вдоль его направления распространения, а средняя энергия, прошедшая за единицу времени через выбранное сечение остается неизменным (равным мощности исходного потока). Следовательно, вся энергия потока оптического излучения переходит в модулированный поток.

На фиг.1 приведена схема устройства для реализации способа модуляции мощности потока оптического излучения.

На фиг.2 приведена осциллограмма мощности модулированного потока гелий-неонового лазера ЛГН-118-3В.

Устройство для реализации способа модуляции мощности потока оптического излучения состоит из пластины 1, содержащей на переднем и заднем, относительно направления распространения потока оптического излучения, торцах пьезоэлектрические пластинки 2, 3. В качестве пластины 1 может быть использован, например, сплошной прямоугольный цилиндр из оптического стекла. В качестве пьезоэлектрических пластинок 2, 3 могут быть использованы, например, пластинки из цирконата-титаната свинца с металлизированными с обеих сторон участками.

При реализации способа модуляции мощности потока оптического излучения в качестве пластины 1 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. Управляющие электроды пьезоэлектрических пластинок на заднем и переднем торцах соединены параллельно.

Устройство для модуляции 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 2, 3. Путем интерференции двух встречно распространяющихся акустических волн, имеющих разные частоты, в пластине 1 формируют по крайней мере одну плоскую область 4 с измененным показателем преломления, перемещающуюся перпендикулярно переднему торцу пластины 1. На передний торец пластины 1 направляют поток когерентного, например лазерного, излучения 5 диаметром 1 см. Формируют два независимых потока оптического излучения путем отражения от переднего торца пластины 1 и плоской области 4 с измененным показателем преломления и направляют эти потоки вдоль одной прямой. Длину волны потока оптического излучения, зеркально отраженного от плоской области 4 с измененным показателем преломления, изменяют путем перемещения относительно переднего торца пластины 1 плоской области 4 с измененным показателем преломления. Производят когерентное суммирование потока 6, зеркально отраженного от передней грани пластины 1, и потока 7, зеркально отраженного от плоской области 4 с измененным показателем преломления. В выходном потоке 8 мощность оптического излучения модулирована во времени по гармоническому закону.

Для определения частоты модуляции мощности потока лазерного излучения используем известные соотношения. Известно, что период между максимумами стоячих волн при интерференции двух встречно распространяющихся волн с близкими частотами равен [Дубровский И.М., Егоров Б.В., Рябошапка К.П. Справочник по физике. - Киев: Наукова думка, 1986, с.327]. При этом частота биений этих волн составляет Эти биения обуславливают перемещение вдоль направления распространения максимумов интерференции акустических волн со скоростью Перемещения максимумов интерференции акустических волн обуславливают доплеровский сдвиг частоты отраженного от них потока лазерного излучения на величину [Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс Б.С. Методы лазерной доплеровской анемометрии. - М.: Наука, 1982]. Доплеровский сдвиг частоты одного из интерферирующих потоков лазерного излучений приводит к модуляции потока суммарного излучения с доплеровской частотой После с преобразования и сокращения получаем расчетное соотношение:

где f_m - частота модуляции мощности потока лазерного излучения, Гц;

_h - длина волны потока лазерного излучения, Гц;

_а=5370 м/с - скорость распространения акустических волн в оптическом стекле;

- частоты встречно распространяющихся акустических волн, Гц;

с - скорость распространения оптического излучения в вакууме.

Расчетная частота модуляции потока оптического излучения составляет Осциллограмма мощности потока модулированного излучения гелий-неонового лазера ЛГН-118-3В приведена на фиг.2. Уровень нулевого напряжения показан с помощью горизонтальной линии 9. Постоянная составляющая в потоке модулированного оптического излучения связана с разными численными значениями интенсивностей излучений, отраженных от акустической волны и переднего торца пластины из оптического стекла.