устройство измерения параметров поляризации оптического излучения

Формула изобретения

Устройство измерения параметров поляризации оптического излучения, включающее формирующую оптику, первый и второй фотоприемники, первый и второй фильтры, отличающееся тем, что дополнительно установлены первый и второй светоделители, первая и вторая смесительные пластины, вращатель плоскости поляризации на 90°, источник линейно-поляризованного опорного излучения, первый и второй запоминающие блоки, первый и второй блоки вычитания, фазовый детектор, первый, второй и третий аналогово-цифровые преобразователи, микропроцессор, индикатор, при этом последовательно установлены по ходу исследуемого оптического излучения под углом Брюстера первый и второй светоделители, плоскости падения которых ортогональны, по ходу отраженного излучения от первого светоделителя последовательно установлены первая смесительная пластина, формирующая оптика и первый фотоприемник, по ходу отраженного излучения от второго светоделителя последовательно установлены вторая смесительная пластина, формирующая оптика и второй фотоприемник, по ходу опорного оптического излучения от источника линейно-поляризованного опорного излучения последовательно установлены формирующая оптика, вторая смесительная пластина, вращатель плоскости поляризации на 90° и первая смесительная пластина, по ходу отраженного опорного излучения от первой смесительной пластины последовательно установлены формирующая оптика и первый фотоприемник, по ходу отраженного опорного излучения от второй смесительной пластины последовательно установлены формирующая оптика и второй фотоприемник, первый выход первого фотоприемника соединен с входом первого запоминающего блока, выход которого соединен с первым входом первого блока вычитания, второй выход первого фотоприемника соединен с входом первого фильтра, первый выход которого соединен с вторым входом первого блока вычитания, выход которого соединен с входом первого аналогово-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым входом микропроцессора, второй выход первого фильтра соединен с первым входом фазового детектора, первый выход второго фотоприемника соединен с входом второго запоминающего блока, выход которого соединен с первым входом второго блока вычитания, второй выход второго фотоприемника соединен с входом второго фильтра, первый выход которого соединен с вторым входом второго блока вычитания, выход которого соединен с входом второго аналогово-цифрового преобразователя, выход которого соединен с вторым входом микропроцессора, второй выход второго фильтра соединен с вторым входом фазового детектора, выход фазового детектора соединен с входом третьего аналогово-цифрового преобразователя, выход которого соединен с третьим входом микропроцессора, выход которого соединен с входом индикатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к лазерным измерениям и может быть использовано при проектировании систем определения поляризационных характеристик оптического излучения.

Известно устройство измерения поляризации (см., например, Т.И.Трофимова. Оптика и атомная физика. - М.: Высшая школа, 1999, стр.58-60), которое может содержать поляризационный анализатор, фотодетектор и индикатор изменения величины фототока, по которому определяют направление и величину вектора поляризации анализируемого оптического излучения. Недостатком данного устройства является достаточно большое время измерения, связанное с вращением поляризационного анализатора, приводящего к ошибочным результатам при изменении поляризационных параметров излучения за время измерения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является устройство измерения поляризации оптического излучения (см., например, В.Г. Ефремов, И. Д. Найденов. Способ измерения поляризации. - Патент RU №2031376 C1 6G01 J/04, 1995), содержащее формирующую оптику, зеркальную диафрагму, подсмотр поля, четвертьволновую пластину, электрооптический модулятор, анализатор - призму Валластона, два фотоприемника, генератор, схему совпадений, усилители, переключающее устройство, ЭВМ. Недостатками данного устройства являются достаточно большое время измерения и невозможность проведения измерений для импульсных сигналов, связанные с вращением поляризационного анализатора, приводящего к ошибочным результатам при изменении поляризационных параметров излучения за время измерения, а также прямое детектирование разделенного оптического излучения на два ортогональных луча призмой Валластона, что применимо для мощных сигналов.

Техническим результатом, на достижение которого направленно предлагаемое изобретение, являются повышение точности быстродействия определения поляризационных параметров непрерывного и импульсного оптических излучений и возможности измерения поляризационных параметров маломощных оптических сигналов.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве измерения параметров поляризации оптического излучения, содержащем формирующую оптику, зеркальную диафрагму, подсмотр поля, четвертьволновую пластину, электрооптический модулятор, анализатор - призму Валластона, два фотоприемника, генератор, схему совпадений, усилители, переключающее устройство, ЭВМ, дополнительно установлены первый и второй светоделители, первая и вторая смесительные пластины, вращатель плоскости поляризации на 90°, источник линейно-поляризованного опорного излучения, первый и второй запоминающие блоки, первый и второй блоки вычитания, фазовый детектор, первый, второй и третий аналогово-цифровые преобразователи, микропроцессор, индикатор, при этом последовательно установлены по ходу исследуемого оптического излучения под углом Брюстера первый и второй светоделители, плоскости падения которых ортогональны, по ходу отраженного излучения от первого светоделителя последовательно установлены первая смесительная пластина, формирующая оптика и первый фотоприемник, по ходу отраженного излучения от второго светоделителя последовательно установлены вторая смесительная пластина, формирующая оптика и второй фотоприемник, по ходу опорного оптического излучения от источника линейно-поляризованного опорного излучения последовательно установлены формирующая оптика, вторая смесительная пластина, вращатель плоскости поляризации на 90° и первая смесительная пластина, по ходу отраженного опорного излучения от первой смесительной пластины последовательно установлены формирующая оптика и первый фотоприемник, по ходу отраженного опорного излучения от второй смесительной пластины последовательно установлены формирующая оптика и второй фотоприемник, первый выход первого фотоприемника соединен с входом первого запоминающего блока, выход которого соединен с первым входом первого блока вычитания, второй выход первого фотоприемника соединен входом первого фильтра, первый выход которого соединен с вторым входом первого блока вычитания, выход которого соединен с входом первого аналогово-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым входом микропроцессора, второй выход первого фильтра соединен с первым входом фазового детектора, первый выход второго фотоприемника соединен с входом второго запоминающего блока, выход которого соединен с первым входом второго блока вычитания, второй выход второго фотоприемника соединен входом второго фильтра, первый выход которого соединен с вторым входом второго блока вычитания, выход которого соединен с входом второго аналогово-цифрового преобразователя, выход которого соединен с вторым входом микропроцессора, второй выход второго фильтра соединен с вторым входом фазового детектора, выход фазового детектора соединен с входом третьего аналогово-цифрового преобразователя, выход которого соединен с третьим входом микропроцессора, выход которого соединен с входом индикатора.

Сущность изобретения заключается в том, что исследуемое оптическое излучение проходит через две светоделительные пластины, установленные под углом Брюстера к оптической оси. При этом плоскости падения в каждой пластины ортогональны. Отраженные от пластин излучения будут иметь линейную поляризацию, плоскости поляризации которых ортогональны. Отраженные потоки смешивают с опорными линейно-поляризованными потоками, причем ориентации плоскостей поляризации смешиваемых потоков совпадают. Смешиваемые потоки детектируют и определяют величину фазового рассогласования смешиваемых потоков относительно друг друга и значения величин ортогональных компонент векторов напряженностей исследуемого оптического излучения. Полученные сигналы используют для определения поляризационных параметров исследуемого излучения (параметров Стокса).

Анализируемое излучение через фокусирующую оптику подается на две последовательно установленные светоделительные пластины, расположенные под углом Брюстера к оптической оси. При этом плоскости падения пластин расположены ортогонально.

Первое отраженное оптическое излучение от первой пластины будет иметь линейную поляризацию и представляется выражением (см., например, Г.Шредер, X.Трайбер. Техническая оптика. - М.: Техносфера, 2006, стр.280-285)

где Е_х - компонента вектора напряженности электрического поля, перпендикулярная плоскости падения первой светоделительной пластины;

Е _mx - комплексная амплитуда, определяющая амплитудно-фазовое распределение отраженного поля от первой светоделительной пластины;

_c - круговая частота анализируемого излучения.

Второе отраженное оптическое излучение от второй пластины также будет иметь линейную поляризацию, но ортогонально ориентированную плоскость поляризации по отношению к первому отраженному излучению и представляется выражением

где Е_y - компонента вектора напряженности электрического поля, перпендикулярная плоскости падения второй светоделительной пластины;

Е _my - комплексная амплитуда, определяющая амплитудно-фазовое распределение отраженного поля от второй светоделительной пластины.

Если декартовые координатные оси совпадают с нормалями к плоскостям падения каждой светоделительной пластины, то Е _x, Е_y есть проекции вектора напряженности анализируемого поля на оси х и у. Тогда выражения (1), (2) при сохранении разности фаз между Е_x и Е_y образуют систему уравнений, описывающую поляризацию анализируемого поля (см., например, Г.Шредер, X.Трайбер. Техническая оптика. - М.: Техносфера, 2006, стр.280-285).

Отраженное линейно-поляризованное излучение от первой пластины смешивают с первым опорным линейно-поляризованным излучением

где E_опорн.x - напряженность электрического первого опорного излучения;

E _{опорн.mx} - комплексная амплитуда, определяющая амплитудно-фазовое распределение первого опорного поля;

_опорн. - круговая частота опорного излучения.

Ориентации плоскостей поляризации смешиваемых потоков совпадают. Смешанные потоки детектируют. Тогда выходной ток i₁ первого фотодетектора может быть представлен в виде выражения (см., например, В.В.Протопопов, Н.Д.Устинов. Лазерное гетеродирование. - М.: Наука, 1985, стр.5-7)

где i_Гх - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля первого опорного оптического излучения;

i_сх - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля первого отраженного оптического излучения;

- разностная частота анализируемого и опорного оптических излучений;

_Гx, _сх - фазы комплексных амплитуд смешиваемых полей на фоточувствительной площадке фотоприемника.

Отраженное линейно-поляризованное излучение от второй пластины смешивают со вторым опорным линейно-поляризованным излучением

где E_опорн.y - напряженность электрического первого опорного излучения;

E _{опорн.my} - комплексная амплитуда, определяющая амплитудно-фазовое распределение первого опорного поля.

Ориентации плоскостей поляризации смешиваемых потоков совпадают. Смешанные потоки также детектируют. Тогда выходной ток i₂ второго фотодетектора может быть представлен в виде выражения (см., например, В.В.Протопопов, Н.Д.Устинов. Лазерное гетеродирование. - М.: Наука, 1985, стр.5-7)

где i_Гy - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля второго опорного оптического излучения;

i_cy - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля второго отраженного оптического излучения;

_Гy, _cy - фазы комплексных амплитуд смешиваемых полей на фоточувствительной площадке фотоприемника.

Два первых слагаемых в (3) и (4) представляют собой не зависящие от времени постоянные составляющие фототока, вызванные полями анализируемого и опорного излучений. Третье описывает результат интерференции полей, то есть определяют переменную составляющую фототока, изменяющуюся с круговой разностной частотой ( ).

Переменная и постоянная составляющие могут быть легко отделены спектральной фильтрацией (см., например, В.В.Протопопов, Н.Д.Устинов. Лазерное гетеродирование. - М.: Наука, 1985, стр.7).

Если оптические пути (равенство длин оптических путей достигается юстировкой), разделенных с помощью светоделительных пластин потоков, сохраняют на чувствительных площадках фотоприемников разность фаз ( _cy- _cx= ) ортогональных составляющих Е_x и Е_y (см., например, Т.И.Трофимова. Оптика и атомная физика. - М: Высшая школа, 1999, стр.7-10), определяющую тип поляризации (циркулярная или линейная), и фазы опорных колебаний равны _Гx= _Гу= _Г, то выражения (3) и (4) можно представить в виде

Из выражений (5) следует, что колебания фототоков отличаются на значение разности фаз . Значением может быть определено применение фазового детектора (компаратора), причем один из сигналов используется как опорный.

Значения i_cx, i_cy могут быть определены из сумм постоянных составляющих путем вычитания полученных значений предварительным детектированием опорных колебаний

где знак «^» указывает на оценочное значение полученных величин.

Наиболее полную картину поляризационных характеристик анализируемого излучения дают параметры Стокса, которые представляются выражениями (см., например, Г.Шредер, X.Трайбер. Техническая оптика. - М.: Техносфера, 2006, стр.280-285)

где S₀, S₁ , S₂, S₃ - параметры Стокса.

Учитывая прямую зависимость тока от интенсивности оптического излучения на чувствительной площадке фотоприемника где В - спектральная чувствительность фотоприемника, К - коэффициент преобразования, J - интенсивность детектируемого потока, S - площадь фоточувствительной площадки фотоприемника), выражение (7) можно представить в виде

Вычисление величин (8) производится ЭВМ или микропроцессорной системой и отображается индикатором.

Таким образом, предлагаемое авторами устройство обеспечивает практическое устранение погрешности измерения, связанное вращением поляризационного анализатора за сокращения времени измерения поляризационных параметров, которое определяется быстродействием электронных элементов устройства. Использование гетеродинного приема позволит производить измерение поляризационных параметров маломощных оптических сигналов, что, в свою очередь, исключает недостатки, указанные для прототипа.

На чертеже представлена блок-схема устройства. Блок-схема устройства содержит формирующую оптику 1, 21, 22, 23, первый и второй светоделители 2, 3, первую и вторую смесительные пластины 4, 6, вращатель плоскости поляризации на 90° 5, источник линейно-поляризованного опорного излучения 7, первый и второй фотоприемники 10, 11, первый и второй запоминающие блоки 8, 9, первый и второй фильтры 14, 15, первый и второй блоки вычитания 12, 13, фазовый детектор 16, первый, второй и третий аналогово-цифровые преобразователи 17, 19, 18, микропроцессор 20, индикатор 24.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. Предварительно линейно-поляризованное излучение от источника опорного излучения 7 через формирующую оптику 21 делится с помощью первой и второй смесительных пластин 4, 6 на первый и второй опорные потоки, которые соответственно через формирующие оптики 22, 23 поступают на входы первого и второго фотоприемников 10, 11. При этом плоскость поляризации первого опорного потока повернута вращателем плоскости поляризации на 90° 5 относительно плоскости поляризации второго опорного потока. Значения величин выходных токов фотоприемников 10, 11, вызванных действием разделенных опорных потоков опорного излучения, запоминаются в соответствующих запоминающих блоках 8, 9. Исследуемое оптическое излучение через формирующую оптику 1 поступает на установленный под углом Брюстера первый светоделитель 2, от которого отражается первая линейно-поляризованная волна и смешивается смесительной пластиной 4 с первым опорным потоком. При этом ориентации плоскостей поляризации первых смешиваемых потоков совпадают. Первый смешанный поток через формирующую оптику 22 поступает на вход первого фотоприемника 10. Прошедшее первый светоделитель 2 излучение поступает на установленный под углом Брюстера второй светоделитель 3 (плоскость падения которого перпендикулярна плоскости падения первого светоделителя 2), от которого отражается вторая ортогонально первой линейно-поляризованная волна и смешивается смесительной пластиной 6 со вторым опорным потоком. При этом ориентации плоскостей поляризации вторых смешиваемых потоков совпадают. Второй смешанный поток через формирующую оптику 23 поступает на вход второго фотоприемника 11. С выхода первого фотоприемника 10 сигнал поступает на вход первого фильтра 14, который разделяет полный ток на сумму постоянных и переменную составляющие. Значение величины суммы постоянных составляющих поступает на вход первого блока вычитания 12, на другой вход которого из первого запоминающего блока 8 поступает значение величины постоянной составляющей, вызванное действием первого опорного потока. В блоке вычитания 12 производится определение значения величины постоянной составляющей, вызванное действием первого исследуемого линейно-поляризованного потока (выражение 6), которое преобразуется первым аналогово-цифровым преобразователем 17 в кодовый сигнал. С выхода второго фотоприемника 11 сигнал поступает на вход второго фильтра 15, который разделяет полный ток на сумму постоянных и переменную составляющие. Значение величины суммы постоянных составляющих поступает на вход второго блока вычитания 13, на другой вход которого из второго запоминающего блока 9 поступает значение величины постоянной составляющей, вызванное действием второго опорного потока. В блоке вычитания 13 производится определение значения величины постоянной составляющей, вызванное действием второго исследуемого линейно-поляризованного потока (выражение 6), которое преобразуется вторым аналогово-цифровым преобразователем 19 в кодовый сигнал. Переменные составляющие с выходов фильтров 14 и 15 поступают на входы фазового детектора 16, который определяет разность фаз , значение величины которой преобразуется третьим аналогово-цифровым преобразователем 18 в кодовый сигнал. Сигналы с выходов первого, второго и третьего аналогово-цифровых преобразователей 17, 19, 18 поступают на микропроцессор 20 (ЭВМ), который осуществляет вычисление параметров Стокса (выражение 8). Результаты вычисления отображаются индикатором 24.

Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений неизвестно устройство измерения параметров поляризации оптического излучения, включающее формирующую оптику, первый и второй фотоприемники, первый и второй фильтры, первый и второй светоделители, первая и вторая смесительные пластины, вращатель плоскости поляризации на 90°, источник линейно-поляризованного опорного излучения, первый и второй запоминающие блоки, первый и второй блоки вычитания, фазовый детектор, первый, второй и третий аналогово-цифровые преобразователи, микропроцессор, индикатор, при этом последовательно установлены по ходу исследуемого оптического излучения формирующая оптика, первый и второй светоделители под углом Брюстера, плоскости падения которых ортогональны, по ходу отраженного излучения от первого светоделителя последовательно установлены первая смесительная пластина, формирующая оптика и первый фотоприемник, по ходу отраженного излучения от второго светоделителя последовательно установлены вторая смесительная пластина, формирующая оптика и второй фотоприемник, по ходу опорного оптического излучения от источника линейно-поляризованного опорного излучения последовательно установлены формирующая оптика, вторая смесительная пластина, вращатель плоскости поляризации на 90° и первая смесительная пластина, по ходу отраженного опорного излучения от первой смесительной пластины последовательно установлены формирующая оптика и первый фотоприемник, по ходу отраженного опорного излучения от второй смесительной пластины последовательно установлены формирующая оптика и второй фотоприемник, первый выход первого фотоприемника соединен с входом первого запоминающего блока, выход которого соединен с первым входом первого блока вычитания, второй выход первого фотоприемника соединен входом первого фильтра, первый выход которого соединен с вторым входом первого блока вычитания, выход которого соединен с входом первого аналогово-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым входом микропроцессора, второй выход первого фильтра соединен с первым входом фазового детектора, первый выход второго фотоприемника соединен с входом второго запоминающего блока, выход которого соединен с первым входом второго блока вычитания, второй выход второго фотоприемника соединен входом второго фильтра, первый выход которого соединен с вторым входом второго блока вычитания, выход которого соединен с входом второго аналогово-цифрового преобразователя, выход которого соединен с вторым входом микропроцессора, второй выход второго фильтра соединен с вторым входом фазового детектора, выход фазового детектора соединен с входом третьего аналогово-цифрового преобразователя, выход которого соединен с третьим входом микропроцессора, выход которого соединен с входом индикатора.

Предлагаемое техническое решение практически применимо, так как для его реализации могут быть использованы типовые оптические и радиотехнические узлы и устройства.