устройство измерения поляризационных параметров оптического излучения

Формула изобретения

Устройство измерения поляризационных параметров оптического излучения, включающее последовательно установленные по ходу исследуемого оптического излучения входную формирующую оптику, расположенные под углом Брюстера первый и второй светоделители, плоскости падения которых ортогональны, по ходу отраженного излучения от первого светоделителя последовательно установленные первую смесительную пластину, формирующую оптику и первый фотоприемник, по ходу отраженного излучения от второго светоделителя последовательно установленные вторую смесительную пластину, формирующую оптику и второй фотоприемник, по ходу опорного оптического излучения от источника линейно-поляризованного опорного излучения последовательно установленные формирующую оптику, вторую смесительную пластину, вращатель плоскости поляризации на 90° и первую смесительную пластину, по ходу отраженного опорного излучения от первой смесительной пластины последовательно установленные формирующую оптику и первый фотоприемник, по ходу отраженного опорного излучения от второй смесительной пластины последовательно установленные формирующую оптику 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, отличающееся тем, что дополнительно установлены третий светоделитель с коэффициентом деления 0,5, четвертый аналогово-цифровой преобразователь и последовательно по ходу отраженного от третьего светоделителя оптического излучения формирующая оптика и третий фотоприемник, оптический выход входной формирующей оптики соединен с оптическим входом третьего светоделителя, оптический выход которого соединен с оптическим входом первой смесительной пластиной, выход третьего фотоприемника соединен с входом четвертого аналогово-цифрового преобразователя, выход которого соединен с четвертым входом микропроцессора.

Описание изобретения к патенту

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

Известно устройство (прототип) измерения параметров поляризации оптического излучения (см., например, А.И.Гревцев, А.Ю.Козирацкий, Ю.Л.Козирацкий, П.Е.Кулешов. Патент № 2340879, Россия, G01J 4/04. Бюл. № 34 от 10.12.08. Устройство измерения параметров поляризации оптического излучения. - М.: РОСПАТЕНТ, 2008), которое включает элементы формирующей оптики, первый и второй фотоприемники, первый и второй фильтры, первый и второй светоделители, первую и вторую 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.

Недостатком данного устройства является определение параметров только поляризованной компоненты (составляющей) исследуемого оптического излучения, что ограничивает возможности анализа частично поляризованного оптического излучения.

Техническим результатом, на достижение которого направленно предлагаемое изобретение, является возможность определения полной совокупности поляризационных параметров, характеризующих наличие неполяризованной компоненты в составе исследуемого оптического излучения.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве измерения поляризационных параметров оптического излучения, содержащем последовательно установленные по ходу исследуемого оптического излучения входную формирующую оптику, расположенные под углом Брюстера первый и второй светоделители, плоскости падения которых ортоганальны, по ходу отраженного излучения от первого светоделителя последовательно установленные первую смесительную пластину, формирующую оптику и первый фотоприемник, по ходу отраженного излучения от второго светоделителя последовательно установленные вторую смесительную пластину, формирующую оптику и второй фотоприемник, по ходу опорного оптического излучения от источника линейно-поляризованного опорного излучения последовательно установленные формирующую оптику, вторую смесительную пластину, вращатель плоскости поляризации на 90° и первую смесительную пластину, по ходу отраженного опорного излучения от первой смесительной пластины последовательно установленные формирующую оптику и первый фотоприемник, по ходу отраженного опорного излучения от второй смесительной пластины последовательно установленные формирующую оптику 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, дополнительно установленные третий светоделитель с кооэффициентом деления 0.5, четвертый аналогово-цифровой преобразователь и последовательно по ходу отраженного от третьего светоделителя оптического излучения формирующая оптика и третий фотоприемник, оптический выход входной формирующей оптики соединен с оптическим входом третьего светоделителя, оптический выход которого соединен с оптическим входом первой смесительной пластиной, выход третьего фотоприеника соединен с входом четвертого аналогово-цифрового преобразователя, выход которого соединен с четвертым входом микропроцессора.

Сущность изобретения заключается в том, что исследуемое оптическое излучение делят на два равных по интенсивности потока. Первый поток детектируют и определяют полную интенсивность исследуемого излучения. Второй поток проходит через две светоделительные пластины (поляризатора), установленные под углом Брюстера к оптической оси, которые выделяют поляризованные составляющие исследуемого излучения в ортогональных плоскостях. Дальнейшее преобразование поляризационных компонент исследуемого излучения (прототип) позволяет определить совокупность параметров Стокса, в частности интенсивность поляризованной компоненты. Отношение полученных значений величин поляризованной и полной интенсивностей позволяет определить степень поляризации исследуемого оптического излучения, т.е. оценить присутствие неполяризованной компоненты в исследуемом оптическом излучении.

Анализируемое излучение через фокусирующую оптику подается на три последовательно установленные светоделительные пластины, последние две расположены под углом Брюстера к оптической оси (при этом их плоскости падения пластин ортогональны). Первая пластина по ходу исследуемого излучения предназначена для его деления на два равных по интенсивности и поляризации потока. Первый поток детектируют и определяют полую интенсивность исследуемого излучения. Второй поток используется для определения параметров Стокса путем деления, преобразования, регистрации и передачи сигналов устройством-прототипом.

Наиболее полную картину поляризационных характеристик анализируемого излучения дают параметры Стокса, которые представляются выражениями (см., например, Орлов В.М. Сигналы и помехи в лазерной локации / В.М.Орлов, И.В.Самохвалов, Г.М.Креков и др.; Под ред. В.Е.Зуева. - М.: Радио и связь, 1985, стр.139-143). Частично поляризованную оптическую волну можно представить в виде суммы поляризованной и неполяризованной частей

где вектор S характеризует полную интенсивность частично поляризованного исследуемого излучения, вектор S _П характеризует интенсивность поляризованной компоненты исследуемого излучения, вектор S_Н характеризует интенсивность неполяризованной компоненты исследуемого излучения.

Частично поляризованное излучение принято характеризовать степенью поляризации оптического излучения П

С учетом прямой зависимости тока от интенсивности оптического излучения на чувствительной площадке фотоприемника (см., например, Протопопов В.В. Лазерное гетеродирование / В.В.Протопопов, Н.Д.Устинов. - М.: Наука, 1985, стр.3-9) ( , где В - спектральная чувствительность фотоприемника, K - коэффициент преобразования, J - интенсивность детектируемого потока, S - площадь фоточувствительной площадки фотоприемника) выражение (2) можно представить в виде

где , , параметры Стокса, определение которых производится аналогично описанию прототипа, где i_сх, i_су - постоянные составляющие фототоков первого и второго фотоприемников, вызванные действием полей первого и второго отраженного от первой и второй смесительных пластин оптических потоков, - разность фаз между ортогональными составляющими исследуемого оптического излучения, , где - фототок дополнительного третьего фотоприемника, установленного для оценки полной интенсивности исследуемого оптического излучения.

Таким образом, за счет дополнительного деления принимаемого оптического излучения на два равных по интенсивности потока (в одном из которых измеряют полную интенсивность, в другом интенсивность поляризованной компоненты) и оценки степени поляризации в предлагаемом авторами устройстве появляется возможность анализа частично поляризованного. Это, в свою очередь, исключает недостатки, указанные для прототипа.

На чертеже представлена блок-схема устройства. Блок-схема устройства содержит формирующую оптику 1, 21, 22, 23, 26, первый, второй и третий светоделители 2, 3, 25, первую и вторую смесительные пластины 4, 6, вращатель плоскости поляризации на 90° 5, источник линейно-поляризованного опорного излучения 7, первый, второй и третий фотоприемники 10, 11, 27, 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, третий и четвертый аналогово-цифровые преобразователи 17, 19, 18, 28, 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, пройдя формирующую оптику 1, делится третьим светоделителем 25 с коэффициентом деления 0.5 на два равных по интенсивности поляризации потока. Первый поток поступает через формирующую оптику 26 на вход третьего фотоприемника 27, выходной сигнал которого преобразуется четвертым аналогово-цифровым преобразователем 28 в кодовый. Второй поток 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, третьего и четвертого аналогово-цифровых преобразователей 17, 19, 18, 28 поступают в соответствующие входы микропроцессора 20 (ЭВМ), который осуществляет вычисление поляризационных параметров. Результаты вычисления отображаются индикатором 24.

Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений неизвестно устройство измерения поляризационных параметров оптического излучения, содержащее последовательно установленные по ходу исследуемого оптического излучения входную формирующую оптику, расположенные под углом Брюстера первый и второй светоделители, плоскости падения которых ортоганальны, по ходу отраженного излучения от первого светоделителя последовательно установленные первую смесительную пластину, формирующую оптику и первый фотоприемник, по ходу отраженного излучения от второго светоделителя последовательно установленные вторую смесительную пластину, формирующую оптику и второй фотоприемник, по ходу опорного оптического излучения от источника линейно-поляризованного опорного излучения последовательно установленные формирующую оптику, вторую смесительную пластину, вращатель плоскости поляризации на 90° и первую смесительную пластину, по ходу отраженного опорного излучения от первой смесительной пластины последовательно установленные формирующую оптику и первый фотоприемник, по ходу отраженного опорного излучения от второй смесительной пластины последовательно установленные формирующую оптику 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 втрого 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, дополнительно установленные третий светоделитель с коэффициентом деления 0.5, четвертый аналогово-цифровой преобразователь и последовательно по ходу отраженного от третьего светоделителя оптического излучения формирующая оптика и третий фотоприемник, оптический выход входной формирующей оптики соединен с оптическим входом третьего светоделителя, оптический выход которого соединен с оптическим входом первой смесительной пластиной, выход третьего фотоприеника соединен с входом четвертого аналогово-цифрового преобразователя, выход которого соединен с четвертым входом микропроцессора.

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