модулятор лазерного излучения

Формула изобретения

Модулятор лазерного излучения, содержащий лазер, рельефную дифракционную решетку с прямоугольным профилем, зеркально отражающую пучок модулируемого лазерного излучения, глубина которой превышает четверть длины волны модулируемого лазерного излучения, платформу, связанную с электромеханическим вибратором, установленным на неподвижном основании, отличающийся тем, что рельефная дифракционная решетка выполнена из пластин, сформированных в стационарные группы и группы подвижных пластин с возможностью их возвратно-поступательного движения, размещенных в промежутках пластин стационарной группы, торцы которых смещены относительно торцов стационарной группы в направлении, перпендикулярном к поверхностям, обращенным к лазеру, стационарная группа связана с основанием посредством прецизионного регулировочного механизма, а группа подвижных пластин установлена на платформе, связанной упругим подвесом с основанием и электромеханическим вибратором, причем торцы пластин, обращенных к лазерному пучку, имеют плоскую поверхность, зеркально отражающую лазерное излучение.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптоэлектронике и приборостроению. Предлагаемое устройство предназначено для модуляции мощности лазерного излучения во времени и может применяться в широком диапазоне длин волн видимого и инфракрасного излучения.

Известны акустооптические модуляторы лазерного излучения, принцип работы которых основан на эффекте дифракции Брэгга на акустических волнах, распространяющихся в материале звукопровода (1, 2). Акустооптические модуляторы - технически сложные и дорогие устройства.

Известны механические модуляторы, которые модулируют лазерное излучение во времени в результате периодического механического прерывания лазерного пучка (3). Один из известных вариантов модулятора содержит модулирующий блок в виде непрозрачного диска с прорезями, через которые проходит пучок лазерного света. При вращении диска происходит прерывание лазерного пучка. Это устройство является одним из аналогов предлагаемого изобретения. Недостатки данного устройства-аналога следующие. При очередном прерывании лазерного пучка происходит его частичное перекрытие, нарушается форма пучка и, вследствие этого, происходит искажение пространственного спектра модулированного лазерного пучка. Также модулятор-аналог производит модуляцию с глубиной 100% и не позволяет изменять глубину модуляции мощности оптического пучка пропорционально управляющему фактору, например, пропорционально управляющему напряжению.

Наиболее близкий аналог предлагаемого устройства [4] содержит лазер и модулирующий блок, который выполнен в виде платформы на оси поворота с закрепленной на платформе подложкой, на поверхности которой сформирована рельефная дифракционная решетка с прямоугольным профилем, глубина рельефа решетки превышает четверть длины волны модулируемого лазерного излучения, а поверх решетки нанесено зеркальное отражающее покрытие. Платформа связана с электромеханическим вибратором, который своей противоположной стороной прикреплен к основанию, и с возвратной пружиной, также прикрепленной к основанию. Пучок лазерного излучения направлен на дифракционную решетку под углом, а на выходе отраженного пучка лазерного излучения установлен пространственный фильтр в нулевом порядке дифракции. При изменении угла наклона платформы происходит модуляция мощности излучения нулевого дифракционного порядка, и вместе с этим всегда происходит изменение направления излучения выходного оптического пучка. Таким образом, устройство-аналог является не только модулятором мощности, но и одновременно пространственно-временным модулятором лазерного излучения.

На практике при передаче информационных сигналов и сигналов управления необходимо иметь только модуляцию мощности лазерного пучка без сопутствующего изменения направления лазерного пучка, так как при изменении направления пучка излучение может пройти мимо апертуры приемника. Таким образом, снижается точность позиционирования лазерного пучка в пространстве.

Технический результат изобретения направлен на повышение точности позиционирования лазерного пучка.

Технический результат достигается тем, что в модуляторе лазерного излучения, содержащем лазер, рельефную дифракционную решетку с прямоугольным профилем, зеркально отражающую пучок модулируемого лазерного излучения, глубина которой превышает четверть длины волны модулируемого лазерного излучения, платформу, связанную с электромеханическим вибратором, установленным на неподвижном основании, рельефная дифракционная решетка выполнена из пластин, сформированных в стационарные группы и группы подвижных пластин с возможностью их возвратно-поступательного движения, размещенных в промежутках пластин стационарной группы, торцы которых смещены относительно торцов стационарной группы в направлении, перпендикулярном к поверхностям, обращенным к лазеру, стационарная группа связана с основанием посредством прецизионного регулировочного механизма, а группа подвижных пластин установлена на платформе, связанной упругим подвесом с основанием и электромеханическим вибратором, причем торцы пластин, обращенных к лазерному пучку, имеют плоскую поверхность, зеркально отражающую лазерное излучение.

Предлагаемое устройство позволяет получить модуляцию мощности лазерного пучка без сопутствующей пространственной модуляции его, т.е. без изменения направления лазерного пучка на выходе модулятора.

Технический результат достигается за счет того, что периодическая рельефная дифракционная решетка, входящая в состав модулирующего блока, не изменяет наклон по отношению к лучу лазера - источника излучения. Она составлена из пластин, сформированных в стационарную группу и группу подвижных пластин одинаковой толщины. Группа подвижных пластин размещена в промежутках между пластинами стационарной группы, установлена на подвижной платформе с возможностью возвратно-поступательного движения и связана с электромеханическим вибратором. Торцы пластин подвижной группы смещены относительно торцов пластин стационарной группы и образуют рельефную отражательную периодическую дифракционную структуру. Поступательное смещение подвижных относительно группы стационарных пластин вызывает изменение глубины рельефа отражающей дифракционной решетки, и вследствие этого происходит амплитудная модуляция мощности нулевого дифракционного порядка излучения лазерного пучка, отраженного от рельефной дифракционной решетки. Вместе с тем, в отличие от прототипа, при работе предлагаемого устройства угол наклона решетки не изменяется, поэтому не изменяется направление отраженного пучка, т.е. отсутствует пространственная угловая модуляция лазерного излучения, поскольку исключены угловые перемещения отражающей дифракционной решетки.

Схема предлагаемого устройства изображена на фигуре 1. Устройство содержит лазер 1, пучок излучения которого направлен на рельефную решетку, составленную из двух групп параллельных пластин одинаковой толщины: стационарной группы 2 и подвижной группы 3, при этом пластины подвижной группы размещены в промежутках между пластинами стационарной группы. Пластины стационарной группы скреплены между собой и связаны с основанием 4 через посредство прецизионного регулировочного механизма 5, который обеспечивает возможность перемещения группы стационарных пластин в направлении оси oz, перпендикулярном к поверхности пластин, отражающих лазерный пучок. Группа подвижных пластин установлена на подвижной платформе 6, которая связана с основанием через посредство упругого подвеса 7, который допускает возвратно-поступательное перемещение платформы с подвижной группой пластин относительно основания в направлении оси Oz. Также платформа связана с электромеханическим вибратором 8, который своей противоположной стороной прикреплен к основанию. Торцы пластин, обращенные к лазерному пучку, выполнены в виде плоских поверхностей, зеркально отражающих лазерное излучение. Торцы пластин подвижной группы имеют определенное начальное смещение H₀, превышающее четверть длины волны лазерного излучения, относительно торцов пластин стационарной группы в направлении, перпендикулярном к поверхностям, обращенным к лазеру. В результате этого торцы двух групп пластин образуют рельефную отражающую дифракционную решетку. Излучение лазера направлено на отражающую рельефную дифракционную решетку под углом , таким образом, что плоскость падения-отражения лазерного пучка параллельна пластинам, образующим решетку. В области дифракции лазерного излучения, отраженного от модулирующего блока, установлен пространственный фильтр 9 в нулевом порядке дифракции, пропускающий излучение нулевого порядка и непрозрачный для пучков излучения первых и высших порядков дифракции. Излучение выделенного нулевого порядка является выходным сигналом модулятора.

Устройство работает следующим образом. Пучок излучения лазера 1 с длиной волны направляют на поверхность отражательной дифракционной решетки, которая составлена из двух групп пластин: стационарной 2 и подвижной 3. Диаметр пучка во много раз (типично в 10-20 раз) больше периода этой дифракционной решетки. Поскольку отражение лазерного пучка происходит от рельефа с прямоугольным профилем, волновой фронт отраженного пучка имеет пространственную фазовую модуляцию прямоугольной формы типа меандра. Глубина фазовой модуляции волнового фронта, полученная в результате отражения лазерного пучка от рельефа с глубиной Н, выражается формулой

а амплитуда пространственной фазовой модуляции волнового фронта, которая равна половине глубины фазового рельефа, выражается формулой:

Мощность излучения в нулевом порядке дифракции Р₀ зависит от глубины отражательной дифракционной решетки и определяется следующим соотношением [4, 5]:

Здесь R - коэффициент отражения, P _i - мощность лазерного излучения, падающего на дифракционную рельефную решетку. В результате перемещения группы подвижных пластин 3 вдоль оси oz под воздействием электромеханического вибратора 8 изменяется глубина рельефа Н, при этом мощность излучения в нулевом дифракционном порядке может меняться в пределах от нулевого значения до максимального значения, равного P_0max =P_i·R. Максимумы этой зависимости P₀ (H) соответствуют условию:

Минимумы зависимости Р₀(H) соответствуют условию:

Середина линейного зависимости P ₀(Н) участка соответствует условию:

Модуляция лазерного излучения в нулевом порядке дифракции производится за счет возвратно-поступательного движения подвижной группы пластин 3 под воздействием электромеханического вибратора 8. При перемещении подвижной пластины 3 на величину Н изменяется глубина рельефа и вследствие этого происходит модуляция, т.е. изменение мощности нулевого порядка дифракции. Для того, чтобы зависимость мощности нулевого порядка дифракции от смещения Н была линейной, необходимо установить величину начальной глубины решетки Н₀=Н_ср с помощью прецизионного механизма поступательного перемещения 5. При условии Н₀ =Н_ср и при отсутствии колебаний подвижной группы пластин мощность излучения в нулевом порядке, в соответствии с формулой (2), равна половине максимальной величины мощности излучения в нулевом порядке, т.е. равна Р₀=0,5P_0max =0,5P_i·R. При этом, если амплитуда колебаний Н мала, намного меньше, чем величина /4cos , приращение мощности выходного излучения линейно зависит от смещения подвижной группы пластин 2. При условии, что размах (т.е. двойная амплитуда) колебаний равен /4cos , можно получить изменение мощности излучения в пределах от нулевого значения (P₀=0) до максимального значения: Р₀=P_0max=0,5P_i·R.

Технический результат. Предложенное устройство может осуществлять модуляцию мощности лазерного пучка без изменения его направления и с сохранением пространственной структуры пучка. При относительно небольших глубинах модуляции обеспечивается линейная зависимость изменения выходной мощности от смещения подвижной группы пластин.

Вместе с этим, предлагаемое устройство позволяет получить 100% глубину модуляции выходного излучения, но при этом зависимость изменения выходной мощности от смещения подвижной группы пластин будет нелинейной.

Рассмотрим пример технической реализации. Выбор материалов и размеров элементов устройства в определенной степени зависит от длины волны лазерного излучения. Рассмотрим вариант построения модулятора инфракрасного излучения с длиной волны =10.6 микрометров. Толщина пластин d в этом случае может, например, составлять d=0,25 мм. При этом период рельефной структуры составит =2d=0,5 мм. Если задать угол падения пучка на поверхность рельефной структуры равным =45°, то расчетная величина начального смещения H ₀ отражающей поверхности подвижной структуры относительно отражающей поверхности стационарной структуры должна составлять:

Расчет по этой формуле дает при различных значениях числа k следующий ряд вариантов значений: H_ср =1,87 мкм при k=1; H_ср=5,62 мкм при k=3; H_ср =9,37 мкм при k=5. Любое из этих значений может быть принято в качестве начальной глубины рельефа. Установка величины начальной глубины производится с помощью микрометрического прецизионного регулировочного механизма линейного перемещения 6. При этом нет необходимости в непосредственном измерении глубины рельефа. Контроль правильности установки начальной глубины рельефа Н₀ =H_ср следует производить по результатам измерения мощности дифрагированного пучка нулевого порядка. Критерием правильной установки начальной глубины является такое условие, чтобы измеренная мощность пучка излучения в нулевом порядке дифракции при условии правильной установке рабочей точки составляла половину максимального значения мощности пучка излучения в нулевом порядке дифракции. Практически это достигается при перемещении стационарной структуры с помощью регулировочного механизма в пределах, превышающих период зависимости Р₀(Н), т.е. больших, чем величина, равная

и одновременном измерении мощности излучения нулевого дифракционного порядка. В отраженной дифракционной картине пучки первых порядков направлены под углами

по отношению к пучку нулевого порядка. Для выделения пучка излучения нулевого дифракционного порядка необходимо установить пространственный фильтр, который представляет собой непрозрачный экран с отверстием, размер которого равен или несколько больше диаметра лазерного пучка. Положим, что диаметр лазерного пучка равен D_П=5 мм. Для того, чтобы пучки первых порядков не перекрывались с пучком нулевого порядка, пространственный фильтр, отделяющий пучок нулевого порядка от пучков первых порядков, должен быть расположен на расстоянии, несколько большем, чем расчетная величина дистанции L_P, на которой происходит разделение пучков. Если толщина пластин равна 0,25 мм, а соответственно период рельефной структуры равен 0,5 мм, то расстояние до пространственного фильтра должно быть

В данном примере технической реализации устройства модулятора для излучения с длиной волны 10,6 мкм пластины, из которых составлены стационарная и подвижная периодические структуры, могут быть изготовлены из меди или латуни, а отражающие торцевые поверхности их должны быть отполированы до зеркального состояния. Пластины собраны в группы с применением технологии пайки или склейки таким образом, чтобы отклонения торцов отдельных пластин от их общей касательной плоскости были намного меньше, чем H_ср=1,87 мкм.

Источники информации

1. Л.Н.Магдич, В.Я.Молчанов. Акустооптические устройства и их применение. 1978, М., Сов. Радио.

2. Справочник по лазерам под ред. Прохорова А.М. // 1978, Т 2, с.191-194.

3. Катыс Г.П. Оптико-электронная обработка информации. М., Машиностроение, 1973, с.287-291.

4. Модулятор лазерного излучения. Патент № 2411620. Бюл. № 4, 2011 г.

5. В.А.Комоцкий, Ю.М.Соколов, А.Н.Алексеев, Е.В.Басистый. Исследование оптоэлектронного датчика угловых смещений на основе глубокой отражательной фазовой дифракционной решетки // Вестник РУДН. Серия Математика. Информатика. Физика. - 2009. - № 4. - С. 95-104.