устройство для модуляции монохроматического оптического излучения

Формула изобретения

Устройство для модуляции монохроматического оптического излучения, содержащее оптически прозрачную среду, в которой по ходу монохроматического оптического излучения установлены разделитель монохроматического оптического излучения на первый и второй каналы распространения, отражающий элемент во втором канале распространения, участок когерентного суммирования для формирования модулированного монохроматического оптического излучения, отличающееся тем, что в качестве разделителя монохроматического оптического излучения на первый и второй каналы распространения использован делительный куб, состоящий из двух одинаковых треугольных призм, совмещенных своими большими гранями, первый канал распространения снабжен своим отражающим элементом, при этом каждый отражающий элемент нанесен на соответствующую грань делительного куба по ходу монохроматического оптического излучения в первом и втором каналах распространения, делительный куб установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения вне плоскости сопряжения призм делительного куба, а угол между вектором скорости возвратно-поступательного движения и плоскостью сопряжения призм делительного куба выбран из соотношения

,

где f_m - необходимая частота модуляции монохроматического оптического излучения,

₀ - длина волны монохроматического оптического излучения на входе в делительный куб,

- скорость движения делительного куба.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптической технике, в частности к модуляторам монохроматического оптического излучения.

Известно устройство для модуляции монохроматического оптического излучения [RU 2239801 С2, МПК7 G01J 3/00, G02B 26/00, опубл. 10.11.2004], содержащее источник света, фотоприемник, устройство управления и обработки, интерферометр Майкельсона, в котором одно из зеркал установлено с возможностью изменения оптической разности хода по гармоническому закону.

Недостатком устройства является чувствительность к вибрациям и толчкам, возможность изменения настройки зеркал интерферометра Майкельсона при изменении пространственной ориентации.

Известно устройство для модуляции лазерного излучения [RU 2411620 С1, МПК (2006.01) H01S 3/10, G02B 26/02, опубл. 10.02.2011], содержащее платформу с закрепленной на ней подложкой. Платформа закреплена с возможностью совершения возвратно-поступательного движения относительно оси поворота. На поверхности подложки сформирована рельефная дифракционная решетка с прямоугольным профилем. Глубина профиля не превышает четверть длины волны модулируемого лазерного излучения. Поверх дифракционной решетки нанесено зеркальное отражающее покрытие. После отражения от поверхности подложки лазерное излучение разделено на несколько дифракционных порядков. После пространственного щелевого фильтра выделяется излучение нулевого порядка, модулируемое по интенсивности.

Недостатком устройства является чувствительность к вибрациям и толчкам, возможность изменения настройки зеркального отражающего покрытия при изменении пространственной ориентации.

Известно устройство для модуляции монохроматического оптического излучения [RU 2247420 C1, МПК 7 G02B 26/06, опубл. 27.02.2005], выбранное в качестве прототипа, содержащее оптически прозрачную среду, в которой по ходу оптического излучения установлены разделитель монохроматического оптического излучения на первый и второй каналы распространения, отражающий элемент, участок когерентного суммирования оптического излучения в первом и втором каналах распространения оптического излучения. В качестве устройства выделения оптического излучения в первый канал распространения выбрана плоскость входа в оптически прозрачную среду, а во второй канал распространения оптического излучения выбран зеркально отражающий элемент. Зеркально отражающий элемент ориентирован параллельно плоскости входа в оптически прозрачную среду. Плоскость входа оптического излучения в оптически прозрачную среду и плоскость отражающего элемента второго канала распространения расположены с возможностью непрерывного изменения расстояния между ними.

Недостатком устройства является чувствительность к вибрациям и толчкам, возможность изменения настройки зеркально отражающего элемента при изменении пространственной ориентации.

Задачей изобретения является разработка устройства модуляции монохроматического оптического излучения, устойчивого к вибрациям и толчкам, работоспособного во всех пространственных ориентациях.

Поставленная задача решена за счет того, что устройство для модуляции монохроматического оптического излучения, так же как в прототипе, содержит оптически прозрачную среду, в которой по ходу монохроматического оптического излучения установлены разделитель монохроматического оптического излучения на первый и второй каналы распространения, отражающий элемент во втором канале распространения, участок когерентного суммирования для формирования модулированного монохроматического оптического излучения.

В отличие от прототипа в качестве разделителя монохроматического оптического излучения на первый и второй каналы распространения использован делительный куб, состоящий из двух одинаковых треугольных призм, совмещенных своими большими гранями. Первый канал распространения снабжен своим отражающим элементом. Каждый отражающий элемент нанесен на соответствующую грань делительного куба по ходу монохроматического оптического излучения в первом и втором каналах распространения. Делительный куб установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения вне плоскости сопряжения призм делительного куба, а угол между вектором скорости возвратно-поступательного движения и плоскостью сопряжения призм делительного куба выбран из соотношения

,

где f_m - необходимая частота модуляции монохроматического оптического излучения,

₀ - длина волны монохроматического оптического излучения на входе в делительный куб,

- скорость движения делительного куба.

Устройство для модуляции монохроматического оптического излучения устойчиво к вибрациям и толчкам, работоспособно во всех его пространственных ориентациях, так как в качестве интерферометра использован делительный куб. Цельная конструкция предложенного устройства для модуляции монохроматического оптического излучения устойчива как к вибрациям и толчкам, так и к пространственному положению относительно земли, так как все внешние воздействия действуют синхронно на монохроматическое оптическое излучение в первом и втором каналах распространения. Возможные изменения взаимного расположения делительного куба и источника монохроматического оптического излучения, при изменении их взаимной пространственной ориентации, малы и не оказывают заметного влияния на условия модуляции.

На фиг.1 приведена схема устройства для модуляции монохроматического оптического излучения.

На фиг.2 приведено экранное изображение осциллографа GDS-2204, на котором показана осциллограмма временного хода модулированного монохроматического излучения на примере лазера.

Устройство для модуляции монохроматического оптического излучения содержит по ходу монохроматического оптического излучения, например, генерируемого лазером ЛГН-118, делительный куб 1, например, кубик светоделительный 24×24×24 фирмы «НПП ФОКУС» со светоделением 1/1, состоящий из двух одинаковых треугольных призм, сопряженных своими большими гранями 2. На гранях делительного куба 1 по ходу монохроматического оптического излучения в первом 3 и втором 4 каналах распространения сформированы отражающие элементы 5, например, зеркальная поверхность путем вакуумного напыления пленки алюминия. Делительный куб 1 установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения, например, на моторизированном линейном трансляторе 8МТ175 фирмы «Vicon Standa». Шаговый двигатель типа FL42STH47-1204B линейного транслятора 8МТ175 связан с контроллером типа 8SМС1-и USBhF.

Шаговым двигателем управляли в ручном режиме. Делительный куб перемещали по направлениям, располагающимся вне плоскости сопряжения треугольных призм делительного куба 1.

Монохроматическое оптическое излучение, генерируемое лазером, направляли на делительный куб 1. Линейным транслятором приводили делительный куб 1 в возвратно-поступательное движение. Угол между вектором скорости возвратно- поступательного движения и плоскостью сопряжения треугольных призм делительного куба 1 выбирали из соотношения:

.

Разделяли монохроматическое оптическое излучение с помощью делительного куба 1 на первый 3 и второй 4 каналы распространения. В каждом из каналов распространения 3 и 4 монохроматическое оптическое излучение направляли обратно с помощью отражающих элементов 5. За счет возвратно-поступательного движения делительного куба 1, изменяли частоты монохроматического оптического излучения по двум каналам распространения 3 и 4.

На участке когерентного суммирования пространственно совмещали потоки, прошедшие по первому 3 и второму 4 каналам распространения, и получали поток модулированного монохроматического оптического излучения.

Частоту модуляции монохроматического оптического излучения определяли согласно формуле

.

Сборка устройства для модуляции монохроматического оптического излучения заключается в установке делительного куба 1 на линейный транслятор, закреплении транслятора относительно направления оптического излучения под расчетным углом и ориентировании входной грани делительного куба 1 перпендикулярно к направлению монохроматического оптического излучения.

Из осциллограммы для первого канала CH1 осциллографа, приведенной на фиг.2, следует, что частота модуляции f монохроматического оптического излучения гелий-неонового лазера ЛГН-118 составляет 66, (6) кГц.

Расчетная частота f_m, соответствующая скорости перемещения =0,042 м/с делительного куба 1 под углом =45° к направлению монохроматического оптического излучения, составила 65,75 кГц.

Таким образом, сравнение полученной частоты модуляции f с расчетной дает разницу в 0,91 кГц, что не превышает погрешности измерения - половины цены деления шкалы осциллографа 1 мкс. Лазер ЛГН-118 генерирует излучение на нескольких продольных модах. Так как соотношение интенсивностей лазерного излучения на основной и первой модах составляет 30, то при амплитуде сигнала 1,5 В высокочастотная составляющая имеет амплитуду менее 50 мВ. Эксплуатация в течение более 5 часов с перерывами показала, что частота модуляции остается постоянной в пределах ошибки определения частоты путем определения временных интервалов с экрана осциллографа и их пересчета.