Главная -> Прохождение невидимых тепловых лучей 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 [ 108 ] 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 Рнс. 7.4. Схема амплитудного модулятора, основанного на использовании электрооптического эффекта: i - лазер: 2 - оптическая система; 3 - поляризатор; 4 - полость, заполненная воздухом; 5 - измеритель мощности; 5 - СВЧ генератор; 7-генератор звуковой частоты; 8 - кожух; 9 - кристалл; 10 - анализатор; - четвертьволновая пластина. луч света, направленный перпендикулярно к поверхности поляризатора 3. После поляризатора плоско-поляризованный луч света проходит через электрооптический кристалл 9, помещенный в объемный резонатор, и через анализатор 10. Главные плоскости поляризатора и анализатора взаимно перпендикулярны и составляют с направлениями осей кристалла некоторый угол. Вектор напряженности электрического поля в кристалле направлен слева направо. Если внешнее электрическое поле равно нулю, излучение через такую систему не проходит. При наложении на кристалл электрического поля возникает двойное лучепреломление и между обыкновенным и необыкновенным лучами появляется разность фаз, в результате чего плоско-поляризованный свет превращается в электрически-поляризованный. Оси эллипса изменяются в соответствии с изменением модулирующего напряжения, т. е. вектор поляризации света, проходящего через кристалл, вращается. В зависимости от ориентации этого вектора часть излучения проходит через анализатор. Так возникает амплитудная модуляция излучения лазера. Таблица 7.3 Коэффициенты преломления электрооптических кристаллов класса Td при различных значениях составляющих вектора электрического поля
Если в качестве электрооптического материала используют кристаллы типа ADP или KDP, то амплитудная характеристика модулятора имеет вид / = /о sin nUl(2 Uo), (7.3) где и = Ujn cos (От t - управляющее напряжение; / и /о - интенсивности излучения на выходе и на входе модулятора; Uo - Xll п\г^г - параметр, зависящий от электрооптических констант кристалла. Из уравнения (7.3) видно, что зависимость / = / (U) на начальном участке модуляционной характеристики нелинейна. В случае гармонического управляющего напряжения спектр частот выходного сигнала содержит только четные гармоники: где /ft - функция Бесселя ft-ro порядка; Uj - напряжение полуволнового смещения, UlldUolld-Xmir); (7.4) d и I - размеры кристалла в направлении вектора напряженности электрического поля и в направлении распространения излучения. Выход на линейный участок модуляционной характеристики возможен путем введения в схему модулятора фазовращателя с независимым от времени фазовым сдвигом фо. В этом случае / = /о sin* (nt 2 Uo + фо/2). Фазовращатель представляет собой тонкую пластину слюды, имеющую свойство двойного лучепреломления без наложения электрического поля. При соответствующей толщине пластины разность фаз между лучами на ее выходе составляет л/2, что соответствует четверти длины волны. Амплитудная характеристика модулятора с фазовращателем, фазовый сдвиг которого фо = л/2, линейная; спектр частот выходного сигнала содержит только нечетные гармоники: со t 11 \ 1 + 2 2 (-l)-f2ft-i(-)sin(2ft-l)(0 / Рабочая точка на модуляционной характеристике определяется сдвигом фаз, вносимым фазовращателем. Практически заданную рабочую точку выбирают подбором соответствующей толщины слюдяной пластины. Напряжение порядка нескольких киловольт подводят к кристаллу с помощью высокодобротного проходного коаксиального резонатора, нагруженного емкостью, в котором диэлектрической средой является электрооптический кристалл. Резонансную частоту определяют из условия равенства реактивных проводи-мостей конденсатора, образованного кристаллом, и коаксиальной линией, образованной внешним и внутренним проводниками. При резонансе длина волны о. Добротность Q и сопротивление R резонатора выражаются следующими формулами: 2L In r2/rt б 2In,-2/ri+L (l/z-i + l/ra) г. 6ся 4L4n(r2/rO б Я„[2 1п,-2/-1+(1/,-1 + 1/Г2) где d = d/e - зазор в эквивалентном воздушном конденсаторе, е - диэлектрическая постоянная кристалла 9 (рис. 7.4); / t и Га - радиусы внутреннего (кристалла) и внешнего проводника; L - длина внешнего проводника. Приведем параметры двух типовых амплитудных модуляторов, использующих электрооптический эффект в твердых телах [13, 14]. В первом модуляторе материал кристалла - первично кислый фосфат аммония; размеры кристалла 19 X 89 мм; резонансная частота объемного резонатора (частота модуляции) 850 МГц; входная мощность на сопротивлении 50 Ом - 8 Вт; полоса частот модуляции 2 МГц; глубина модуляции 30%; диаметр апертурной диафрагмы 6,35 мм; рабочая температура 25° С. Во втором модуляторе материал кристалла - дигидрофосфат калия г-среза; размеры кристалла 25 X 25 X 12,5 мм; поверхности кристалла имеют просветляющее защитное покрытие; максимально допустимое напряжение 9 кВ; собственная резонансная частота 250 МГц; емкость 10 пФ; время нарастания импульса 10 мс; импульсная мощность управляемого оптического излучения 10 МВт; диаметр апертурной диафрагмы 16 мм; рабочая температура 30° С. Модулятор заключен в тефлоновый корпус диаметром 80 мм и длиной 33 мм. Основные параметры электрооптических материалов, применяемых в амплитудных модуляторах, приведены в табл. 7.4. Наиболее широко используют первично кислый фосфат аммония (кристалл ADP) - бесцветный, прозрачный, пьезоэлектрический кристалл, который по хрупкости и растворимости в воде можно сравнить с поваренной солью. Кристалл ADP в случае медленного изменения температуры может работать при 90*= С. При более высокой температуре начинается выделение аммония. От быстрых изменений температуры кристалл разрушается. Рабочая температура модулятора с кристаллом обычно принимается не свыше 40° С во избежание искажений, вызываемых упругими деформациями. Удельное сопротивление кристалла ADP резко уменьшается с увеличением температуры (рис. 7.5), что необходимо учитывать, если рабочая температура устройства изменяется в широких пределах. При температуре 20° С сопротивление 1 см кристалла равно 4 1№ Ом. Спектральная характеристика пропускания кристалла ADP изображена на рис. 7.6. Как видно из графика, кристалл непрозрачен для излучения с длиной волны свыше 1,5 мкм, поэтому его применяют в модуляторах, предназначенных для работы в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Плотность кристаллов ADP равна 1,804 г/см, напряжение пробоя по постоянному току составляет 25 кВ/мм. Они не растворяются в спирте, ацетоне и бензине, но уже при влажности воздуха, равной 93%, начинают поглощать влагу и растворяться. Для получения максимального сдвига фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами применяют пластины г-среза. Эти пластины вырезают перпендикулярно оси г кристалла (рис. 7.7) и называют основными, так как ось Z является оптической осью кристалла, если к нему не приложено электрическое поле. Направление излучения и направление вектора напряженности электрического поля должны совпадать с направлением оси г, следовательно, электроды должны быть прозрачными. Наилучшими электродами считаются пленки закиси олова, нанесенные на стеклянную подложку. Пленки прозрачны для излучения с длиной волны 0,4...2,0 мкм, влагоустойчивы, выдерживают нагрев до 400° С и устойчивы при температуре ниже 0° С. По мнению иностранных специалистов, более перспективнцми являются модуляторы, в которых используются кристаллы KDP. Твердость этих кристаллов значительно выше, чем кристаллов ADP, поэтому их можно обработать с более высокой точностью. Плотность кристаллов KDP равна 2,31 г/см, удельное электрическое сопротивление 4 10 Ом/см*, напряжение пробоя по постоянному току 27 кВ/мм, спектральный диапазон пропускания 0,2... ...1,4 мкм. Кристаллы KDP можно применять для модуляции излучения с частотой до 10 ГГц при полосе модуляции около 20 МГц и потребляемой мощности 50 Вт. При к = 0,633 мкм оптические потери н кристалле составляют 0,5 дБ/м, что находится на уровне лучших образцов плавленого кварца. Кристаллы ADP и KDP выращивают при комнатной температуре из водного раствора, поэтому они свободны от деформаций, которые появляются |
© 2024 Constanta-Kazan.ru
Тел: 8(843)265-47-53, 8(843)265-47-52, Факс: 8(843)211-02-95 |