Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6936
(13) U
(46) 2010.12.30
(51) МПК (2009)
G 02F 1/29
(54) ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ АМПЛИТУДНЫЙ МОДУЛЯТОР
(21) Номер заявки: u 20100452
(22) 2010.05.13
(71) Заявитель: Государственное науч-
ное учреждение "Институт физики
имени Б.И.Степанова Националь-
ной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Пилипович Владимир Анто-
нович; Конойко Алексей Иванович;
Поликанин Александр Михайлович
(BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт физи-
ки имени Б.И.Степанова Националь-
ной академии наук Беларуси" (BY)
(57)
Электрооптический амплитудный модулятор, содержащий равнобедренную треуголь-
ную призму, угол между равнобедренными гранями которой равен 180°-2β, где β - угол
Брэгга, а на основании сформирован объемный голографический элемент в виде одной
брэгговской дифракционной решетки, штрихи которой ориентированы по отношению к
нормали под углом, равным β, поляризационный элемент, два электрооптических элемента
и два отражательных элемента, причем плоскость наведенной анизотропии второго элек-
трооптического элемента ориентирована к главной плоскости равнобедренной треуголь-
ной призмы под углом 45°, отличающийся тем, что содержит третий отражательный
BY6936U2010.12.30

2. BY 6936 U 2010.12.30
2
элемент, оптически связанный со вторым выходом поляризационного элемента, вход ко-
торого оптически связан с первой боковой гранью равнобедренной треугольной призмы, а
первый выход последовательно оптически связан через первый электрооптический эле-
мент, первый отражательный элемент, второй электрооптический элемент и второй отра-
жательный элемент со второй боковой гранью равнобедренной треугольной призмы, а
объемный голографический элемент последовательно оптически связан с вращателем
плоскости поляризации на угол 45° на базе оптической активности и с вращателем плос-
кости поляризации на угол 45° на базе двулучепреломления, вход которого является одно-
временно входом и выходом электрооптического амплитудного модулятора, при этом
плоскость наведенной анизотропии первого электрооптического элемента ориентирована
к главной плоскости равнобедренной треугольной призмы перпендикулярно.
(56)
1. Патент США 4119930.
2. Патент на полезную модель РБ 6180.
3. Патент РБ 11978.
4. Борн M., Вольф Э. Основы оптики. - M.: Наука, 1973. - С. 720.
Полезная модель относится к области оптических методов обработки информации, ла-
зерной технике, оптической связи и локации и может быть использована в научном, тех-
нологическом, измерительном и медицинском приборостроении.
Известен электрооптический амплитудный модулятор [1], который состоит из трех
зеркал, образующих кольцевой резонатор Фабри-Перо, и электрооптического элемента с
поперечным приложением управляющего поля, причем два зеркала полупрозрачны.
Такой модулятор не позволяет получить низковольтную высокоэффективную ампли-
тудную модуляцию светового излучения из-за необходимости приложения полуволнового
управляющего напряжения для получения на выходе минимального светового фона и
наличия больших потерь излучения при вводе излучения в кольцевой резонатор Фабри-
Перо.
Наиболее близким по технической сущности является электрооптический амплитуд-
ный модулятор [2], который содержит оптически связанные равнобедренную треугольную
призму, угол между равнобедренными гранями которой равен 180°-2β, где β - угол Брэгга,
а основание является входом электрооптического амплитудного модулятора и на нем
сформирован объемный голографический элемент в виде одной брэгговской дифракцион-
ной решетки, штрихи которой ориентированы по отношению к нормали под углом, рав-
ным β, два отражательных элемента, поляризационный элемент и два электрооптических
элемента, причем плоскость наведенной анизотропии одного электрооптического элемен-
та ориентирована к главной плоскости равнобедренной треугольной призмы перпендику-
лярно, а другого - под углом 45°.
Такой электрооптический амплитудный модулятор не позволяет осуществлять моду-
ляцию добротности лазерных резонаторов из-за наличия в автоколлимационном режиме
работы модулятора ортогональности плоскости поляризации выходного светового пучка
к плоскости поляризации входного, что ограничивает его функциональные возможности.
Технической задачей полезной модели является расширение функциональных воз-
можностей электрооптического амплитудного модулятора для модуляции добротности
лазерных резонаторов.
Поставленная техническая задача решается тем, что электрооптический амплитудный
модулятор, содержащий равнобедренную треугольную призму, угол между равнобедрен-
ными гранями которой равен 180°-2β, где β - угол Брэгга, а на основании сформирован

3. BY 6936 U 2010.12.30
3
объемный голографический элемент в виде одной брэгговской дифракционной решетки,
штрихи которой ориентированы по отношению к нормали под углом, равным β, поляриза-
ционный элемент, два электрооптических элемента и два отражательных элемента, причем
плоскость наведенной анизотропии второго электрооптического элемента ориентирована
к главной плоскости равнобедренной треугольной призмы под углом 45°, содержит тре-
тий отражательный элемент, оптически связанный со вторым выходом поляризационного
элемента, вход которого оптически связан с первой боковой гранью равнобедренной тре-
угольной призмы, а первый выход последовательно оптически связан через первый электро-
оптический элемент, первый отражательный элемент, второй электрооптический элемент
и второй отражательный элемент со второй боковой гранью равнобедренной треугольной
призмы, а объемный голографический элемент последовательно оптически связан с вра-
щателем плоскости поляризации на угол 45° на базе оптической активности и с вращате-
лем плоскости поляризации на угол 45° на базе двулучепреломления, вход которого является
одновременно входом и выходом электрооптического амплитудного модулятора, при этом
плоскость наведенной анизотропии первого электрооптического элемента ориентирована
к главной плоскости равнобедренной треугольной призмы перпендикулярно.
Совокупность указанных признаков позволяет расширить функциональные возможно-
сти электрооптического амплитудного модулятора, а именно осуществлять высокоэффек-
тивную низковольтную модуляцию добротности лазерных резонаторов за счет решения
вопроса существенного уменьшения потерь излучения при вводе его в кольцевой резона-
тор, и согласования плоскостей поляризации входного и выходного световых пучков при
автоколлимационном режиме работы.
Сущность изобретения поясняется на фигуре, где:
1 - вращатель плоскости поляризации на угол 45° на базе двулучепреломления;
2 - вращатель плоскости поляризации на угол 45° на базе оптической активности;
3 - объемный голографический элемент;
4 - равнобедренная треугольная призма;
5 - поляризационный элемент;
6 - первый электрооптический элемент;
7 - первый отражатель;
8 - второй электрооптический элемент;
9 - второй отражатель;
10 - третий отражатель.
Устройство содержит последовательно оптически связанные вращатель плоскости по-
ляризации на угол 45° на базе двулучепреломления 1, вход которого является одновре-
менно входом и выходом электрооптического амплитудного модулятора, вращатель
плоскости поляризации на угол 45° на базе оптической активности 2, равнобедренную
треугольную призму 4, угол между равнобедренными гранями которой равен 180°-2β, где
β - угол Брэгга, а на входной грани сформирован объемный голографический элемент 3 в
виде одной брэгговской дифракционной решетки, штрихи которой ориентированы по от-
ношению к нормали под углом, равным β, поляризационный элемент 5, вход которого оп-
тически связан с первой боковой гранью равнобедренной треугольной призмы 4, а первый
выход с первым электрооптическим элементом 6, последовательно оптически связанный с
первым отражателем 7, со вторым электрооптическим элементом 8 и вторым отражателем 9,
оптически связанным со второй боковой гранью равнобедренной треугольной призмы 4;
третий отражатель 10 оптически связан со вторым выходом поляризационного элемента 5.
Вращатель плоскости поляризации на угол 45° на базе двулучепреломления 1 выпол-
нен в виде двух оптически связанных фазовых элементов λ/4 из кристаллического кварца
с оптической осью, параллельной входной и выходной граням, оси анизотропии которых
сориентированы относительно друг друга под углом 45° [3].

4. BY 6936 U 2010.12.30
4
Вращатель плоскости поляризации на угол 45° на базе оптической активности 2 вы-
полнен в виде плоскопараллельной пластины из кристаллического кварца, входная и вы-
ходная грани которой перпендикулярны оптической оси с толщиной, обеспечивающей
поворот плоскости поляризации проходящей световой волны на угол 45° [3].
Объемный голографический элемент 3 выполнен в виде объемной фазовой голограм-
мы (одна решетка) на материале "Реоксан", динамический диапазон изменения показателя
преломления которой обеспечивает преобразование световой энергии в один порядок ди-
фракции.
Равнобедренная треугольная призма 4 выполнена из стекла KB, угол между равнобед-
ренными гранями которой равен 180°-2β, а на входной грани сформирован объемный го-
лографический элемент 3.
Поляризационный элемент 5 выполнен в виде призмы Глана из исландского шпата
CaCO3.
Первый 6 и второй 8 электрооптический элементы выполнены на базе электрооптиче-
ского кристалла LiNbO3 в виде прямоугольных призм с поперечным приложением элек-
трического поля.
Первый 7, второй 9 и третий 10 отражатели выполнены в виде диэлектрических зер-
кальных покрытий на плоских подложках из стекла КВ.
Электрооптический амплитудный модулятор работает следующим образом.
В исходном состоянии на вращатель плоскости поляризации на угол 45° на базе дву-
лучепреломления 1, вход которого является одновременно входом и выходом электрооп-
тического амплитудного модулятора, поступает постоянное световое излучение с плоским
волновым фронтом и амплитудой E0, с плоскостью поляризации, перпендикулярной главной
плоскости оптической системы электрооптического амплитудного модулятора. Вслед-
ствие того что в прямом ходе вращатель плоскости поляризации на угол 45° на базе дву-
лучепреломления 1 и вращатель плоскости поляризации на угол 45° на базе оптической
активности 2 поворачивают плоскость поляризации в разных направлениях, на их выходе
плоскость поляризации проходящей световой волны свою ориентацию не изменит. После
чего световая волна падает на входную грань равнобедренной треугольной призмы 4, угол
между равнобедренными гранями которой равен 180°-2β, где β - угол Брэгга, а на входной
грани сформирован объемный голографический элемент 3 в виде одной брэгговской ди-
фракционной решетки, штрихи которой ориентированы по отношению к нормали под уг-
лом, равным β, где дифрагирует. В результате дифракции световая волна отклоняется на
угол, равный двум углам Брэгга (2β), и выйдет из равнобедренной треугольной призмы 4
через первую боковую грань. После последовательного прохождения через поляризаци-
онный элемент 5, первый электрооптический элемент 6, первый отражатель 7, второй
электрооптический элемент 8 и второй отражатель 9 световая волна поступает на вторую
боковую грань равнобедренной треугольной призмы 4 под углом, равным 2β, где испыты-
вает полное внутреннее отражение. После чего она поступает на новый виток прохожде-
ния к поляризационному элементу 5 и т.д., что приводит к многолучевой интерференции.
При этом перед поляризационным элементом 5 мы будем иметь световое поле с амплиту-
дой электрического вектора световой волны Ek, равной
δ
−
= i
97865
g0
k
eRRTTT1
TE
E , (1)
где E0 - амплитуда поля входной световой волны;
Tg, T5, T6, T8 - коэффициенты пропускания соответственно объемного голографиче-
ского элемента 3, поляризационного элемента 5, первого электрооптического элемента 6 и
второго электрооптического элемента 8;
R7, R9 - коэффициенты отражения соответственно первого 7, второго 9 отражателей;

5. BY 6936 U 2010.12.30
5
eiδ
- комплексная форма записи световой волны, где δ - разность фаз, наводимая между
интерферирующими световыми пучками.
Следовательно, выражение для суммарной интенсивности света перед поляризацион-
ным элементом 5 будет иметь следующий вид:
δ−+
=
δ−+
==
cosRRTTT2RRTTT1
TI
cosRRTTT2RRTTT1
TE
EEI
9786597865
g0
9786597865
g
2
0*
kkk , (2)
где *
kE - комплексно сопряженная амплитуда электрического вектора световой волны;
I0 - интенсивность света на входе электрооптического амплитудного модулятора.
А это означает, что так как плоскость поляризации излучения перпендикулярна к
главной плоскости поляризационного элемента 5, то оно не поступает к третьему отража-
телю, а следовательно, на выходе электрооптического амплитудного модулятора оно от-
сутствует.
При подаче на электроды второго электрооптического элемента 8 электрического
напряжения вследствие того, что оси наведенной анизотропии электрооптического мате-
риала повернуты относительно вектора поляризации световой волны на угол 45°, на его
выходе ортогонально поляризованные составляющие световой волны приобретут раз-
ность фаз, равную Г. Это приведет на выходе второго электрооптического элемента 8 к
возникновению световой волны, поляризованной ортогонально световой волне, падающей
на рассматриваемый электрооптический амплитудный модулятор, что приведет к выводу
излучения при помощи поляризационного элемента 5 к третьему отражателю 10. Отра-
зившись от третьего отражателя 10, световая волна последовательно проходит в обратном
направлении поляризационный элемент 5, равнобедренную треугольную призму 4, объ-
емный голографический элемент 3 к вращателю плоскости поляризации на угол 45° на
базе оптической активности 2. После чего световая волна проходит вращатель плоскости
поляризации на угол 45° на базе оптической активности 2 и вращатель плоскости поляри-
зации на угол 45° на базе двулучепреломления 1. В этом случае они поворачивают плос-
кость поляризации возвращающейся световой волны на угол 90° [3]. Поэтому плоскости
поляризации входной и выходной световой волны совпадают. В итоге на выходе рассмат-
риваемого электрооптического амплитудного модулятора мы будем иметь световой пучок
с интенсивностью на рабочей длине волны, величину которой можно определить из сле-
дующего выражения:
δ−+






=





=
cosRRTTT2RRTTT1
2
Г
sinRTTI
2
Г
sinRTTII
9786597865
2
10
2
5
2
g0
2
10
2
5gk , (3)
где R10 - коэффициент отражения третьего отражателя 10;
Г - разность фаз между ортогонально поляризованными составляющими электриче-
ского вектора световой волны, наводимая вторым электрооптическим элементом 8.
Так как параметры 10
2
5
2
g RTT в выражении (3) мало чем отличаются от единицы, то
требуется совсем небольшая величина разности фаз Г наводимой между ортогонально поля-
ризованными составляющими световой волны, а следовательно, и управляющего напря-
жения, чтобы на выходе рассматриваемого электрооптического амплитудного модулятора
получить интенсивность света, равную величине интенсивности входного излучения.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.