Способ управления модулятором оптического излучения

 

Использование: в оптотехнике, а именно для модуляции световых потоков, в частности для модуляции добротности резонатора лазера. Сущность изобретения: способ управления модулятором оптического излучения на эффекте нарушения полного внутреннего отражения, выполненным из двух усеченных призм, соединенных между собой с зазором, заключается в раздельной и последовательной во времени подаче импульсов напряжения соответствующей величины и полярности на пьезопластины. Волны упругой деформации от каждой пьезопластины приходят в плоскость зазора одновременно, что позволяет получить суммарную волну деформации с коротким фронтом и в конечном итоге резко уменьшить время включения модулятора. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к оптотехнике и может быть использовано для модуляции световых потоков, в частности для модуляции добротности резонатора лазера.

Известен способ управления модулятором на эффекте нарушения полного внутреннего отражения (НПВО) [1, 2], заключающийся в приложении управляющего напряжения к пластине из пьезоэлектрика, расположенной вблизи гипотенузной грани призмы ПВО, ее толщина, а следовательно, и зазор между призмой и пластиной будут изменяться. Подвижная пластина может быть изготовлена и не из пьезоэлектрического материала. В этом случае управляющее напряжение прикладывается к пьезопреобразователю, обеспечивающему перемещение пластины. Управляющее напряжение выбирается таким образом, чтобы при включении напряжения пластина приближалась к призме вплоть до исчезновения зазора между ними. Однако вследствие большой величины времени включения (1-5 мкс) и малой величины ресурса этот способ имел ограниченное применение.

Наиболее близким техническим решением является способ управления модулятором оптического излучения на эффекте НПВО [3], выбранный в качестве прототипа, заключающийся в формировании на пьезопреобразователе диаграммы импульсного напряжения с учетом собственных колебаний механической системы, причем динамическая деформация зазора вплоть до его исчезновения обеспечивается за счет действия волн упругой деформации, возникающих в оптических элементах, выполненных в виде двух усеченных призм, соединенных по гипотенузным граням, с зазором в центральной части. При этом пьезопреобразователи выполнены в виде пакетов пьезопластин. Пьезопластины имеют электрические выводы, соединенные таким образом, что прикладываемое к ним напряжение подается одновременно на все пьезопластины пакета (параллельное соединение выводов).

Недостатком такого способа управления модулятором является относительно большое время включения (200-250 нс), которое не позволяет использовать модулятор НПВО в резонаторах лазеров с активными элементами, обладающими большим коэффициентом усиления (выше 0,2 1/см). Это обуславливается одновременной подачей напряжения на пьезопластины. В результате этого фронт волны упругой деформации, возникающий одновременно во всех пьезопластинах, увеличивается на величину, равную времени прохождения волны упругой деформации от дальней по отношению к зазору пьезопластины до ближней к зазору пьезопластины, что и ограничивает время включения модулятора.

Целью изобретения является уменьшение времени включения модулятора оптического излучения.

Цель достигается при использовании способа управления модулятором на эффекте НПВО, заключающегося в приложении импульсного напряжения к пьезопреобразователям, расположенным на противоположных по отношению к зазору сторонах оптических элементов и выполненным в виде набора пьезопластин, обладающих собственными выводами, причем по первому варианту к каждой изолированной друг от друга пьезопластине прикладываются импульсные напряжения положительной полярности, начиная с дальней от зазора пьезопластины, задержанные друг относительно друга на величину t₃, равную времени прохождения волны деформации через пьезопластину и изолирующий слой.

По второму варианту используют двойной проход волны деформации по пьезопреобразователю. При таком способе управления на электрические выводы пьезопреобразователя подают импульсы напряжения отрицательной полярности, начиная с ближней от зазора пьезопластины, задержанные друг относительно друга на величину t₃, причем длительность каждого последующего импульса короче предыдущего на величину 2t₃, а длительность самого короткого импульса определяется суммой удвоенного времени распространения волны деформации по согласователю, который расположен на тыльной стороне пьезопреобразователя, и времени распространения волны по пьезопластине.

Объединение двух технических решений в одну заявку связано с тем, что два данных способа решают одну и ту же задачу уменьшения времени срабатывания модулятора НПВО принципиально одним и тем же путем, заключающийся в раздельном и последовательном во времени возбуждении пьезопластин, для чего используется специально разработанная общая для двух способов конструкция пьезопреобразователя с изолированными собственными выводами от каждой пьезопластины.

Оба способа являются равноценными для решения задачи увеличения скорости срабатывания модулятора. Применение того или иного способа определяется элементной базой и оптимальной конструкцией в конкретных устройствах.

Применение второго способа помимо решения основной задачи способствует уменьшению управляющего напряжения, подаваемого на модулятор, что в конечном итоге отразится на увеличении ресурса работы модулятора. Так, например, для достижения скорости срабатывания модулятора 50 нс необходимо подать управляющее напряжение до 300В - по первому способу и до 200В - по второму способу. Таким образом, использование второго способа управления модулятором, позволяет уменьшить амплитуду управляющего напряжения, но требует некоторого усложнения электрической схемы генератора управляющего напряжения, связанного с формированием как переднего, так и заднего фронта импульса напряжения, подаваемого на пьезопластины.

На фиг. 1 схематически изображен модулятор, на котором осуществлен предлагаемый способ управления; на фиг.2 представлена диаграмма импульсов напряжений для управления модулятором, вырабатываемая генератором управляющего напряжения; на фиг.3 - функциональная блок-схема генератора управляющего напряжения, осуществляющего управление модулятором как по первому, так и по второму способу.

Модулятор (фиг. 1) состоит из двух усеченных призм 1 из стекла марки ТБФ-10. Между большими основаниями призм образован зазор 2 толщиной 0,2 λ, где λ - длина волны излучения. На усеченных гранях каждой призмы размещены пьезопреобразователи, состоящие из трех одинаковых пьезопластин 3, электрически изолированных друг от друга с помощью прокладок 4 и имеющих собственные электрические выводы 5. Пьезопластины изготовлены из пьезокерамики типа ЦТСНВ-1 толщиной 0,5 мм. К тыльной стороне пьезопреобразователей прикреплены согласователи 6. Согласователи и изолирующие прокладки сделаны из стекла марки ТБФ-10. Этот материал выбран, исходя из близости его волнового сопротивления к волновому сопротивлению пьезокерамики.

При падении модулируемого светового потока 7 на зазор 2 под углом, большим угла полного внутреннего отражения, и при отсутствии управляющего напряжения на пьезопреобразователях происходит значительное отражение от зазора в направлении луча 6 (модулятор закрыт). Приложение импульсного напряжения к пьезопреобразователям вызывает упругую деформацию оптических призм 1, приводящую к сближению их смежных поверхностей вплоть до полного исчезновения зазора 2. В этом состоянии модулятор открыт и падающее на него излучение беспрепятственно проходит в направлении луча 9.

Предлагаемый способ управления модулятором оптического излучения на эффекте НПВО заключается в раздельной и последовательной во времени подаче импульсов напряжения (фиг. 2) соответствующей величины и полярности на пьезопластины 3, что приводит к тому, что волны упругой деформации от каждой пьезопластины приходят в плоскость зазора 2 одновременно, что позволяет получить суммарную волну деформации с коротким фронтом и в конечном итоге резко уменьшить время включения модулятора.

При подаче управляющего напряжения положительной полярности на дальнюю от зазора 2 пьезопластину 3 в ней под действием обратного пьезоэлектрического эффекта возникает деформация растяжения. Когда начало фронта деформации пройдет толщину изолирующей прокладки 4 и следующей пьезопластины, на эту пьезопластину подается управляющее напряжение и т.д. Временной сдвиг подачи напряжения на соседние пьезопластины определяется выражением t₃ = a/v₃₃ + b/v_п, где а и b - толщины пьезопластины и изолирующей прокладки; v₃₃ и v_п - скорости распространения звука в них. В нашем случае величина t₃ составляет 250 нс.

Во втором способе используют двойной проход волны деформации через пьезопреобразователь. При таком способе управления на электрические выводы пьезопреобразователя подают импульсы напряжения отрицательной полярности, начиная с ближней к зазору пьезопластины, Возникает сжатие этой пьезопластины. Затем с задержкой t₃ напряжение подают на следующую пьезопластину и т. д. до последней. В результате возникает деформация сжатия с крутым фронтом, распространяющаяся в сторону свободной границы согласователя 6, где происходит отражение волны деформации с изменением фазы волны на 180^о, т.е. волна сжатия после отражения преобразуется в волну растяжения, распространяющуюся в сторону зазора. Через время, определяемое выражением Т = 2L/v_c + a/v₃₃, где L - толщина согласователя; v_c - скорость распространения звука в нем, происходит сброс напряжения в обратной последовательности с задержкой t₃, что приводит к еще большему увеличению амплитуды деформации.

Такое последовательное и раздельное включение пьезопластин позволяет получить волну деформации с коротким фронтом и резко сократить время включения модулятора. В данном конкретном примере при подаче импульсов напряжения до 300 В по первому способу и до 200 В по второму время включения составило 50 нс. Предлагаемый способ управления может быть реализован на любом другом модуляторе на эффекте НПВО.

Последовательность импульсов (фиг. 2) вырабатывается в генераторе управляющего напряжения, функциональная блок-схема которого представлена на фиг. 3. Генератор управляющего напряжения включает в себя устройство 10 управления, вырабатывающее заданную последовательность импульсов с временным интервалом t₃, устройство 11 согласующее, обеспечивающее необходимые энергетические параметры для управления, коммутаторы 12, обеспечивающие последовательную во времени подачу импульсов напряжения на пьезопластины 13 и после заданного интервала времени-сброс напряжения с пьезопластин.

Таким образом, использование предлагаемого способа управления модулятором оптического излучения позволяет по сравнению с традиционными способами значительно сократить время включения. Это, в свою очередь, обеспечивает возможность применения модулятора НПВО без усложнения оптической схемы излучателя в лазерах с активными средами, обладающими коэффициентом усиления выше 0,2 1/см.

Формула изобретения

1. СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МОДУЛЯТОРОМ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ на эффекте нарушения полного внутреннего отражения, выполненным из двух усеченных призм, соединенных между собой с зазором, заключающийся в приложении импульсного напряжения к пьезопреобразователям, выполненным в виде набора пьезопластин, расположенным на противоположных по отношению к зазору сторонах усеченных призм, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени включения модулятора, подают импульсы положительной полярности на каждую изолированную одна от другой изолирующей прокладкой пьезопластину, начиная с дальней от зазора пьезопластины, задержанные друг относительно друга на величину t_з, равную времени прохождения волны деформации через пьезопластину и изолирующую прокладку.

2. Способ управления модулятором оптического излучения на эффекте нарушения полного внутреннего отражения, выполненным из двух усеченных призм, соединенных между собой с зазором, заключающийся в приложении импульсного напряжения к пьезопреобразователям, выполненным в виде набора пьезопластин, расположенным на противоположных по отношению к зазору сторонах усеченных призм, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени включения модулятора и уменьшения управляющего напряжения, подаваемого на модулятор, подают импульсы отрицательной полярности на каждую изолированную одна от другой изолирующей прокладкой пьезопластину, начиная с ближней от зазора пьезопластины, задержанные друг относительно друга на величину t_з, причем длительность каждого последующего импульса короче предыдущего на величину 2t_з, а длительность самого импульса определяется суммой удвоенного времени распространения волны деформации по согласователю, расположенному на тыльной стороне пьезопреобразователя, и времени распространения волны по пьезопластине.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 01.08.2010

Дата публикации: 10.12.2011

---