Электрооптический модулятор света на продольном эффекте поккельса

 

Изобретение относится к устройствам для управления интенсивностью. Фазой и поляризацией света и может быть использовано в оптоэлектронных и фотоэлектронных устройствах, а также в прецизионной спектроскопии. Сущность изобретения: модулятор содержит последовательно установленные поляризатор и электрооптический кристалл с основными электродами, укрепленными на входном концах кристалла вдоль периметров входной и выходной граней. На боковой поверхности кристалла установленны n пар дополнительных электродов, которые подключены к основным электродам через один. Расстояние d между электродами каждой K-й пары удовлетворяет соотношению d < l, где l - расстояние между ближайшими электродами разных пар. Такая конструкция модулятора позволяет уменьшить полуволновое напряжение. 1 ил.

Электрооптический модулятор относится к устройствам для управления интенсивностью, фазой и поляризацией света и может быть использован в оптоэлектронных и фотоэлектронных устройствах, а также в прецизионной спектроскопии.

Известны различные типы электрооптических модуляторов света: на продольном или поперечном эффекте Поккельса, на эффекте Керра и др. Электрооптический модулятор, работающий на основе продольного эффекта Поккельса, имеет ряд преимуществ по сравнению с другими типами модуляторов [1]. К наиболее важным преимуществам относятся простота изготовления и устойчивость к различным возмущениям, например температурным и механическим. В то же время такие модуляторы обладают одним недостатком - высоким полуволновым напряжением U_{λ / 2}, равным управляющему напряжению, при котором разность набега фаз нормальных волн на выходе кристалла составляет 180^о (половина длины волны). Высокое полуволновое напряжение создает значительные неудобства при эксплуатации модуляторов света, так как возникает опасность пробоя между электродами, предъявляются повышенные требования к качеству изоляции, источник управляющего напряжения становится громоздким и т.д. Кроме того, сам модулятор с высоким управляющим напряжением становится источником электромагнитных помех.

Известен электрооптический модулятор, содержащий стопу электрооптических кристаллов Z-среза, разделенных электродами и установленных так, что углы между их оптическими осями составляют 90^о[2]. В данной конструкции, увеличивая число кристаллов в стопе, можно уменьшить полуволновое напряжение до требуемой величины. Недостатком этого модулятора является то, что он не пригоден для прецизионных измерений, так как в нем невозможно избавиться от интерференции света, возникающей в результате взаимодействия пучков, переотраженных от различных граней кристаллов стопы. Очень сложно добиться и соосности кристаллов в стопе, что приводит к дополнительной неконтролируемой разности набега фаз нормальных волн.

Известен также электрооптический модулятор, содержащий электрооптический кристалл Z-среза с двумя электродами, укрепленными на входном и выходном концах кристалла вдоль периметров входной и выходной граней и подключенными к разным полюсам источника управляющего напряжения [3]. Модулятор данной конструкции выбран в качестве прототипа.

Недостатком такого модулятора является неудобство его эксплуатации из-за высокого полуволнового напряжения, максимальная величина U_{λ / 2 min} которого определяется электрооптическими постоянными кристалла и длиной волны λ модулируемого излучения: U_λ/2min= , где n_o - показатель преломления обыкновенной волны в электрооптическом кристалле; r₆₃ - одна из электрооптических констант данного кристалла.

На практике полуволновое напряжение модулятора, как правило, превышает указанный предел. Уменьшая апертуру модулятора, увеличивая его длину, а также увеличивая площадь, занятую электродами, можно несколько уменьшить величину полуволнового напряжения, но сделать его меньше указанного предела в данной конструкции невозможно.

В модуляторе на продольном эффекте Поккельса, содержащем электрооптический кристалл с двумя основными электродами, укрепленными на входном и выходном концах кристалла вдоль периметров входной и выходной граней и подключенными к разным полюсам источника управляющего напряжения, согласно изобретению на боковой поверхности кристалла между основными электродами параллельно им установлены n пар дополнительных электродов, подключенных через один к основным электродам, при этом расстояние d между электродами каждой пары удовлетворяет соотношению d < l, где l - расстояние между ближайшими электродами разных пар, а также между основным электродом и ближайшим дополнительным электродом.

Уменьшение полуволнового напряжения U_{λ / 2} в предлагаемой конструкции по сравнению с прототипом может быть объяснено следующим образом.

Величина полуволнового напряжения определяется эффективной разностью потенциалов, т. е. разностью потенциалов между точками на оси Z кристалла. При установке дополнительных электродов на эквидистантных расстояниях друг от друга, т. е. при d = l (d - расстояние между электродами К-й пары; l - расстояние между ближайшими электродами разных пар), величина эффективной разности потенциалов по всей длине L кристалла, определяемая выражением E_z(0,0,Z)dZ, по сравнению с прототипом не изменяется. Однако при уменьшении расстояния d между электродами каждой пары эффективная разность потенциалов между точками на оси Z изменяется. Так, величина эффективной разности потенциалов Δ ϕ₁ между электродами К-й пары, определяемая выра жением Δϕ₁= E_z(0,0,Z)dZ, при уменьшении расстояния d уменьшается. При этом величина эффективной разности потенциалов Δ ϕ₂ между ближайшими электродами разных пар, определяемая выражением Δϕ₂= E_z(0,0,Z)dZ, не уменьшается, причем направление электрических полей по оси между ближайшими электродами разных пар и между электродами внутри пар противоположны, т.е. знаки вышеуказанных интегралов противоположны. Сумма всех эффективных разностей потенциалов вдоль оси Z по всей длине L кристалла, равная +n(-)/= E_z(0,0,Z)dZ получается больше каждой из эффективных разностей Δϕ₁ и Δ ϕ₂ и больше управляющей разности потенциалов источника управляющего напряжения.

Таким образом, при одинаковых с прототипом управляющих напряжениях предлагаемая конструкция обеспечивает внутри кристалла более высокую эффективную разность потенциалов, поэтому в модуляторе предлагаемой конструкции набег фаз нормальных волн на выходе кристалла в 180^одостигается при меньшем управляющем напряжении, т.е. полуволновое напряжение U_{λ / 2} в предлагаемой конструкции меньше, чем в прототипе.

На чертеже схематично изображен модулятор предлагаемой конструкции.

Электрооптический модулятор содержит последовательно установленные поляризатор 1 и электрооптический кристалл 2 с основными электродами 3 и 4, укрепленными на входном и выходном концах кристалла вдоль периметров входной и выходной граней, и парами дополнительных электродов (n = 2) 5 и 6. Дополнительные электроды 5 и 6 установлены на боковой поверхности кристалла 2 параллельно основным электродам 3 и 4 и подключены к ним через один. Расстояние d между электродами каждой К-й пары удовлетворяет соотношению d < l, где l - расстояние между ближайшими электродами разных пар, а также между основным электродом 3 или 4 и ближайшим дополнительным электродом. При этом за расстояние d принимается расстояние между серединами электродов каждой пары, а за расстояние l - расстояние между серединами ближайших электродов разных пар или расстояние от наружного края основного электрода 3 или 4 до середины ближайшего дополнительного электрода.

В конкретной реализации модулятора электрооптический кристалл 2 из ДКДР Z-среза снабжен одной парой дополнительных электродов (n = 1). Расстояние d между дополнительными электродами связано с расстоянием l между одним из основныx электродов 3 или 4 и ближайшим дополнительным электродом соотношением l = 13d. Величина полуволнового напряжения U_{λ / 2} без дополнительных электродов составляла 6240 В, с одной парой дополнительных электродов U_{λ / 2} = 5000 В.

Модулятор предлагаемой конструкции работает так же, как и все известные электрооптические модуляторы света, работающие на продольном эффекте Поккельса. При наложении на электрооптический кристалл 2 переменного модулирующего напряжения в кристалле возникает наведенное двулучепреломление и нормальные волны приобретают необходимую разность набега фаз, пропорциональную приложенному напряжению.

Формула изобретения

ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР СВЕТА НА ПРОДОЛЬНОМ ЭФФЕКТЕ ПОККЕЛЬСА, содержащий электрооптический кристалл с двумя основными электродами, укрепленными на входном и выходном концах кристалла вдоль периметров входной и выходной граней и подключенными к разным полюсам источника управляющего напряжения, отличающийся тем, что на боковой поверхности кристалла между основными электродами параллельно им установлены n пар дополнительных электродов, подключенных через один к основным электродам, при этом расстояние между электродами каждой пары меньше расстояния между ближайшими электродами разных пар.

РИСУНКИ

Рисунок 1