Способ отклонения светового пучка

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к устройствам управления параметрами оптического излучения, и может быть использовано в устройствах вычислительной техники и систем управления. Способ отклонения светового пучка заключается в том, что световой пучок пропускают через пластину из электрооптического материала с нанесенными на ее поверхность управляющими электродами, подключенными к различным потенциалам, формирующим отклоняющую ступенчатую квазитреугольную фазовую функцию, устанавливают вторую пластину из электрооптического материала, контактирующую с управляющими электродами, и световой пучок пропускают через обе пластины. Направление распространения светового пучка выбирают наклонным к поверхности пластин. Технический результат - увеличение углов отклонения. 3 ил.

 

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к устройствам управления параметрами оптического излучения, и может быть использовано в устройствах вычислительной техники и систем управления.

Известен способ отклонения светового пучка (Патент США №4639091, МПК G02F 1/137, опубл. 27.01.1987), заключающийся в том, что световой пучок пропускают через электрооптический материал в виде плоского слоя жидкокристаллического материала с нанесенными на одну или обе его поверхности управляющими электродами, подключенными к различным потенциалам с целью формирования отклоняющей ступенчатой квазитреугольной фазовой функции.

Недостатком данного способа отклонения являются малые углы отклонения, равные по порядку величины arcsin(λ/(Nd)), где λ - длина волны светового пучка, м; N - число градаций фазовой функции, равное количеству электродов, образующих период отклоняющей ступенчатой квазитреугольной фазовой функцией; d - период электродов, м. Например, для d=10 мкм, N=3, λ=0,633 мкм угол отклонения равен всего 1,21°, что ограничивает применение данного способа отклонения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ отклонения светового пучка (Патент США №5093747, МПК H01Q 19/06, опубл. 03.03.1992), заключающийся в том, что световой пучок пропускают через пластину из электрооптического материала с нанесенными на ее поверхность управляющими электродами, подключенными к различным потенциалам, формирующим отклоняющую ступенчатую квазитреугольную фазовую функцию.

Недостатком данного способа отклонения, как и в предыдущем случае, являются малые углы отклонения в десятые доли - единицы градуса, что ограничивает применение данного способа отклонения.

Целью изобретения является увеличение углов отклонения светового пучка.

Данная цель достигается за счет того, что в способе отклонения светового пучка, заключающемся в том, что световой пучок пропускают через пластину из электрооптического материала с нанесенными на ее поверхность управляющими электродами, подключенными к различным потенциалам, формирующим отклоняющую ступенчатую квазитреугольную фазовую функцию, согласно предложенному техническому решению, дополнительно устанавливают вторую пластину из электрооптического материала, контактирующую с управляющими электродами, а световой пучок пропускают через обе пластины, причем направление распространения светового пучка выбирают наклонным к поверхности пластин.

Способ отклонения светового пучка поясняется чертежами,

где на Фиг.1 изображен вид сбоку устройства для осуществления заявляемого способа, где 1 - световой пучок, 2 - пластина из электрооптического материала с нанесенными на ее поверхность управляющими электродами, 3 - управляющие электроды, 4 - вторая пластина из электрооптического материала, 5 - отклоненный световой пучок.

на Фиг.2 изображены фазовые функции, формируемые при наклонном падении светового пучка, поляризованного в yz-плоскости, на пластину из электрооптического материала - z-среза кристалла ниобата бария стронция Ba_0,25Si_0,75Nb₂O₆, причем углы падения равны: 1 - 4π/16,

2 - 5π/16, 3 - 6π/16, 4 - 7π/16, межэлектродный зазор а=5 мкм, ширина электрода b=5 мкм, толщина электродов h=0,1 мкм, а управляющие электроды параллельны х-оси кристалла,

на Фиг.3 изображены фазовые функции, формируемые согласно предложенному техническому решению при наклонном падении светового пучка, поляризованного в yz-плоскости, на обе пластины из электрооптического материала - z-среза кристалла ниобата бария стронция Ba_0,25Sr_0,75Nb₂O₆, причем углы падения равны: 1 - 4π/16,

2 - 5π/16, 3 - 6π/16, 4 - 7π/16, межэлектродный зазор а=5 мкм, ширина электрода b=5 мкм, толщина электродов h=0,1 мкм, а управляющие электроды параллельны х-оси кристалла.

Способ осуществляют следующим образом.

Световой пучок 1 пропускают через пластину из электрооптического материала 2 с нанесенными на ее поверхность управляющими электродами 3 и вторую пластину из электрооптического материала 4, контактирующую с управляющими электродами 3. При этом направление распространения светового пучка 1 выбирают наклонным к поверхности пластин 2, 4. Управляющие электроды 3 подключаются к различным потенциалам, например, вида …, U, 0, 0, U, …, формирующим отклоняющую ступенчатую квазитреугольную фазовую функцию с несколькими градациями фазы, вызывающую отклонение светового пучка 1.

Пример. Рассмотрим отклоняющий элемент на основе z-среза электрооптического кристалла Ba_0,25Sr_0,75Nb₂O₆. На поверхность пластины из электрооптического материала параллельно оси х кристалла нанесены управляющие электроды в виде одномерной прямоугольной решетки. Ширина электрода составляет b=5 мкм, толщина электродов h=0,1 мкм, межэлектродный зазор а=5 мкм. На управляющие электроды поданы потенциалы вида …, U, 0, 0, U, …, формирующие ступенчатую квазитреугольную фазовую функцию с тремя градациями фазы N=3. Разность потенциалов между соседними электродами формирует в межэлектродном зазоре неоднородное электрическое поле с z- и у-составляющими E_z и Е_у, изменяющими показатель преломления электрооптического материала. Уравнение эллипсоида показателей преломления для рассматриваемого случая имеет вид:

$$\left(\frac{1}{n_0^2}+r_{13}{E}_z\right)x^2+\left(\frac{1}{n_0^2}+r_{13}{E}_z\right)y^2+\left(\frac{1}{n_e^2}+r_{33}{E}_z\right)z^2+2yz{r}_{51}{E}_y=\mathrm{1,}\left(\text{1}\right)$$

где n₀, n_e - обыкновенный и необыкновенный показатели преломления соответственно; r₁₃, r₃₃, r₅₁ - электрооптические коэффициенты, для λ=0,633 мкм равные соответственно 67·10^-12, 1340·10^-12, 42·10^-12 м/В для частот порядка единиц - десятков кГц (Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах: Пер. с англ. - М.: Мир, 1987. - 616 с.). Запишем уравнение индикатрисы в плоскости yz, полагая, что угол падения β=0° соответствует нормальному падению у-поляризованного излучения на плоскость yz:

$$\{\begin{array}{l}\left(\frac{1}{n_0^2}+r_{13}{E}_z\right)y^2+\left(\frac{1}{n_e^2}+r_{33}{E}_z\right)z^2+2yz{r}_{51}{E}_y=\mathrm{1,}\left(\text{2}\right)\\ z=y\cdot tg\left(\beta \right)\text{. }\end{array}$$

где β - угол падения светового пучка на поверхность электрооптического материала, на которую нанесены управляющие электроды.

Выразим из (2) показатель преломления оптического излучения, поляризованного в yz-плоскости:

$$n_{yz}=\frac{n_0{n}_e}{cos\left(\beta \right)\sqrt{t{g}^2\left(\beta \right)n_0^2+n_0^2{n}_e^2{r}_{13}{E}_z+n_e^2+t{g}^2\left(\beta \right)n_0^2{n}_e^2{r}_{33}{E}_z+2tg\left(\beta \right)n_0^2{n}_e^2{r}_{51}{E}_y}},\left(3\right)$$

Согласно (3) при β=0° и Е_у, E_z=0 показатель преломления n_yr=n₀, а при β→90° n_yr→n_e, что подтверждает верность вывода формулы (3).

На Фиг.2 показаны фазовые функции, рассчитанные на основе формулы (3) и неоднородного распределения электрического поля Е_у, E_z. На поверхность пластины параллельно х-оси кристалла нанесены управляющие электроды в виде одномерной прямоугольной решетки. Ширина электрода составляет b=5 мкм, толщина электродов h=0,1 мкм, межэлектродный зазор а=5 мкм. Управляющие электроды подключены к потенциалам вида …, U, 0, 0, U, …, формирующим ступенчатую квазитреугольную фазовую функцию с тремя градациями фазы N=3. Кривая 1 на Фиг.2 соответствует углу падения светового пучка β=4π/16, кривая 2 - β=5π/16, кривая 3 - β=6π/16, кривая 4 - 7π/16. Фазовые функции характерны для случая только одной пластины из электрооптического материала. Из данных Фиг.2 следует, что использование наклонного падения приводит к нарушению вида отклоняющей ступенчатой квазитреугольнойй фазовой функции и, следовательно, нарушению отклонения светового пучка.

На Фиг.3 показаны фазовые функции, формируемые согласно предложенному техническому решению для случая z-среза кристалла Ba_0,25Sr_0,75Nb₂O₆ и светового пучка, поляризованного в yz-плоскости. На поверхность пластины параллельно х-оси кристалла нанесены управляющие электроды в виде одномерной прямоугольной решетки. Ширина электрода составляет b=5 мкм, толщина электродов h=0,1 мкм, межэлектродный зазор а=5 мкм. Управляющие электроды подключены к потенциалам вида …, U, 0, 0, U, …, формирующим отклоняющую ступенчатую квазитреугольную фазовую функцию с тремя градациями фазы N=3. Кривая 1 на Фиг.3 соответствует углу падения светового пучка β=4π/16, кривая 2 - β=5π/16, кривая 3 - 6π/16, кривая 4 - 7π/16. Из данных Фиг.3 следует, что при использовании наклонного падения светового пучка и второй пластины из электрооптического материала сохраняется ступенчатый квазитреугольный вид отклоняющей фазовой функции. Следовательно, реализуется отклонение светового пучка. При этом за счет наклонного падения увеличивается угол отклонения α=arcsin(-λ/(N*d)+sin(β)) (-1 дифракционный максимум), где β - угол падения светового пучка, град.; λ - длина волны светового пучка, м; N - число электродов, образующих элемент апертуры со ступенчатой квазитреугольной фазовой функцией; d - период электродов, м. Для z-среза кристалла Ba_0,25Sr_0,75Nb₂O₆ и светового пучка, поляризованного в yz-плоскости, при углах падения β=6π/16…7π/16 (67,5…78,8°), λ=0,633 мкм, а=b=5 мкм, d=10 мкм, N=3 углы отклонения увеличиваются в 1,7…6 раз по сравнению с нормальным падением светового пучка и при одинаковых потенциалах управляющих электродов.

Способ отклонения светового пучка, заключающийся в том, что световой пучок пропускают через пластину из электрооптического материала с нанесенными на ее поверхность управляющими электродами, подключенными к различным потенциалам, формирующим отклоняющую ступенчатую квазитреугольную фазовую функцию, отличающийся тем, что дополнительно устанавливают вторую пластину из электрооптического материала, контактирующую с управляющими электродами, а световой пучок пропускают через обе пластины, причем направление распространения светового пучка выбирают наклонным к поверхности пластин.