DE3133966A1 - Electro-optical receiving antenna - Google Patents

Electro-optical receiving antenna

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Abstract

Antenna for receiving electrical and electromagnetic alternating fields in the 10 Hz to > 1 MHz frequency range, characterised in that an electro-optical crystal which is several centimetres in length is disposed between the resonator mirrors of a Fabry-Perot interferometer, is illuminated with a laser beam and the output intensity of the slightly detuned interferometer is modulated by refraction index fluctuations in the crystal caused by the incident outer fields, is converted back into an electric signal in a known manner and undergoes narrowband amplification.

Description

Elektrooptische EmpfangsantenneElectro-optical receiving antenna

Antennen dienen zum Abstrahlen oder Empfangen von elektromagnetischen Wellen. Dazu werden elektrische Leiter verwendet, deren Grösse meist in der Grössenordnung der Wellenlänge liegt.Antennas are used to emit or receive electromagnetic Waves. For this purpose, electrical conductors are used, the size of which is usually in the order of magnitude the wavelength lies.

Mit wachsenden Wellenlängen werden auch die Antennen immer grösser, oder die Antennen werden aus mehreren entfernt voneinander aufgestellten Elementen gebildet.With increasing wavelengths the antennas get bigger and bigger, or the antennas are made up of several elements placed at a distance from one another educated.

Bekannt sind Kristalle, die elektrooptische Eigenschaften haben, d.h. deren optische Konstanten durch äussere elektrische Felder verändert werden.Crystals are known which have electro-optical properties, i. whose optical constants are changed by external electric fields.

Bei Kaliumdiphosphat (KDP) z.B. variiert der Brechungsindex n für Licht mit einer von aussen überlagerten elektrischen Feldstärke.In the case of potassium diphosphate (KDP), for example, the refractive index n varies for Light with an externally superimposed electric field strength.

Bekannt sind aus der Spektroskopie Fabry-Perot-Interferometer, die aus zwei teilverspiegelten Glasplatten bestehen, die in einen festen Abstand zueinander stehen. Fällt Licht in den Zwischenraum, so wird es zwischen beiden Platten hin und her reflektiert. Da die Platten nur teilverspiegelt sind (R # 0,96), kann bei jedem Auftreffen auf eine Platte ein kleiner Teil des Lichts durch die Glasplatte hindurchtreten. Das eintretende Licht wird so in viele (bis zu 60) Parallelstrahlen konstanter Phasendifferenz aufgespalten. Werden die Lichtbündel mit einer Sammellinse vereinigt, so entstehen in der Brennebene durch Vielfachinterferenz helle und dunkle Ringe, je nach dem, ob die Teilstrahlen positiv oder negativ interferieren.Are known from spectroscopy Fabry-Perot interferometers that consist of two partially mirrored glass plates, which are at a fixed distance from each other stand. If light falls into the space in between, it goes between the two plates and here reflected. Since the plates are only partially mirrored (R. # 0.96), a small part of the light can pass through each time it hits a plate step through the glass plate. The incoming light is so in many (up to 60) Split parallel beams of constant phase difference. Become the bundle of light combined with a converging lens result in multiple interference in the focal plane light and dark rings, depending on whether the partial beams interfere positively or negatively.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antenne zum Empfang elektrischer oder elektromagnetischer Wechselfelder im Frequenzbereich von 10. Hz bis > 1MHz zu schaffen, die bei geringen Abmessungen auch für niedrigste Frequenzen eine ausreichende Empfindlichkeit besitzt.The object of the invention is to provide an antenna for receiving electrical or electromagnetic alternating fields in the frequency range from 10. Hz to> 1MHz to create, with small dimensions, sufficient for the lowest frequencies Has sensitivity.

Die Aufgabe wird durch eine Antenne gelöst, bei der ein elektrooptischer Kristall von einigen cm Länge zwischen den Resonatorspiegeln eines Fabry-Perot-Interferometers liegt, mit einem Laserstrahl beleuchtet wird und die Ausgangsintensität des geringfügig verstimmten Interferometers durch Brechungsindexschwankungen in dem Kristall, hervorgerufen durch die einfallenden äusseren Felder, moduliert und in an sichbekannter Weise in ein elektrisches Signal rückverwandelt und schmalbandig verstärkt wird.The object is achieved by an antenna in which an electro-optical Crystal a few cm long between the resonator mirrors of a Fabry-Perot interferometer is illuminated with a laser beam and the output intensity of the slightly detuned interferometer caused by refractive index fluctuations in the crystal by the incident external fields, modulated and in a manner known per se is converted back into an electrical signal and amplified in a narrow band.

Vorteile der Erfindung sind der ungewöhnlich grosse Frequenzbereich, die für lange Wellen # # 103 km extrem kleinen Abmessungen, die Möglichkeit integriert zu bauen und die ausschliessliche Verwendung schon vorhandener bekannter Bauteile.Advantages of the invention are the unusually large frequency range, the extremely small dimensions for long waves # # 103 km, the possibility integrated to build and the exclusive Use of existing ones known components.

Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.Developments of the invention are the subject matter of subclaims.

Die Erfindung wird anhand zweier Figuren näher erläutert: Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemässe Antenne, Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der Ausgangsintensität eines Fabry-Perot-Interferometers von der Phasendifferenz zweier benachbarter Teilstrahlen.The invention is explained in more detail with reference to two figures: FIG. 1 shows an antenna according to the invention, FIG. 2 shows the dependence of the output intensity of a Fabry-Perot interferometer on the phase difference between two adjacent partial beams.

Fig. 1 zeigt eine Lichtquelle 2, den Fabry-Perot-Resonator 3, bestehend aus den Glasplatten 4 und 5, die an den Flächen 6 und 7 teilverspiegelt sind, den elektrooptischen Kristall 8, eine Sammellinse 10, einen Lichtdetektor 12 und den Verstärker 14. Die Lichtquelle 2 (z.B. ein Laser, speziell ein Diodenlaser) sendet einen Lichtstrahl 9 einer bestimmten Wellenlänge mit einem Einfallswinkel nahe 0° in den Resonator 3. Dort erleidet dieser Vielfachreflexionen und wird in viele parallele Teilstrahlen 11 aufgespalten. Die Phasendifferenz # der einzelnen Teilstrahlen ist von der optischen Wegdifferenz d (7-6-7) und damit vom Brechungsindex n des Kristalls 8 abhängig. Der Brechungsindex n variiert mit dem elektrischen Feld der einfallenden elektromagnetischen Strahlung, die empfangen wird.Fig. 1 shows a light source 2, the Fabry-Perot resonator 3, consisting from the glass plates 4 and 5, which are partially mirrored on the surfaces 6 and 7, the electro-optic crystal 8, a collecting lens 10, a light detector 12 and the Amplifier 14. The light source 2 (e.g. a laser, especially a diode laser) transmits a light beam 9 of a certain wavelength with an angle of incidence close to 0 ° in the resonator 3. There it suffers multiple reflections and is in many parallel Partial beams 11 split. The phase difference # of the individual partial beams is on the optical path difference d (7-6-7) and thus on the refractive index n of the crystal 8 dependent. The refractive index n varies with the electric field of the incident electromagnetic radiation that is received.

Die Phasendifferenz # bestimmt die durchgelassene Gesamtintensität J des Lichtes gemäss der Gleichung 1: Gleichung 1 mit Jo = einfallende Intensität R = Reflexionsvermögen der Flächen 6, 7 Gleichung 2 # =Phasendifferenz n = Brechungsindex innerhalb des Resonators d = Plattenabstand #L =Lichtwellenlänge Gleichung 1 gibt die Intensität der von der Sammellinse 10 vereinigten Teilstrahlen an. Diese Intensität wird von dem Strahlungsdetektor 12 (z.B. einer Photodiode) registriert, d.h. in ein elektrisches Signal übersetzt und an einen schmalbandigen Verstärker geleitet.The phase difference # determines the total transmitted intensity J of the light according to equation 1: equation 1 where Jo = incident intensity R = reflectivity of surfaces 6, 7 Equation 2 # = phase difference n = refractive index within the resonator d = plate spacing #L = light wavelength Equation 1 specifies the intensity of the partial beams combined by the converging lens 10. This intensity is registered by the radiation detector 12 (for example a photodiode), that is to say translated into an electrical signal and passed to a narrow-band amplifier.

Der nicht ganz senkrechte Lichteinfall der Fig. 1 wurde nur aus Gründen der Anschaulichkeit gewählt und ist für die Funktion unwesentlich. Die Antenne arbeitet auch bei senkrechtem Einfall. Da alle Teilstrahlen dann auf einer Linie liegen, kann dann die Linse 10 weggelassen werden.The incidence of light in FIG. 1, which is not entirely perpendicular, was only used for reasons chosen for clarity and is not essential for the function. The antenna is working even with perpendicular incidence. Since all partial beams then lie on one line, the lens 10 can then be omitted.

Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der Intensität hinter dem Resonator von der Phasendifferenz #, ist also eine graphische Darstellung der Gleichung 1.Fig. 2 shows the dependence of the intensity behind the resonator from the phase difference #, is thus a graphical representation of Equation 1.

Eingezeichnet ist der "Arbeitspunkt" 14 auf der Flanke eines Maximums 16. Der Resonator ist also nicht exakt auf die Lichtwellenlänge abgestimmt, sondern etwas verstimmt. Schon eine geringe Änderung von S bewirkt wegen der für R nahe 1 sehr steilen Flanke des Maximums 16 eine relativ grosse Änderung in der Intensität des Lichts. Darüber hinaus bewirkt eine kleine Änderung von n, hervorgerufen durch die einfallenden elektromagnetischen Felder, wegen d »#L eine relativ grosse Änderung von # und damit insgesamt auch eine grosse Änderung von J.The “working point” 14 is drawn in on the flank of a maximum 16. The resonator is therefore not matched exactly to the light wavelength, but rather somewhat upset. Even a slight change in S causes it to be close to R. 1 very steep flank of the maximum 16 a relatively large change in intensity of light. In addition, a small change in n causes evoked by the incident electromagnetic fields, because of d »#L a relatively large change from # and thus also a big change from J.

So lassen sich einfallende elektromagnetische Felder mit einer Stärke von 10 µV/m als Intensitätsänderungen von 10-6 noch sicher detektieren.In this way, incident electromagnetic fields with a strength of 10 µV / m as changes in intensity of 10-6 can still be reliably detected.

Bei einer bevorzugten Ausführung werden die Endflächen des elektromagnetischen Kristalls 8 verspiegelt und ersetzen so die beiden Glasplatten 4 und 5. Dieser kompakte Aufbau hält auch bei mechanischen Erschütterungen den erforderlichen festen Abstand d der Spiegel ein.In a preferred embodiment, the end faces of the electromagnetic Crystal 8 is mirrored and thus replace the two glass plates 4 and 5. This compact one The structure maintains the required fixed distance even in the event of mechanical vibrations d the mirror a.

Als Lichtquelle 2 dient ein integriert angebrachter Diodenlaser, als Lichtdetektor 12 ein integrierter Halbleiterdetektor.An integrated diode laser is used as the light source 2 Light detector 12 is an integrated semiconductor detector.

Zur Erhöhung der Auflösung können Rückkopplungsschaltungen verwendet werden.Feedback circuits can be used to increase the resolution will.

.Zum Herausfiltern von Störungen, die durch Wellenlängenschwankungen der Lichtquelle verursacht sind, können zwei erfindungsgemässe Antennen verwendet werden, von denen eine elektrisch abgeschirmt ist, und die beiden Ausgangssignale rechnerisch miteinander verglichen werden.To filter out interferences caused by wavelength fluctuations caused by the light source, two antennas according to the invention can be used one of which is electrically shielded, and the two output signals can be mathematically compared with each other.

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Claims (5)

Patentansprüche: Antenne zum Empfang elektrischer und elektromagnetischer Wechselfelder im Frequenzbereich 10 Hz bis > 1MHz, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrooptischer Kristall (8) von einigen cm Länge zwischen den Resonatorspiegeln (4, 5) -enesF-abry-Perot-Interferometers (3) liegt, mit einem Laserstrahl beleuchtet wird und die Ausgangsintensität des geringfügig verstimmten Interferometers (3) durch Brechungsindexschwankungen in dem Kristall (8), hervorgerufen durch die einfallenden äusseren Felder, moduliert und in an sich bekannter Weise in ein elektrisches Signal rückverwandelt und schmalbandig verstärkt wird.Claims: Antenna for receiving electrical and electromagnetic signals Alternating fields in the frequency range 10 Hz to> 1MHz, characterized in that an electro-optical crystal (8) a few cm in length between the resonator mirrors (4, 5) -enesF-abry-Perot interferometer (3) is illuminated with a laser beam and the output intensity of the slightly detuned interferometer (3) by fluctuations in the refractive index in the crystal (8) caused by the incident external fields, modulated and in a manner known per se into an electrical signal is reconverted and amplified in a narrow band. 2. Elektrooptische Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endflächen des elektrooptischen Kristalls (8) verspiegelt und als Resonatorspiegel (4, 5) verwendet werden.2. Electro-optical antenna according to claim 1, characterized in that that the end faces of the electro-optical crystal (8) are mirrored and used as a resonator mirror (4, 5) can be used. 3. Elektrooptische Antenne nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle (2) ein Diodenlaser verwendet wird, der unmittelbar mit dem Fabry-Perot-Resonator (3) verbunden ist und als Detektor (12) ein ebenfalls integrierter Halbleiterdetektor verwendet wird.3. Electro-optical antenna according to Claims 1 and 2, characterized in that that the light source (2) is a diode laser is used, the immediate is connected to the Fabry-Perot resonator (3) and also a detector (12) integrated semiconductor detector is used. 4. Elektrooptische Antenne nach Ansprüchen 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass das schmalbandig verstärkte Ausgangssignal zur Frequenzmodulation der Eingangsintensität rückgekoppelt wird.4. Electro-optical antenna according to claims 1 - 3, characterized in that that the narrowband amplified output signal for frequency modulation of the input intensity is fed back. 5. Elektrooptische Antenne nach Ansprüchen 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei parallele Resonatoren betrieben werden, von denen der eine zur Kompensation von wellenlängenschwankungsbedingten Störungen elektrisch abgeschirmt ist.5. Electro-optical antenna according to claims 1 - 4, characterized in that that two parallel resonators are operated, one of which is used for compensation is electrically shielded from interference caused by wavelength fluctuations.
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