DE3820226A1

DE3820226A1 - Polarisationssensor

Info

Publication number: DE3820226A1
Application number: DE19883820226
Authority: DE
Inventors: Christopher James Duffy; Duncan Hickman
Original assignee: British Aerospace PLC
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 1987-06-18
Filing date: 1988-06-14
Publication date: 1993-10-14
Also published as: FR2690529A1; GB8714289D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Polarisationssensor, z. B. zur Feststellung von Laserlicht.

Zahlreiche Lichtquellen, sowohl Laser als auch andere Lichtquellen zeigen bestimmte charakteristische Polarisationseigenschaften und der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Polarisationssensor zu schaffen, der derartige Lichtquellen feststellt.

Gemäß der Erfindung ist ein Polarisationssensor vorgesehen, der Mittel aufweist, um ankommende optische Strahlung zu empfangen, wobei weiter Mittel vorgesehen sind, um zyklisch den Polarisationszustand der ankommenden Strahlung zu modulieren und außerdem Mittel, die das resultierende polarisationsmodulierte Signal analysieren und eine Unterscheidung zwischen einen interessierenden polarisierten Signal und zufällig polarisierten Hintergrundstrahlungssignalen ermöglicht.

Ein Polarisationssensor gemäß der Erfindung benutzt die charakteristischen Polarisationseigenschaften eines interessierenden Signals durch Polarisationsmodulationen, wodurch eine Unterscheidung zwischen einem interessierenden Signal und einem weniger polarisierten Hintergrundsignal getroffen werden kann.

Vorzugsweise bewirkt die Modulationseinrichtung eine Drehung der Polarisationsebene der ankommenden Strahlung oder eine Drehung jeder Polarisationsebene.

Gemäß dem speziell beschriebenen Ausführungsbeispiel umfaßt die Modulationsvorrichtung eine bewegliche Halbwellenplatte und Mittel, um die Halbwellenplatte zu drehen und diese Mittel werden durch einen geeigneten Antriebsmotor bewegt.

Statt dessen kann die Modulationsvorrichtung eine Faradayzelle aufweisen, die einem variablen Magnetfeld ausgesetzt wird, das längs der Ausbreitungsachse der Zelle gerichtet ist. Infolge des magnetooptischen Effektes der Faradayzelle wird die Polarisationsebene der ankommenden Strahlung über einen Winkel gedreht, der vom Wert des angelegten magnetischen Feldes abhängig ist.

Der Analysator des Polarisationssensors gemäß der Erfindung umfaßt zweckmäßigerweise Mittel, um die polarisationsmodulierte Strahlung in zwei unterschiedlich polarisierte Komponenten aufzuspalten, wobei ein photoelektrischer Detektor jede dieser Komponenten feststellt und Mittel vorgesehen sind, um ein Differenzsignal von den Ausgängen der photoelektrischen Detektoren abzuleiten.

Vorzugsweise umfaßt der Analysator einen polarisierenden Strahlteiler, der die polarisationsmodulierte Strahlung in zwei eben polarisierte Komponenten aufteilt, deren Polarisationsebenen senkrecht aufeinanderstehen. Gemäß diesem Merkmal werden die Polarisationscharakteristiken eines interessierenden Signals in intensitätsmodulierte Signale umgewandelt.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Polarisationssensors gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 zeigt ein sinusförmiges Differenzsignal, welches bei Benutzung der Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 und 2 erhalten wird.

Ein Polarisationssensor (10) gemäß Fig. 1 umfaßt die folgenden Teile:
eine Kollimatoroptik (12);
ein Spektralfilter (13);
eine drehbare Halbwellenplatte (40), die mit einem Antriebsmotor (16) verbunden ist;
einen polarisierenden Strahlteiler (18);
zwei Linsen (20, 22) zur Fokussierung der Strahlung auf jeweils einem von zwei photoelektrischen Detektoren (24, 26);
ein Differentialverstärker (28), der mit dem Ausgang der photoelektrischen Detektoren (24, 26) verbunden ist und
einen Phasendetektor (30), der mit dem Differentialverstärker (28) verbunden ist.

Der Phasendetektor (30) weist einen Lock-in-Verstärker auf, der so beschaffen ist, daß er bei Signalen mit einer vorbestimmten Frequenz einrastet. Der Phasendetektor (30) ist mit dem Antriebsmotor (16) verbunden, um ein Frequenzbezugssignal zu erhalten, das die Drehgeschwindigkeit der Halbwellenplatte anzeigt. Tatsächlich ist die Modulationsfrequenz doppelt so groß wie die Drehfrequenz der Halbwellenplatte, da die Polarisationsebene des ankommenden Signals um 2 R gedreht wird, wie dies unten beschrieben wird.

Die bei 32 ankommende Strahlung durchläuft das Spektralfilter (13), welches das Signal-Hintergrund-Verhältnis verstärkt, wenn das interessierende Signal ein schmaleres Spektrum als der Hintergrund aufweist, und die Strahlung durchläuft dann die kontinuierlich gedrehte Halbwellenplatte (14). Dies bewirkt, daß die Polarisationsebene des eben polarisierten interessierenden Signales kontinuierlich über 2 R gedreht wird, wobei R der Winkel zwischen der optischen Achse der Halbwellenplatte (14) und der Polarisationsebene des interessierenden Signales ist. Auf diese Weise wird ein Signal erzeugt, das eine sich kontinuierlich ändernde Polarisationsebene aufweist.

Die Polarisationscharakteristiken des Signals werden in eine Intensitätsmodulation umgewandelt, indem das Signal durch den Polarisationsstrahlteiler (18) geschickt wird. Nur solches Licht, das eine Komponente besitzt, die parallel zur Einfallsebene polarisiert ist, wird übertragen und vom Detektor (24) festgestellt, während jene Komponente, die senkrecht zur Einfallsebene polarisiert ist, reflektiert und am Detektor (26) festgestellt wird. Licht, das in dazwischenliegenden Orientierungen polarisiert ist, wird sowohl reflektiert als auch übertragen, je nach dem Verhältnis des Flusses längs der Komponentenachsen.

Der Differentialverstärker (28) bewirkt elektronisch, daß das Ausgangssignal des Detektor (26) vom Ausgangssignal des Detektors (24) abgezogen wird und dies führt zu einem sinusförmigen Differenzsignal, welches in Fig. 3 dargestellt ist und welches als Funktion der Drehung der Halbwellenplatte (14) moduliert wird.

Zufällig polarisierte Hintergrundstrahlung wird einfach 50 : 50 durch den Strahlteiler (18) aufgespaltet, so daß bei einer unpolarisierten Hintergrundstrahlung die Signale der Detektoren (24, 26) sich gegenseitig auslöschen.

Der Nachteil der Halbwellenplatte bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 besteht in der Wellenlängenabhängigkeit. Nur eine Wellenlänge wird mit ihrer Polarisationsebene um 2 R gedreht. Andere Wellenlängen werden in elliptisch polarisiertes Licht umgewandelt, wodurch die Modulation in der Detektorebene verringert wird. Die Halbwellenplatte kann daher durch eine Faradayzelle ersetzt werden, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. In Fig. 2 ist die Faradayzelle bei 32 dargestellt und sie umfaßt eine Spule (34), die an eine variable Stromquelle (36) angeschlossen ist. Der Phasendetektor (30) ist über eine Schwellwertstufe (35), die das Hintergrundrauschen des Verstärkers (28) unterdrückt, mit der Spannungsquelle (36) verbunden, um eine Bezugsfrequenz zu erhalten, die der Drehgeschwindigkeit der Polarisationsebene des ankommenden Signals entspricht.

Basierend auf dem magnetooptischen Effekt dreht die Faradayzelle die Polarisationsebene des Signales um Φ proportional zu dem angelegten Magnetfeld B und dies wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

Φ=B·V·d

Dabei ist V die Verdetsche Konstante und d ist die geometrische Dicke des Materials. Da die Verdetsche Konstante wellenabhängig ist, werden unterschiedliche Wellenlängen um unterschiedliche Winkel gedreht. Das Signal bleibt daher für alle Wellenlängen eben polarisiert. Wenn man eine geeignete Wechselspannungsquelle benutzt, dann kann das induzierte Magnetfeld kontinuierlich geändert werden, wodurch eine kontinuierliche Drehung der Polarisationsebene erhalten wird.

Die Wirkung der Faradayzelle hält von der Wellenlänge des eben polarisierten Signals insofern ab, als der Drehwinkel der Polarisationsebene etwa invers proportional zu dem Quadrat der Wellenlänge ist, was bewirkt, daß die Frequenz des Differenzsignals eine ähnliche Abhängigkeit erhält. Es ist für den Fachmann klar, daß ein Phasendetektor benutzt werden könnte, um selektiv die interessierende Modulationsfrequenz festzustellen, wodurch das Vorhandensein der polarisierten Strahlung einer speziellen Wellenlänge festgestellt werden kann.

Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung kann das Vorhandensein elliptisch polarisierten Lichtes in einer zufällig polarisierten Hintergrundstrahlung feststellen, aber die Wirkungen der Modulation des Polarisationszustandes wären natürlich sehr viel kleiner und daher schwerer festzustellen.

Claims

1. Polarisationssensor, dadurch gekennzeichnet, daß er Mittel aufweist, um eine eintretende optische Strahlung zu empfangen, daß Mittel vorgesehen sind, um zyklisch den Polarisationszustand der eintretenden Strahlung zu modulieren und daß das resultierende polarisations-modulierte Signal analysiert wird, um eine Unterscheidung zwischen einem interessierenden polarisierten Signal und zufällig polarisierten Hintergrundstrahlungen zu treffen.

2. Polarisationssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsvorrichtung die Polarisationsebene der ankommenden Strahlung dreht.

3. Polarisationssensor nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsmittel aus einer beweglichen Halbwellenplatte bestehen.

4. Polarisationssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Drehung der Halbwellenplatte vorgesehen sind.

5. Polarisationssensor nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung eine Faradayzelle enthält, die einem variablen Magnetfeld unterworfen wird, das längs der Ausbreitungsachse der Zelle gerichtet ist.

6. Polarisationssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Analysator Mittel aufweist, um die polarisationsmodulierte Strahlung in zwei unterschiedlich polarisierte Komponenten aufzuspalten, und daß ein photoelektrischer Detektor jede dieser Komponenten empfängt und daß Mittel vorgesehen sind, um ein Differenz-Signal von den Ausgängen der photoelektrischen Detektoren abzuleiten.

7. Polarisationssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein polarisierender Strahlteiler die polarisationsmodulierte Strahlung in zwei eben polarisierte Komponenten aufspaltet, deren Polarisationsebenen senkrecht aufeinander stehen.

8. Polarisationssensor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differentialverstärker vorgesehen ist, der das Differenzsignal liefert.

9. Polarisationssensor nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasendetektor so geschaltet ist, daß er das Differenzsignal empfängt.

10. Polarisationssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendetektor selektiv eine vorbestimmte Differenzsignalfrequenz feststellt.

11. Polarisationssensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendetektor an die zyklisch modulierende Vorrichtung angeschlossen ist.

12. Polarisationssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spektralfilter in den Strahlungspfad eingeschaltet ist.