RU164126U1 - Устройство для определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла - Google Patents

Abstract

Устройство для определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла, представляющее собой источник излучения, одну оптическую ветвь, содержащую последовательно расположенные вдоль ее оптической оси и оптически связанные между собой поляризатор, исследуемый электрооптический кристалл, перестраиваемый компенсатор набега фаз, анализатор, систему фотодетектирования, а также блок управления, первый вход которого электрически соединен системой фотодетектирования, и высоковольтный источник питания, выход которого электрически соединен с упомянутым кристаллом, причем плоскости пропускания поляризатора, перестраиваемого компенсатора и анализатора параллельны, расположены в первом и третьем квадрантах и составляют с вертикальной осью угол α=45°, оптическая ось Z исследуемого электрооптического кристалла ориентирована вертикально, отличающееся тем, что в него дополнительно введена вторая идентичная оптическая ветвь с системой зеркал, узкополосный перестраиваемый фильтр, делительный кубик и электромеханический поворотный столик, при этом узкополосный перестраиваемый фильтр и делительный кубик установлены последовательно между источником излучения и поляризатором первой оптической ветви, электромеханический поворотный столик установлен между поляризатором и упомянутым компенсатором первой оптической ветви, оси первой и второй оптических ветвей перпендикулярны и пересекаются в исследуемом электрооптическом кристалле, установленном на упомянутом поворотном столике, выход источника излучения оптически связан с первым входом узкополосного перестраиваемого фильтра, выход

Description

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и предназначена для классификации электрооптических кристаллов.

Общеизвестно, что определение электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла основано на измерении разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами при приложении электрического напряжения к граням кристалла. Разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами приобретается при прохождении излучения через электрооптический кристалл:

где

- длина кристалла вдоль распространения излучения, λ - длина волны излучения, Δn - величина двулучепреломления, создаваемая электрическим полем.

Разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами зависит от длины электрооптического кристалла, длины волны излучения и естественного двулучепреломления кристалла. Величина двулучепреломления электрооптического кристалла изменяется несколькими способами либо путем его поворота вокруг вертикальной оси, перпендикулярной направлению распространения излучения, либо путем изменения длины волны излучения, либо путем приложения электрического поля к граням электрооптического кристалла:

где

- напряженность электрического поля, U - электрическое напряжение, d - длина кристалла в направлении приложения электрического напряжения, n_o и n_e - показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно, r₁₃ и r₃₃ - электрооптические коэффициенты кристалла.

Известны два метода определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла: интерферометрический (интерферометр Май-кельсона, Маха-Цендера, Фабри-Перо) и поляризационный (метод Сенармона).

Проблема заключается в высокой погрешности определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла за счет недостаточной точности ориентации кристаллофизических осей электрооптического кристалла по отношению к прикладываемому электрическому напряжению и направлению распространения излучения в устройстве при определении набега фаз.

Известно устройство для определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла, принцип работы которого основан на интерферометрическом методе (интерферометр по схеме Маха-Цендера) [Seoung Hun Lee, Seung Hwan Kim, Kyong Hon Kim, Min Нее Lee, and El-Hang Lee. A novel method for measuring continuous dispersion spectrum of electro-optic coefficients of nonlinear materials // Optics express, 2009, Vol. 17, №12, c. 9828-9833].

Устройство для определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла содержит источник когерентного гомоцентрического излучения, две оптических ветви интерферометра, оптический разветвитель, волоконно-оптический коммутатор, систему обработки измерений и высоковольтный источник питания. Каждая оптическая ветвь интерферометра включает последовательно расположенные и оптически связанные поляризатор и приемник излучения.

Выход источника излучения соединен с входом оптического разветвителя, один выход которого оптически связан с поляризатором одной оптической ветви интерферометра, второй выход оптически связан с поляризатором второй оптической ветви интерферометра. Выходы поляризаторов обеих ветвей интерферометра оптически связаны с входами волоконно-оптического коммутатора, выход которого соединен с системой обработки измерений.

При определении электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла исследуемый электрооптический кристалл установлен между поляризатором и приемником излучения одной из оптических ветвей интерферометра. При этом высоковольтный источник питания электрически связан с электрооптическим кристаллом.

Определение электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла основано на измерении разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами, при приложении электрического напряжения к граням кристалла, по интерференционной картине, которая соответствует прикладываемому напряжению.

Устройство для определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла работает следующим образом.

Для определения электрооптических коэффициентов в качестве электрооптического кристалла выбран ниобат лития. Исследуемый кристалл устанавливается в одну из оптических ветвей интерферометра после поляризатора с такой ориентацией, что волновой вектор световой волны направлен вдоль кристаллофизической оси Y кристалла, а вектор напряженности электрического поля световой волны лежит в плоскости главного сечения кристалла.

Таким образом, вектор напряженности электрического поля световой волны параллелен кристаллофизической оси Z кристалла. Свет от источника когерентного гомоцентрического излучения, попадая в оптический разветвитель, делится в нем на два пучка равной интенсивности. Оба пучка излучения попадают на соответствующие поляризаторы, в которых поляризация излучения преобразуется в линейную поляризацию с одинаковой ориентацией в пространстве. В одной ветви интерферометра линейно поляризованное излучение после поляризатора попадает в приемник излучения, и далее в волоконно-оптический коммутатор.

Во второй оптической ветви интерферометра линейно поляризованное излучение попадает в кристалл, на выходе из которого между обыкновенным и необыкновенным лучами образуется набег фаз

. Преобразованное излучение после поляризатора попадает в соответствующий приемник излучения, и далее в волоконно-оптический коммутатор.

В волоконно-оптическом коммутаторе излучение от двух оптических ветвей интерферометра суммируется, в результате чего результирующее излучение имеет пространственное распределение интенсивности в виде светлых и темных полос интерференционной картины. Суммарное излучение поступает в систему обработки измерений, в которой оно визуализируется в виде чередующихся светлых и темных полос интерференционной картины.

Для получения зависимости набега фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами от прикладываемого электрического напряжения к граням кристалла подается электрическое напряжение от высоковольтного источника питания.

Для определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла ниобата лития r₁₃ и r₃₃ излучение направляется вдоль кристаллофизической оси Y кристалла, а электрическое напряжение прикладывается вдоль кристаллофизической оси X и Z кристалла соответственно.

При приложении электрического напряжения к граням электрооптического кристалла происходит изменение разности показателей преломления между обыкновенным и необыкновенным лучами Δn (2) за счет электрооптического эффекта, что приводит к набегу фаз между ними. Из-за набега фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами изменяется пространственное распределение интенсивности в суммарном излучении на выходе из волоконно-оптического коммутатора. Система обработки измерений отображает изменение пространственного распределения интенсивности в виде смещения интерференционных полос.

Зависимость между смещением интерференционных полос, из-за набега фаз, и прикладываемым электрическим напряжением к электрооптическому кристаллу прямо пропорциональная. Электрооптические коэффициенты r₁₃ и r₃₃ определяются из формулы

где λ - длина волны излучения, d - длина кристалла вдоль приложения электрического напряжения, U - прикладываемое электрическое напряжение,

-длина кристалла вдоль распространения излучения, n_o - показатель преломления для обыкновенного луча, Δφ - набег фаз.

Электрооптические коэффициенты определяются по известным геометрическим параметрам электрооптического кристалла и по показателю преломления для обыкновенного луча. При определенном значении прикладываемого электрического напряжения по интерференционной картине определяется набег фаз с учетом разности фаз, приобретенной при прохождении излучения через электрооптический кристалл без приложения электрического напряжения.

Достоинством устройства для определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла является простота измерений набега фаз и определение электрооптических коэффициентов кристалла.

Недостатком устройства для определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла является невысокая точность определения электрооптических коэффициентов кристалла. Это обусловлено:

- во-первых, высокой погрешностью за счет выбора принципа определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла, основанного на геометрическом смещении интерференционных полос при приложении электрического напряжения к граням кристалла;

- во-вторых, высокой погрешностью за счет недостаточной точности ориентации кристаллофизических осей электрооптического кристалла по отношению к прикладываемому электрическому напряжению и направлению распространения излучения в устройстве при определении набега фаз.

При погрешности определения набега фаз по смещению интерференционных полос на π/180 погрешность определения электрооптических коэффициентов кристалла составляет 4-5%. При этом если кристалл ориентирован с погрешностью 1-2 угловых градуса по отношению к прикладываемому электрическому напряжению и направлению распространения излучения, то погрешность определения электрооптических коэффициентов кристалла увеличивается еще на 4-5%.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла, принцип работы которого основан на поляризационном методе (метод Сенармона) [Maha A. Rahma Haitham L. Saadon and Ali F. Marhoon. Frequency and Wavelength Dependences of the Electro-optic Coefficients r₆₃ and r₄₁ in Congruent KDP Crystals // Iraqi J. Laser, Part A, Vol. 12, pp. 7-13 (2013)].

Устройство для определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла содержит последовательно расположенные источник когерентного гомоцентрического излучения, поляризатор, исследуемый электрооптический кристалл, компенсатор набега фаз, анализатор, систему фотодетектирования, блок управления и высоковольтный источник питания.

Последовательно расположенные источник излучения, поляризатор, исследуемый электрооптический кристалл, компенсатор набега фаз, анализатор, система фотодетектирования оптически связаны между собой. Электрооптический кристалл электрически связан с высоковольтным источником питания, а система фотодетектирования и анализатор электрически связаны с блоком управления.

Плоскости пропускания поляризатора, перестраиваемого компенсатора и анализатора параллельны, расположены в первом и третьем квадрантах и составляют с вертикальной осью угол α=45°. Оптическая ось Z исследуемого электрооптического кристалла ориентирована вертикально.

Определение электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла основано на измерении интенсивности излучения, прошедшего через устройство. Величина интенсивности излучения, прошедшего через устройство зависит от набега фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами, при приложении электрического напряжения к граням кристалла.

Для определения электрооптических коэффициентов в качестве электрооптического кристалла выбран дигидрофосфат калия с разными геометрическими размерами. Для определения электрооптических коэффициента г₆з кристалл имел размеры 4×10×4 мм³ с 45° Y-срезом; для определения электрооптических коэффициента r₄₁ - 5×10×4 мм³ с Y-срезом; для определения электрооптических коэффициента r₄₁ - 10×5×4 мм с 0° Х-среза.

В качестве компенсатора набега фаз выбрана четвертьволновая пластинка.

Устройство для определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла работает следующим образом.

Исследуемый кристалл устанавливается между поляризатором и компенсатором набега фаз, так чтобы излучение распространялось вдоль его линейного размера 10 мм.

За счет нарушения ориентации кристаллофизических осей электрооптического кристалла по отношению к прикладываемому электрическому напряжению и направлению распространения излучения электрооптические коэффициенты электрооптического кристалла определяются с высокой погрешностью.

Источник излучения посылает когерентное гомоцентрическое излучение на вход поляризатора. Поляризатор преобразует когерентное гомоцентрическое излучение в линейно поляризованный свет, который поступает на входную грань электрооптического кристалла. На выходе из электрооптического кристалла излучение приобретает разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами Δφ (1). Так как ориентация плоскости пропускания поляризатора и оптической оси электрооптического кристалла составляет 45°, то на выходе из кристалла излучение имеет в общем виде эллиптическую поляризацию. Затем излучение поступает на вход компенсатора набега фаз, который преобразует эллиптическую поляризацию излучения в линейную поляризацию. После компенсатора набега фаз линейно поляризованное излучение поступает на вход анализатора. На выходе из анализатора излучение также имеет линейную поляризацию, но в плоскости пропускания анализатора. Затем излучение поступает в систему фотодетектирования для преобразования в электрический ток, соответствующий интенсивности излучения, которая подается в блок управления для его фиксирования.

Блок управления подает сигнал на анализатор для вращения его плоскости пропускания на 360°. При вращении плоскости пропускания анализатора происходит изменение величины интенсивности прошедшего излучения от некоторого минимального значения I_min до максимального значения I_max, которое при каждом угле плоскости пропускания анализатора фиксируется блоком управления.

Для получения зависимости набега фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами от прикладываемого электрического напряжения к граням кристалла, перпендикулярным его оптической оси Z, подается изменяющееся во времени электрическое напряжение от высоковольтного источника питания.

При приложении электрического напряжения к граням электрооптического кристалла происходит изменение разности показателей преломления между обыкновенным и необыкновенным лучами Δn за счет электрооптического эффекта, что приводит к набегу фаз между ними. Из-за набега фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами изменяется величина интенсивности излучения I_p, попадающего в систему фотодетектирования.

Электрооптические коэффициенты определяются из формулы

где λ - длина волны излучения, d - длина кристалла вдоль приложения электрического напряжения, U - прикладываемое электрическое напряжение,

- длина кристалла вдоль распространения излучения, n - показатель преломления кристалла, I₀=I_max-I_min полная интенсивность излучения,

- глубина модуляции излучения.

Электрооптические коэффициенты определяются по известным геометрическим размерам электрооптического кристалла, по показателю преломления, по значению прикладываемого электрического напряжения и по глубине модуляции излучения. Каждому значению прикладываемого электрического напряжения соответствует свое значение глубины модуляции.

Достоинством устройства для определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла является повышение точности определения электрооптических коэффициентов кристалла за счет выбора принципа определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла, основанного на измерении интенсивности излучения при приложении электрического напряжения к граням кристалла.

Однако точность определения электрооптических коэффициентов кристалла остается недостаточной за счет нарушения ориентации кристаллофизических осей электрооптического кристалла по отношению к прикладываемому электрическому напряжению и направлению распространения излучения в устройстве при определении набега фаз.

При погрешности измерения интенсивности излучения, прошедшего устройство для определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла в 1-2%, погрешность определения электрооптических кристаллов составляет 1-2%. При этом если кристалл ориентирован с погрешностью 1-2 угловых градуса по отношению к прикладываемому электрическому напряжению и направлению распространения излучения, то погрешность определения электрооптических коэффициентов кристалла увеличивается еще на 4-5%.

Задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в разработке устройства для определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла с повышенной точностью определения электрооптических коэффициентов кристалла за счет устранения нарушения ориентации кристаллофизических осей исследуемого электрооптического кристалла по отношению к прикладываемому электрическому напряжению и направлению распространения излучения в устройстве при определении набега фаз.

Для решения поставленной задачи в устройство для определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла, представляющее собой источник излучения, одну оптическую ветвь, содержащую последовательно расположенные вдоль ее оптической оси и оптически связанные между собой поляризатор, исследуемый электрооптический кристалл, перестраиваемый компенсатор набега фаз, анализатор, систему фотодетектирования, а также блок управления, первый вход которого электрически соединен системой фотодетектирования, и высоковольтный источник питания, выход которого электрически соединен с упомянутым кристаллом, причем плоскости пропускания поляризатора, перестраиваемого компенсатора и анализатора параллельны, расположены в первом и третьем квадрантах и составляют с вертикальной осью угол α=45°, оптическая ось Z исследуемого электрооптического кристалла ориентирована вертикально, дополнительно введена вторая идентичная оптическая ветвь с системой зеркал, узкополосный перестраиваемый фильтр, делительный кубик и электромеханический поворотный столик, при этом узкополосный перестраиваемый фильтр и делительный кубик установлены последовательно между источником излучения и поляризатором первой оптической ветви, электромеханический поворотный столик установлен между поляризатором и упомянутым компенсатором первой оптической ветви, оси первой и второй оптических ветвей перпендикулярны и пересекаются в исследуемом электрооптическом кристалле, установленном на упомянутом поворотном столике, выход источника излучения оптически связан с первым входом узкополосного перестраиваемого фильтра, выход которого оптически связан с входом делительного кубика, второй вход узкополосного перестраиваемого фильтра электрически соединен с первым выходом блока управления, один выход делительного кубика оптически связан с поляризатором первой оптической ветви, а его второй выход через систему зеркал - с поляризатором второй оптической ветви, выход системы фотодетектирования второй ветви электрически соединен со вторым входом блока управления, соответствующий выход которого соединен с входом высоковольтного источника питания, вторые входы поляризатора, анализатора и перестраиваемого компенсатора набега фаз обеих оптических ветвей, а также электромеханический поворотный столик электрически соединены с соответствующими выходами блока управления.

Совокупность существенных признаков заявляемого решения отличается от совокупности существенных признаков прототипа введением в нее дополнительной идентичной оптической ветви с системой зеркал, узкополосного перестраиваемого фильтра, делительного кубика и электромеханического поворотного столика и образованием новых оптических и электрических связей между элементами устройства, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности полезной модели «новизна».

Введение в устройство для определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла дополнительной идентичной оптической ветви с системой зеркал, узкополосного перестраиваемого фильтра, делительного кубика и электромеханического поворотного столика и образование новых оптических и электрических связей между элементами устройства приводит при использовании упомянутого устройства к повышению точности определения электрооптических коэффициентов кристалла за счет устранения нарушения ориентации кристаллофизических осей исследуемого электрооптического кристалла по отношению к прикладываемому электрическому напряжению и направлению распространения излучения в устройстве при определении набега фаз. Наличие нового результата свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности полезной модели «промышленная применимость».

На фигуре представлена схема устройства для определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла, позволяющая подтвердить его работоспособность и «промышленную применимость».

Заявляемое устройство для определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла основано на изменении разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами при приложении электрического напряжения к граням исследуемого электрооптического кристалла, перпендикулярным направлению распространения излучения.

Устройство для определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла представляет собой две оптические ветви.

Первая оптическая ветвь содержит источник излучения 1, узкополосный перестраиваемый фильтр 2, делительный кубик 3, первый поляризатор 4, исследуемый электрооптический кристалл 5, первый перестраиваемый компенсатор набега фаз 6, первый анализатор 7, первую систему фотодетектирования 8, последовательно расположенные вдоль оптической оси ветви и оптически связанные между собой, а также высоковольтный источник питания 9, электромеханический поворотный столик 10.

Причем оптическая ось Z исследуемого электрооптического кристалла 5 ориентирована вертикально. Плоскости пропускания первого поляризатора 4, первого перестраиваемого компенсатора 6 и первого анализатора 7 параллельны, расположены в первом и третьем квадрантах и составляют с вертикальной осью угол α=45°. Электромеханический поворотный столик 10 выполнен с возможностью поворота в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Вторая ветвь содержит последовательно расположенные систему зеркал 11, второй поляризатор 12, второй перестраиваемый компенсатор набега фаз 13, второй анализатор 14, вторую систему фотодетектирования 15, блок управления 16.

Причем оптическая ось исследуемого электрооптического кристалла 5 ориентирована вертикально. Плоскости пропускания второго поляризатора 12, второго перестраиваемого компенсатора набега фаз 13 и второго анализатора 14 параллельны, расположены в первом и третьем квадрантах и составляют с вертикальной осью угол α=45°.

Оси оптических ветвей взаимно перпендикулярны и пересекаются в области расположения исследуемого электрооптического кристалла 5.

Источник излучения 1 представляет собой источник белого света. В качестве исследуемого электрооптического кристалла 5 выбран ниабат лития - кристалл класса симметрии 3 m, обладающий хорошими электрооптическими свойствами благодаря высоким значениям электрооптических коэффициентов.

Узкополосный перестраиваемый фильтр предназначен для вырезания одной частоты излучения из видимого диапазона и представляет собой систему анизотропных оптических кристаллов.

Каждый перестраиваемый компенсатор набега фаз 6 и 13 представляет собой систему двух анизотропных оптических кристаллов, эквивалентную перестраиваемой четвертьволновой пластинке.

Каждая система фотодетектирования 8 и 14 предназначена для преобразования интенсивности излучения в электрический ток и для определения его значения.

Блок управления 16 представляет собой ЭВМ с программой для анализа величины интенсивности излучения, прошедшего через анализаторы.

В первой оптической ветви устройства выход источника излучения 1 оптически связан с первым входом узкополосного перестраиваемого фильтра 2, а второй его вход электрически соединен с первым выходом блока управления 16.

Выход узкополосного перестраиваемого фильтра 2 оптически связан с входом делительного кубика 3, один выход которого оптически связан с входом первого поляризатора 4, а второй его выход - с входом системы зеркал 11.

Выход первого поляризатора 4 оптически связан с входной гранью электрооптического кристалла 5, перпендикулярной направлению излучения в первой оптической ветви.

Выходная грань электрооптического кристалла 5, перпендикулярная направлению излучения в первой оптической ветви, оптически связана с первым входом первого перестраиваемого компенсатора набега фаз 6, а его второй вход электрически соединен со вторым выходом блока управления 16.

Выход первого перестраиваемого компенсатора набега фаз 6 оптически связан с первым входом первого анализатора 7, а его второй вход электрически соединен с третьим выходом блока управления 16.

Выход первого анализатора 7 оптически связан с входом первой системы фотодетектирования 8. Выход первой системы фотодетектирования 8 электрически связан с первым входом блока управления 16.

Во второй оптической ветви устройства выход системы зеркал 11 оптически связан с входом второго поляризатора 12, выход которого оптически связан с входной гранью электрооптического кристалла 5, перпендикулярной направлению излучения во второй оптической ветви.

Выходная грань электрооптического кристалла 5, перпендикулярная направлению излучения во второй оптической ветви, оптически связана с первым входом второго перестраиваемого компенсатора 13, выход которого оптически связан с первым входом второго анализатора 14. Второй вход второго перестраиваемого компенсатора набега фаз 13 и второй вход второго анализатора 14 электрически соединены соответственно с четвертым и пятым выходами блока управления 16.

Выход второго анализатора 14 оптически связан с входом второй системы фотодетектированя 15, выход которой электрически связан со вторым входом блока управления 16.

Вход высоковольтного источника питания 9 электрически соединен с шестым выходом блока управления 16, а его выход электрически подключен к граням электрооптического кристалла 5, перпендикулярным его оптической оси Z.

Седьмой выход блока управления 16 электрически соединен с входом электромеханического поворотного столика 10.

При проведении исследований электрооптический кристалл 5 установлен на электромеханическом поворотном столике 10.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от источника 1 подается на перестраиваемый узкополосный фильтр 2. Узкополосный фильтр 2 вырезает из видимого диапазона спектра узкую полосу, соответствующую одной частоте излучения ν₀. Далее излучение с одной частотой подается на делительный кубик 3, в котором разделяется в пространстве на два перпендикулярных пучка равной интенсивности.

Один пучок распространяется в первой оптической ветви и подается на первый поляризатор 4, в котором излучение преобразуется в линейно поляризованное излучение с плоскостью поляризации, расположенной в первом и третьем квадрантах и составляющей с вертикальной осью угол α=45°.

Далее линейно поляризованное излучение подается на входную грань кристалла 5, перпендикулярную направлению излучения в первой оптической ветви. В этом кристалле 5 рождается два луча: обыкновенный и необыкновенный, которые на выходе из кристалла 5 приобретают разность фаз Δφ₁. Каждой длине волны излучения соответствует каждая величина разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами Δφ₁, которой соответствует определенная форма поляризованного излучения. В общем случае на выходе из электрооптического кристалла 5 излучение имеет эллиптическую поляризацию. Далее эллиптически поляризованное излучение подается на первый перестраиваемый компенсатор набега фаз 6, в котором приобретенная разность фаз Δφ₁ компенсируется и преобразуется в линейно поляризованное излучение с плоскостью поляризации, расположенной в первом и третьем квадрантах и составляющей с оптической осью электрооптического кристалла 5 (вертикальной осью) угол α≈45°.

Далее излучение поступает на первый анализатор 7, который пропускает линейно поляризованное излучение с плоскостью поляризации, расположенной в первом и третьем квадрантах и составляющей с вертикальной осью угол α=45°.

Далее излучение поступает в первую систему фотодетектирования 8, в которой излучение преобразуется в соответствующий интенсивности излучения I_p электрический ток, который подается в блок управления 16. В блоке управления 16 значение электрического тока фиксируется. После фиксации значения электрического тока блок управления 16 подает на первый анализатор 7 сигнал для поворота плоскости его пропускания на 360°.

При повороте первым анализатором 7 плоскости его пропускания на 360° интенсивность излучения на выходе из него изменяется от некоторого минимального значения I_min до некоторого максимального значения I_max. При этом значение электрического тока изменяется в соответствии с изменением интенсивности излучения I_p, что фиксируется в блоке управления 16.

При строгой вертикальной ориентации оптической оси электрооптического кристалла 5 максимальное значение интенсивности излучения I_max на выходе из первого анализатора 7 соответствует расположению его плоскости пропускания в первом и третьем квадрантах и составляющей с вертикальной осью угол α=45°. Если максимальное значение интенсивности излучения I_max на выходе из анализатора 7 не соответствует углу 45° к вертикальной оси, а соответствует некоторому отклонению угла ±Δα от 45°, то блок управления 16 подает сигнал на электромеханический поворотный столик 10. Электромеханический поворотный столик 10 поворачивается на угол ±Δα в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения в первой оптической ветви. При этом плоскость главного сечения кристалла 5 поворачивается на угол ±Δα в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения в первой оптической ветви. Затем блок управления 16 подает сигнал на первый анализатор 7 для вторичного поворота его плоскости пропускания на 360° для проверки соответствия максимального значения интенсивности излучения I_max на выходе из первого анализатора 7 углу 45° к вертикальной оси. Если соответствие выполняется, делается вывод, что оптическая ось электрооптического кристалла 5 ориентирована строго вертикально.

Второй пучок после делительного кубика 3 распространяется во второй оптической ветви и с помощью системы зеркал 11 подается на второй поляризатор 12, в котором излучение преобразуется в линейно поляризованное излучение с плоскостью поляризации, расположенной в первом и третьем квадрантах и составляющей с вертикальной осью угол α=45°.

Далее линейно поляризованное излучение подается на входную грань электрооптического кристалла 5, перпендикулярную направлению излучения во второй оптической ветви. В этом кристалле 5 рождается два луча: обыкновенный и необыкновенный, которые на выходе из кристалла 5 приобретают разность фаз Δφ₂. Каждой длине волны излучения соответствует каждая величина разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами Δφ₂, которой соответствует определенная форма поляризованного излучения. В общем случае на выходе из электрооптического кристалла 5 излучение имеет эллиптическую поляризацию. Далее эллиптически поляризованное излучение подается на второй перестраиваемый компенсатор набега фаз 13, в котором приобретенная разность фаз Δφ₂ компенсируется и преобразуется в линейно поляризованное излучение с плоскостью поляризации, расположенной в первом и третьем квадрантах и составляющей с оптической осью электрооптического кристалла 5 (вертикальной осью) угол α≈45°.

Далее излучение поступает на второй анализатор 14, который пропускает линейно поляризованное излучение с плоскостью поляризации, расположенной в первом и третьем квадрантах и составляющей с вертикальной осью угол α=45°.

Далее излучение поступает на вторую систему фотодетектирования 15, в котором излучение преобразуется в соответствующий интенсивности излучения I_p электрический ток, который подается в блок управления 16. В блоке управления 16 значение электрического тока фиксируется. После фиксации значения электрического тока блок управления 16 подает на второй анализатор 14 сигнал для поворота плоскости его пропускания на 360°.

При повороте вторым анализатором 14 плоскости его пропускания на 360° интенсивность излучения на выходе из него изменяется от некоторого минимального значения I_min до некоторого максимального значения I_max. При этом значение электрического тока изменяется в соответствии с изменением интенсивности излучения I_р, что фиксируется в блоке управления 16.

При строгой вертикальной ориентации оптической оси электрооптического кристалла 5 максимальное значение интенсивности излучения I_max на выходе из второго анализатора 14 соответствует расположению его плоскости пропускания в первом и третьем квадрантах и составляющей с вертикальной осью угол α=45°. Если максимальное значение интенсивности излучения I_max на выходе из анализатора 14 не соответствует углу 45° к вертикальной оси, а соответствует некоторому отклонению угла ±Δα от 45°, то блок управления 16 подает сигнал на электромеханический поворотный столик 10. Электромеханический поворотный столик 10 делает поворот на угол ±Δα в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения во второй оптической ветви. При этом плоскость главного сечения электрооптического кристалла 5 поворачивается на угол ±Δα в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения во второй оптической ветви. Затем блок управления 16 подает сигнал на второй анализатор 14 для вторичного поворота его плоскости пропускания на 360° для проверки соответствия максимального значения интенсивности излучения I_max на выходе из второго анализатора 14 углу 45° к вертикальной оси. Если соответствие выполняется, делается вывод, что оптическая ось электрооптического кристалла 5 ориентирована строго вертикально.

Для смены длины волны излучения блок управления 16 подает сигнал на перестраиваемый узкополосный фильтр 2, на перестраиваемый компенсатор набега фаз 6 и на перестраиваемый компенсатор набега фаз 13. Перестраиваемый узкополосный фильтр 2 вырезает из видимого диапазона спектра узкую полосу, соответствующую одной частоте излучения ν₁. Перестраиваемые компенсаторы набега фаз 6 и 13 настраиваются на частоту излучения ν₁, которой будет соответствовать приобретаемая разность фаз Δφ₃ и Δφ₄ соответственно. Далее алгоритм действий работы устройства для определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла повторяется.

Электрооптические коэффициенты электрооптического кристалла определяются по результатам измерения интенсивности, полученным при прохождении излучения в первой оптической ветви, по формуле

где λ - длина волны излучения, d - длина электрооптического кристалла вдоль приложения электрического напряжения U, L - длина электрооптического кристалла вдоль распространения излучения, n - показатель преломления кристалла, I_р - измеряемая интенсивность излучения, I_max и I_min - максимальное и минимальное значение интенсивности излучения соответственно.

Для определения электрооптического коэффициента r₃₃ электрическое напряжение прикладывается к граням электрооптического кристалла вдоль кристаллографической оси Z, а для определения электрооптического коэффициента r₁₃ и - вдоль кристаллографической оси X.

Пример 1. Для кристалла ниобата лития с геометрическими размерами X=5 мм, Y=10 мм, Z=6 мм при длине волны излучения λ=400 нм, при распространении света вдоль оси Y и приложении электрического напряжения вдоль оси Z электрооптические коэффициенты равны: r₁₃=10 пм/В, r₃₃=31,5 пм/В.

Пример 2. Для кристалла ниобата лития с геометрическими размерами Х=4 мм, Y=10 мм, Z=5 мм при длине волны излучения λ=550 нм, при распространении света вдоль оси X и приложении электрического напряжения вдоль оси Z электрооптические коэффициенты равны: r₁₃=10,1 пм/В, r₃₃=31,6 пм/В.

Пример 3. Для кристалла ниобата лития с геометрическими размерами Х=6 мм, Y=10 мм, Z=4 мм при длины волны излучения λ=650 нм, при распространении света вдоль оси Y и приложении электрического напряжения вдоль оси Z электрооптические коэффициенты равны: r₁₃=10,2 пм/В, r₃₃=31,7 пм/В.

Заявляемое устройство для определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла автоматически осуществляет ориентацию кристаллофизических осей электрооптического кристалла в устройстве с высокой точностью, что обеспечивает высокую точность определения электрооптических коэффициентов кристалла. Погрешность ориентации кристаллофизических осей электрооптического кристалла составляет 0,01%.

Смена длины волны излучения и определение электрооптических коэффициентов электрооптических кристаллов, работающих в широком спектральном диапазоне и использующихся в различных оптоэлектронных приборах и устройствах, при поточной диагностике осуществляются за несколько секунд, что позволяет расширить функциональные возможности использования устройства для определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла.

Claims (1)

1. Устройство для определения электрооптических коэффициентов электрооптического кристалла, представляющее собой источник излучения, одну оптическую ветвь, содержащую последовательно расположенные вдоль ее оптической оси и оптически связанные между собой поляризатор, исследуемый электрооптический кристалл, перестраиваемый компенсатор набега фаз, анализатор, систему фотодетектирования, а также блок управления, первый вход которого электрически соединен системой фотодетектирования, и высоковольтный источник питания, выход которого электрически соединен с упомянутым кристаллом, причем плоскости пропускания поляризатора, перестраиваемого компенсатора и анализатора параллельны, расположены в первом и третьем квадрантах и составляют с вертикальной осью угол α=45°, оптическая ось Z исследуемого электрооптического кристалла ориентирована вертикально, отличающееся тем, что в него дополнительно введена вторая идентичная оптическая ветвь с системой зеркал, узкополосный перестраиваемый фильтр, делительный кубик и электромеханический поворотный столик, при этом узкополосный перестраиваемый фильтр и делительный кубик установлены последовательно между источником излучения и поляризатором первой оптической ветви, электромеханический поворотный столик установлен между поляризатором и упомянутым компенсатором первой оптической ветви, оси первой и второй оптических ветвей перпендикулярны и пересекаются в исследуемом электрооптическом кристалле, установленном на упомянутом поворотном столике, выход источника излучения оптически связан с первым входом узкополосного перестраиваемого фильтра, выход которого оптически связан с входом делительного кубика, второй вход узкополосного перестраиваемого фильтра электрически соединен с первым выходом блока управления, один выход делительного кубика оптически связан с поляризатором первой оптической ветви, а его второй выход через систему зеркал - с поляризатором второй оптической ветви, выход системы

   фотодетектирования второй ветви электрически соединен со вторым входом блока управления, соответствующий выход которого соединен с входом высоковольтного источника питания, вторые входы поляризатора, анализатора и перестраиваемого компенсатора набега фаз обеих оптических ветвей, а также электромеханический поворотный столик электрически соединены с соответствующими выходами блока управления.

   

Images