RU2031426C1

RU2031426C1 - Method of scanning light beam

Info

Publication number: RU2031426C1
Authority: RU
Inventors: Ю.Н. Тищенко
Original assignee: Институт автоматики и электрометрии СО РАН
Priority date: 1990-07-30
Filing date: 1990-07-30
Publication date: 1995-03-20

Abstract

FIELD: physical optics. SUBSTANCE: radiation is passed in sequence through UV waves running at opposite directions. As a result, method of frequency coding of light beam may be realized. EFFECT: improved efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к физической оптике, сканирующим лазерным устройствам и может быть использовано в навигации, системах обработки информации и других технических приложениях, где используется управляемое отклонение лазерного излучения с определением его углового отклонения. The invention relates to physical optics, scanning laser devices, and can be used in navigation, information processing systems, and other technical applications where controlled deviation of laser radiation with determination of its angular deviation is used.

Известен способ сканирования пучка света на брегговской дифракции (Ребрин Ю. К. Управление оптическим лучом в пространстве. М.: Сов. радио, 1977), который заключается в следующем: формируют пучок света и пропускают его через бегущую ультразвуковую волну и тем самым отклоняют его на угол, пропорциональный частоте ультразвуковой волны. A known method of scanning a light beam by Bragg diffraction (Rebrin Yu. K. Control of an optical beam in space. M: Sov. Radio, 1977), which consists in the following: form a beam of light and pass it through a traveling ultrasonic wave and thereby deflect it by an angle proportional to the frequency of the ultrasonic wave.

При этом частота отклонения света смещается по отношению к падающему свету на величину частоты ультразвуковой волны. Получить информацию о величине угла отклонения пучка света не представляется возможным, так как нестабильность современных лазерных генераторов света гораздо выше частот ультразвуковой волны. In this case, the frequency of light deviation is shifted relative to the incident light by the value of the frequency of the ultrasonic wave. It is not possible to obtain information about the angle of deviation of the light beam, since the instability of modern laser light generators is much higher than the frequencies of the ultrasonic wave.

Таким образом, в известных устройствах невозможно получить количественную информацию об угле отклонения пучка света, что необходимо при ряде практических приложений. Thus, in the known devices it is impossible to obtain quantitative information about the angle of deviation of the light beam, which is necessary for a number of practical applications.

Известен способ кодирования информации об угле отклонения светового пучка (авт.св. СССР N 936724, кл. G 08 G 7/00, 1982), в котором используют электромагнитную амплитудную модуляцию, а также операции преобразования и вычисления с применением оптических, электронных и электромеханических средств. A known method of encoding information about the angle of deviation of the light beam (ed. St. USSR N 936724, class G 08 G 7/00, 1982), which use electromagnetic amplitude modulation, as well as conversion and calculation using optical, electronic and electromechanical funds.

Данный способ не позволяет получать прямым путем количественные значения угла отклонения светового пучка и требует для реализации сложные технические средства. This method does not allow to obtain directly the quantitative values of the angle of deviation of the light beam and requires complex technical means for implementation.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ сканирования светового пучка, основанный на брэгговской дифракции посредством изменения частоты ультразвуковой волны (Балакший В.И. и др. Физические основы акустооптики, с. 164). Closest to the invention, the technical solution is a method of scanning a light beam based on Bragg diffraction by changing the frequency of an ultrasonic wave (Balakshiy V.I. et al. Physical fundamentals of acousto-optics, p. 164).

Основным недостатком способа является принципиальная невозможность частотного кодирования информации об угле отклонения светового пучка непосредственно при брэгговской дифракции. The main disadvantage of this method is the fundamental impossibility of frequency coding of information about the angle of deviation of the light beam directly during Bragg diffraction.

Целью изобретения является возможность частотного кодирования информации об угле отклонения непосредственно при брэгговской дифракции. The aim of the invention is the possibility of frequency coding of information on the angle of deviation directly during Bragg diffraction.

Для решения данной цели предложен следующий способ. Световой пучок пропускают через бегущую ультразвуковую волну, которая отклоняет часть светового пучка на угол, пропорциональный частоте ультразвуковой волны. Затем пучок света пропускают через вторую ультразвуковую волну, максимально приближенную к первой, бегущую в противоположном направлении и аналогичную первой, которая также отклоняет часть света. За счет этого формируют суммарный отклоненный пучок света, включающий два дифрагированных пучка и несущий информацию об угле отклонения. To solve this goal, the following method is proposed. The light beam is passed through a traveling ultrasonic wave, which deflects part of the light beam by an angle proportional to the frequency of the ultrasonic wave. Then a beam of light is passed through a second ultrasonic wave, as close as possible to the first, traveling in the opposite direction and similar to the first, which also deflects part of the light. Due to this, a total deflected light beam is formed, including two diffracted beams and carrying information about the deflection angle.

Существенность отличия предложенного решения определяется следующим. Пучок света отклоняют дважды так, что на пеpвом этапе это осуществляют акустической волной одного направления, а затем волной другого направления. Каждой волной отклоняют падающий пучок света на одинаковые углы. В результате частоты пучка света в одном случае увеличивают на величину частоты акустооптической волны, а в другом случае уменьшают на частоту второй волны. На выходе отклоненный пучок света в своем составе имеет информационные данные об угле отклонения в виде изменения частоты. The significance of the differences in the proposed solution is determined by the following. The beam of light is deflected twice so that at the first stage it is carried out by an acoustic wave of one direction, and then a wave of another direction. Each wave deflects the incident beam of light at equal angles. As a result, the frequencies of the light beam in one case are increased by the magnitude of the frequency of the acousto-optic wave, and in the other case they are reduced by the frequency of the second wave. At the output, the deflected light beam in its composition has information about the deflection angle in the form of a frequency change.

Не известны технические решения, обладающие признаками, сходными с признаками, отличающими предлагаемое решение от прототипа, поэтому данное решение обладает существенными отличиями. No technical solutions are known that have features similar to those that distinguish the proposed solution from the prototype, therefore this solution has significant differences.

На чертеже схематично изображено устройство для реализации предложенного способа. Узлами устройства являются последовательно расположенные лазер 1, коллиматор 2, акустооптические ячейки 3 и 4, диафрагма 5, линза 6 и высокочастотный фотодиод 7. The drawing schematically shows a device for implementing the proposed method. The nodes of the device are sequentially located laser 1, collimator 2, acousto-optic cells 3 and 4, aperture 5, lens 6 and high-frequency photodiode 7.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Формируется когерентный лазерный пучок света с помощью лазера 1 и коллиматора 2. Затем сформированный пучок света пропускают через первую акустооптическую ячейку 3, в которой в светозвукопроводе распространяется ультразвуковая волна, на которую свет падает под углом Брэгга. Проходя через акустооптическую ячейку 3, световой пучок отклоняется на угол, пропорциональный частоте акустической волны. При этом частота отклоненного пучка света изменяется на частоту ультразвуковой волны. Затем свет, прошедший через ячейку 3, пропускают через вторую акустооптическую ячейку 4. Последняя сориентирована таким образом, что акустическая волна распространяется под таким же по величине углом к световому пучку, но в направлении, противоположном ультразвуковой волне в первой ячейке 3. При этом световой пучок отклоняется на тот же угол, что и в первой ячейке, так как частоты акустической волны равны. Частота света смещается на ту же частоту, что и в первой ячейке, но с противоположным знаком. Отклоненные ячейками пучки света распространяются по одному угловому направлению, пропорциональному частоте акустической волны. Изменяя частоту, подаваемую на ячейки, тем самым изменяют угол отклонения света, т.е. можно сканировать световой пучок одновременно ультразвуковыми брэгговскими ячейками. При этом оба отклоненных пучка распространяются по одному направлению, пропорциональному частоте звука, а их частоты отличаются одна от другой на двойную частоту звука. Следовательно, отклоненный пучок света несет информацию о двойной частоте звука, отклонившего этот световой пучок. Так как частота звука пропорциональна углу отклонения света, то отклоненный пучок несет информацию об угле отклонения света. Неотклоненный свет, прошедший через две ячейки, задерживается диафрагмой 5. Измерение угла отклонения, т.е. фиксирование информации об угле отклонения светового пучка, осуществляется путем регистрации частоты интерференции двух отклоненных световых пучков. Для этой цели применены линза 6 и в ее фокусе высокочастотный фотодиод 7. A coherent laser light beam is formed using a laser 1 and a collimator 2. Then, the generated light beam is passed through the first acousto-optic cell 3, in which an ultrasonic wave propagates in the light-sound pipe, into which the light is incident at a Bragg angle. Passing through the acousto-optic cell 3, the light beam is deflected by an angle proportional to the frequency of the acoustic wave. In this case, the frequency of the deflected light beam changes to the frequency of the ultrasonic wave. Then the light passing through the cell 3 is passed through the second acousto-optical cell 4. The latter is oriented in such a way that the acoustic wave propagates at the same angle to the light beam, but in the direction opposite to the ultrasonic wave in the first cell 3. In this case, the light beam deviates by the same angle as in the first cell, since the frequencies of the acoustic wave are equal. The frequency of light is shifted to the same frequency as in the first cell, but with the opposite sign. Light beams deflected by the cells propagate in one angular direction proportional to the frequency of the acoustic wave. By changing the frequency supplied to the cells, thereby changing the angle of deviation of light, i.e. it is possible to scan the light beam simultaneously with ultrasonic Bragg cells. In this case, both deflected beams propagate in one direction proportional to the frequency of sound, and their frequencies differ from each other by a double frequency of sound. Therefore, the deflected beam of light carries information about the double frequency of the sound that deflects this light beam. Since the frequency of sound is proportional to the angle of deviation of light, the deflected beam carries information about the angle of deviation of light. Non-rejected light passing through two cells is delayed by the diaphragm 5. Measurement of the deflection angle, i.e. The information on the angle of deviation of the light beam is recorded by registering the interference frequency of two deflected light beams. For this purpose, lens 6 was used and in its focus a high-frequency photodiode 7.

Экспериментальная установка имеет источник излучения (например, одночастотный лазер ЛГ52-3) и коллиматор, расширяющий лазерный пучок до световой апертуры, необходимой для обеспечения максимального разрешения дефлекторных акустооптических ячеек. The experimental setup has a radiation source (for example, LG52-3 single-frequency laser) and a collimator that expands the laser beam to the light aperture necessary to ensure maximum resolution of the acousto-optic deflector cells.

Ячейки выполнены со светозвукопроводом из парателлурита и пьезопреобразователем на сдвиговую акустическую волну из кристалла ниобата лития. Рабочие частоты f = 50-100 МГц. Световая апертура 6 мм. Таким образом, разрешение ячеек N = Δ f D/V = 50 точек по критерию Релея, где V = 6 км/с - скорость звука в парателлурите. The cells are made with a paratellurite light pipe and a piezoelectric transducer for a shear acoustic wave from a lithium niobate crystal. Operating frequencies f = 50-100 MHz. Light aperture 6 mm. Thus, the resolution of the cells is N = Δ f D / V = 50 points according to the Rayleigh criterion, where V = 6 km / s is the speed of sound in paratellurite.

В приемном устройстве электрический сигнал с высокочастотного фотоприемника усиливается усилителем УЗ-33 и фиксировался частотометром УЗ-34. Кроме того, принятый высокочастотный сигнал, равный двойной частоте возбуждения акустооптических ячеек, наблюдался на осциллографе. Сигнал был чистый - фон не просматривался. In the receiving device, the electric signal from the high-frequency photodetector is amplified by the UZ-33 amplifier and fixed by the UZ-34 frequency meter. In addition, the received high-frequency signal, equal to the double excitation frequency of the acousto-optic cells, was observed on an oscilloscope. The signal was clear - the background was not visible.

Предложенный способ обладает следующими техническими достоинствами. Использование способа позволяет реализовать частотное кодирование пучка света при сканировании, связанное непосредственно с отклонением этого пучка. Это позволяет при приеме отклоненного пучка значительно упростить техническую реализацию такого вида измерений. The proposed method has the following technical advantages. Using the method allows to implement the frequency coding of the light beam during scanning, associated directly with the deviation of this beam. This allows, when receiving a deflected beam, to significantly simplify the technical implementation of this type of measurement.

Claims

METHOD FOR SCANNING A LIGHT BEAM, including directing a light beam to an ultrasonic wave and providing conditions for Bragg diffraction by changing the frequency of the ultrasonic wave, characterized in that, in order to provide frequency coding of information on the deflection angle directly during diffraction, the light beam is additionally sent to the second ultrasonic wave running in the opposite direction, and both ultrasonic waves are identical in parameters.