RU2339920C1

RU2339920C1 - Device for measuring angle of polarisation plane of optical radiation

Info

Publication number: RU2339920C1
Application number: RU2007116789/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Дунец (RU); Владимир Петрович Дунец; Алексей Игоревич Гревцев (RU); Алексей Игоревич Гревцев; Александр Юрьевич Козирацкий (RU); Александр Юрьевич Козирацкий; Юрий Леонтьевич Козирацкий (RU); Юрий Леонтьевич Козирацкий; Павел Евгеньевич Кулешов (RU); Павел Евгеньевич Кулешов; Алексей Викторович Кусакин (RU); Алексей Викторович Кусакин; Сергей Сергеевич Кущев (RU); Сергей Сергеевич Кущев; Максим Леонидович Паринов (RU); Максим Леонидович Паринов; Дмитрий Владимирович Прохоров (RU); Дмитрий Владимирович Прохоров
Priority date: 2007-05-03
Filing date: 2007-05-03
Publication date: 2008-11-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: device consists of focusing optics, mixing plate, diaphragm, a source of reference radiation, photodetector, filter, subtracting unit, multiplier, unit for extracting the doubled root, detector, unit for comparing values of factors and determining α_P, unit for determining the sign of α_P, unit for controlling polarisation of the source of reference radiation, and a unit for determining α_C. The mixing plate, diaphragm and the photodetector are connected in series in the path of the reference radiation from the source of the reference radiation. A valve, the focusing optics, mixing plate, diaphragm and photodetector are connected in series along the path of the analysed radiation.

EFFECT: increased accuracy of measuring the angle of the polarisation plane of optical radiation.

1 dwg

Description

Изобретение относится к лазерным измерениям и может быть использовано при проектировании систем определения поляризации оптического излучения.The invention relates to laser measurements and can be used in the design of systems for determining the polarization of optical radiation.

Известно устройство измерения азимута плоскости поляризации (см., например, Б.М.Аленцев, М.Я.Воршавский, А.А.Вещиков, М.А.Винокур. Измерение спектрально-частотных и корреляционных параметров и характеристик лазерного излучения - М.: Радио и связь, 1982, стр.243), основанное на вращении поляризационных анализаторов, которое приводит к изменению интенсивности, определяющей направление вектора поляризации. Недостатками данного устройства является неизменность направления вектора поляризации и достаточно большое время измерения.A device for measuring the azimuth of the plane of polarization (see, for example, B.M. Alentsev, M.Ya. Vorshavsky, A.A. Veshchikov, M.A. Vinokur. Measurement of spectral-frequency and correlation parameters and characteristics of laser radiation - M. : Radio and Communications, 1982, p. 243), based on the rotation of polarization analyzers, which leads to a change in intensity that determines the direction of the polarization vector. The disadvantages of this device is the constancy of the direction of the polarization vector and a sufficiently long measurement time.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является устройство измерения угла поляризации оптического излучения (см., например, В.П.Дунец, А.Ю.Козирацкий, Ю.Л.Козирацкий, П.Е.Кулешов. Патент на изобретение RU № 2284017 С2, G01J 3/04, 2006), включающее фокусирующую оптику, смесительную пластину, диафрагму, источник опорного излучения, светоразделитель, диафрагмы, фотоприемник анализируемого оптического излучения, фотоприемник опорного оптического излучения, фильтр, блок вычитания, перемножитель, блок извлечения удвоенного корня, детектор, блок сравнения величин фототоков и определения α_П, блок определения знака α_П, блок управления поляризацией источника опорного излучения, блок определения α_С. Недостатком устройства является необходимость деления опорного излучения с помощью светоразделителя на два одинаковых по интенсивности потока и применение двух фотоприемников для регистрации смешиваемого и опорного потоков, что приводит к снижению точности измерения в случаях расхождения параметров фотоприемников и несовершенства полупрозрачного зеркала.The closest in technical essence and the achieved result (prototype) is a device for measuring the angle of polarization of optical radiation (see, for example, V.P. Dunets, A.Yu. Koziratsky, Yu.L. Koziratsky, P.E. Kuleshov. invention RU No. 2284017 C2, G01J 3/04, 2006), including focusing optics, a mixing plate, a diaphragm, a reference radiation source, a light separator, apertures, an optical radiation analyzer photodetector, a reference optical radiation detector, a filter, a subtraction unit, a multiplier, a multiplier, an extraction unit beats oennogo root, the detector unit comparing the values of the photocurrents and determining α _P, α sign determination unit _P, the control unit of the reference radiation source polarization determination unit _C α. The disadvantage of this device is the necessity of dividing the reference radiation using a light separator into two fluxes of the same intensity and the use of two photodetectors to register the mixed and reference fluxes, which leads to a decrease in measurement accuracy in cases of discrepancies in the parameters of the photodetectors and imperfections in the translucent mirror.

Техническим результатом, на достижение которого направленно предлагаемое изобретение, является повышение точности измерения угла плоскости поляризации оптического излучения.The technical result, the achievement of which the invention is directed, is to increase the accuracy of measuring the angle of the plane of polarization of optical radiation.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве измерения угла плоскости поляризации оптического излучения, содержащем фокусирующую оптику, смесительную пластину, диафрагму, источник опорного излучения, фотоприемник, фильтр, блок вычитания, перемножитель, блок извлечения удвоенного корня, детектор, блок сравнения величин фототоков и определения α_П, блок определения знака α_П, блок управления поляризацией источника опорного излучения, блок определения α_С, дополнительно установлены последовательно соединенные запоминающее устройство, блок управления затвором и затвор, при этом по ходу опорного излучения от источника опорного излучения последовательно соединены смесительная пластина, диафрагма и фотоприемник, по ходу анализируемого излучения последовательно соединены затвор, фокусирующая оптика, смесительная пластина, диафрагма и фотоприемник, первый и второй выходы которого соединены с входом запоминающего устройства и входом фильтра соответственно, первый выход фильтра соединен с первым входом блока вычитания, второй выход фильтра соединен с входом детектора, третий выход фильтра соединен с первым входом блока определения знака α_П, выход блока определения знака α_П соединен с первым входом блока определения α_С, выход детектора соединен с первым входом блока сравнения величин фототоков и определения α_П, второй выход запоминающего устройства соединен со вторым выходом блока вычитания, выход которого соединен с первым входом перемножителя, третий выход запоминающего устройства соединен со вторым входом перемножителя, выход которого соединен с входом блока извлечения удвоенного корня, выход которого соединен со вторым входом блока сравнения величин фототоков и определения α_П, первый выход блока сравнения величин фототоков и определения α_П соединен с вторым входом блока определения α_С, второй выход блока сравнения величин фототоков и определения α_П соединен с входом блока управления поляризацией источника опорного излучения, первый выход блока управления поляризацией источника опорного излучения соединен с входом источника опорного излучения, второй выход блока управления поляризацией источника опорного излучения соединен с вторым входом блока определения знака α_П, третий выход блока управления поляризацией источника опорного излучения соединен с третьим входом блока определения α_С, выход последнего является выходом устройства.The technical result is achieved by the fact that in the known device for measuring the angle of the plane of polarization of optical radiation containing a focusing optics, a mixing plate, a diaphragm, a reference radiation source, a photodetector, a filter, a subtraction unit, a multiplier, a double root extraction unit, a detector, a unit for comparing photocurrents and determining α _P, α sign determination unit _P, the polarization of the reference radiation source control unit, determining unit _C α additionally installed consecutively connected zap a blinking device, a shutter control unit and a shutter, while the mixing plate, the diaphragm and the photodetector are connected in series along the reference radiation from the reference radiation source, the shutter, the focusing optics, the mixing plate, the diaphragm and the photodetector, the first and second outputs are connected in series which are connected to the input of the storage device and the input of the filter, respectively, the first output of the filter is connected to the first input of the subtraction unit, the second output of the filter is connected a detector input, the third filter output is connected to a first input of determining the sign of α _n, the output determination unit sign α _n connected to the first input of the determining α _C, the detector output is connected to the first input value comparison unit photocurrents and determining α _P, the second output of the memory the device is connected to the second output of the subtraction unit, the output of which is connected to the first input of the multiplier, the third output of the storage device is connected to the second input of the multiplier, the output of which is connected to the input of the extraction unit the military root, the output of which is connected to the second input of the unit for comparing the values of photocurrents and determining α _П , the first output of the unit for comparing the values of photocurrents and determining α _{П is} connected to the second input of the unit for determining the currents and determining α _С , the second output of the unit for comparing the values of photocurrents and determining α _{П is} connected to the input the reference radiation polarization control unit, the first output of the reference radiation polarization control unit is connected to the input of the reference radiation source, the second output of the polarization control source reference radiation coupled to a second input of character determining α _n, the third output of the reference radiation source polarization control unit is connected to a third input of the definition α _C, the last output is the output device.

Сущность изобретения заключается во введении в состав устройства-прототипа дополнительно между перед фокусирующей оптикой по ходу анализируемого оптического излучения затвора и между фотоприемником и затвором запоминающего устройства и блока управлением затвором, что обеспечивает возможность устранения систематических погрешностей измерения угла плоскости поляризации, связанных с искривленностью волнового фронта и расхождением уровней интенсивностей разделенных потоков опорного излучения дополнительно вносимых светоразделителем, а также исключает необходимость регистрировать два оптических потока разнесенными фотоприемниками.The invention consists in introducing into the composition of the prototype device additionally between the focusing optics along the analyzed optical radiation of the shutter and between the photodetector and shutter of the storage device and the shutter control unit, which makes it possible to eliminate systematic errors in the measurement of the angle of the plane of polarization associated with the curvature of the wavefront and a discrepancy in the intensities of the separated reference radiation fluxes of the additionally introduced light separator element, and also eliminates the need to register two optical flux spaced photodetectors.

Формирование оптического пучка на входе фотоприемника устройства-прототипа осуществляется каждым оптическим элементом, а именно входной оптикой, смесительной пластиной, диафрагмой и в том числе светоразделителем. Каждый из перечисленных элементов обладает своим коэффициентом аберрации и вносит в той или иной степени вклад в нарушение согласования волновых фронтов опорного и анализируемого излучений. Поэтому исключение светоразделителя приводит к исключению им вносимых искажений волнового фронта в опорное излучение (см., например, В.В.Протопопов, Н.Д.Устинов. Лазерное гетеродирование - М.: Наука, 1985, стр.26-30). Также светоразделитель выполняет функцию разделителя опорного излучения на два идентичных по интенсивности потока, один из которых предназначен для получения значения величины постоянной составляющей полного фототока, вызванного действием опорного источника. Поэтому в случае расхождения уровней интенсивностей разделенных потоков на площадках фотоприемников значение фототока фотоприемника, регистрирующего излучение ответвленного потока опорного излучения и значение постоянной составляющей полного тока, регистрирующего смешанное излучение, будут отличаться. Что приведет к относительной неточности измерения угла ориентации плоскости поляризации анализируемого излучения в процессе функционирования устройства в целом.The formation of an optical beam at the input of the photodetector of the prototype device is carried out by each optical element, namely the input optics, mixing plate, aperture, including a light separator. Each of these elements has its own aberration coefficient and contributes to one degree or another to the violation of the coordination of the wave fronts of the reference and analyzed radiation. Therefore, the exclusion of the light separator leads to the exclusion of the introduced wavefront distortions in the reference radiation (see, for example, VV Protopopov, ND Ustinov. Laser heterodyning - Moscow: Nauka, 1985, pp. 26-30). The light separator also acts as a separator of the reference radiation into two fluxes of identical intensity, one of which is designed to obtain the value of the constant component of the total photocurrent caused by the action of the reference source. Therefore, in the event of a difference in the intensity levels of the separated flows at the photodetector sites, the value of the photodetector photocurrent detecting the radiation of the branched reference radiation flux and the value of the constant component of the total current detecting the mixed radiation will differ. This will lead to a relative inaccuracy in measuring the angle of orientation of the plane of polarization of the analyzed radiation during the operation of the device as a whole.

Определенный вклад в неточность измерения угла плоскости поляризации будет вносить и наличие в устройстве-прототипе двух фотоприемников, регистрирующих опорное и смешанное излучение. В случае расхождения параметров двух фотоприемников (см., например, Н.В.Васильченко, В.А.Борисов, Л.С.Кременчугский, Г.Э.Левин. Измерение параметров приемников оптического излучения - М.: Радио и связь, 1983) сформированная величина максимальной переменной составляющей будет иметь значение, отличное от истинного. Что также приведет к неточности измерения.A certain contribution to the inaccuracy of measuring the angle of the plane of polarization will be made by the presence of two photodetectors in the prototype device that record the reference and mixed radiation. In the event of a discrepancy between the parameters of the two photodetectors (see, for example, N.V. Vasilchenko, V. A. Borisov, L. S. Kremenchugsky, G. E. Levin. Measurement of the parameters of optical radiation receivers - M .: Radio and communication, 1983 ) the generated value of the maximum variable component will have a value different from the true one. Which will also lead to inaccurate measurements.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает практическое устранение погрешности измерения, связанные с делением опорного излучения на два потока и их регистрацией двумя фотоприемниками. Тем самым предлагаемое решение по сравнению с прототипом обеспечивает повышение точности получаемых результатов и исключение недостатков, указанных выше.Thus, the proposed device provides the practical elimination of measurement errors associated with the division of the reference radiation into two streams and their registration with two photodetectors. Thus, the proposed solution in comparison with the prototype provides improved accuracy of the results and elimination of the disadvantages indicated above.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства, содержащего смесительную пластину 1, диафрагму 2, фокусирующую оптику 3, источник опорного излучения 5, фотоприемник 6, запоминающее устройство 7, блок управления затвором 4, затвор 17, фильтр 8, блок вычитания 9, перемножитель 15, блок извлечения удвоенного корня 16, детектор 10, блок сравнения величин фототоков и определения α_П 11, блок определения знака α_П 12, блок управления поляризацией источника опорного излучения 13, блок определения α_С 14.Figure 1 shows a structural diagram of a device containing a mixing plate 1, aperture 2, focusing optics 3, a reference radiation source 5, a photodetector 6, a storage device 7, a shutter control unit 4, a shutter 17, a filter 8, a subtraction unit 9, a multiplier 15 , a unit for extracting double root 16, a detector 10, a unit for comparing photocurrent values and determining α _P 11, a unit for determining the sign of α _P 12, a control unit for polarizing the reference radiation source 13, and a unit for determining α _C 14.

Устройство измерения угла плоскости поляризации оптического излучения функционирует следующим образом. Опорное линейно-поляризованное излучение от источника оптического излучения 5, содержащего в своем составе электрооптические элементы изменения азимута плоскости поляризации и фокусировки, поступает через смесительную пластину 1 и диафрагму 2 на вход фотоприемника 6, на выходе которого образуется фототок, значение величины которого записывается в запоминающее устройство 7. Сигнал окончания записи поступает в блок управления затвором 4, который открывает затвор 17, тем самым освобождает оптический путь анализируемому излучению. Анализируемое излучение через фокусирующую оптику 3, смесительную пластину 1 и диафрагму 2 поступает на вход фотоприемника 6. С выхода фотоприемника 6 полный ток поступает на вход фильтра 8, который разделяет полный ток на сумму постоянных (i_Г+i_c) и переменную (

составляющие, где i_Г - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля опорного оптического излучения; i_с - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля анализируемого оптического излучения, α_П - угол поляризационного рассогласования анализируемого и опорного оптических излучений, α_С - угол плоскости поляризации анализируемого оптического излучения.A device for measuring the angle of the plane of polarization of optical radiation operates as follows. The reference linearly polarized radiation from the optical radiation source 5, which contains electro-optical elements for changing the azimuth of the plane of polarization and focusing, enters through the mixing plate 1 and the diaphragm 2 to the input of the photodetector 6, at the output of which a photocurrent is generated, the value of which is recorded in the storage device 7. The signal to end recording enters the shutter control unit 4, which opens the shutter 17, thereby freeing the optical path of the analyzed radiation. The analyzed radiation through the focusing optics 3, the mixing plate 1 and the diaphragm 2 is fed to the input of the photodetector 6. From the output of the photodetector 6, the total current is fed to the input of the filter 8, which separates the total current into the sum of the constant (i _Г + i _c ) and the variable (

components, where i _G is the constant component of the photocurrent caused by the action of the field of the reference optical radiation; i _c is the constant component of the photocurrent caused by the action of the field of the analyzed optical radiation, α _P is the angle of polarization mismatch of the analyzed and reference optical radiation, α _C is the angle of the plane of polarization of the analyzed optical radiation.

С выходов фильтра 8 сигнал переменной составляющей поступает на входы детектора 10 и блок определения знака α_П 12, а сигнал значения величины суммы постоянных составляющих поступает на вход блока вычитания 9, на другой вход которого из запоминающего устройства 7 поступает сигнал значения величины постоянной составляющей фототока, вызванной действием опорного излучения. В блоке вычитания 9 производится вычисление величины постоянной составляющей фототока, вызванной действием анализируемого излучения, сигнал значения величины которой поступает на вход перемножителя 15, на другой вход которого, также из запоминающего устройства 7 поступает сигнал значения величины постоянной составляющей фототока, вызванной действием опорного излучения. Сигнал значения величины произведения постоянных составляющих из перемножителя 15 поступает на вход блока извлечения удвоенного корня 16, в котором производится вычисление значения максимальной величины переменной составляющей фототока

, сигнал значения величины которой поступает на вход блока сравнения величин фототоков и определения α_n 11, на другой вход которого поступает сигнал с детектора 10 реальной величины переменной составляющей. В блоке сравнения величин фототоков и определения α_П через отношение величин переменных составляющих определяется значение угла поляризационного рассогласования α_П. и передается сигнал в блок управления поляризацией источника опорного излучения 13. По которому блок управления поляризацией источника опорного излучения 13 передает сигналы значения азимута плоскости поляризации в блок определения α_С 14, направления изменения азимута плоскости поляризацией в блок определения знака α_П 12 и изменения азимута плоскости поляризацией в источник опорного излучения 5. В блоке определения знака α_П 12 по изменению величины переменной составляющей производится определение взаимного расположения плоскостей поляризации анализируемого и опорного излучений (знака - или +) и вырабатывается сигнал, который поступает в блок определения α_С 14. В блоке определения α_С 14 производится вычисление α_С путем суммирования или вычитания α_П и α_Г согласно соотношению, приведенному в описании к патенту RU 2284017 С2.From the outputs of the filter 8, the variable component signal is supplied to the inputs of the detector 10 and the sign determination unit α _P 12, and the signal of the value of the sum of the constant components is fed to the input of the subtraction unit 9, the signal of the value of the constant component of the photocurrent is received from the storage device 7, caused by the action of reference radiation. In the subtraction unit 9, the value of the constant component of the photocurrent is calculated, caused by the action of the analyzed radiation, the signal of the value of which is fed to the input of the multiplier 15, the other input of which, also from the storage device 7, receives the signal of the value of the constant component of the photocurrent caused by the action of the reference radiation. The signal of the value of the product of the constant components from the multiplier 15 is fed to the input of the double root extraction unit 16, in which the value of the maximum value of the variable component of the photocurrent is calculated

, the signal of a value of which is fed to the input of the unit for comparing the values of photocurrents and determining α _n 11, the other input of which receives a signal from the detector 10 of the real value of the variable component. In the unit for comparing the values of photocurrents and determining α _P , the value of the angle of polarization mismatch α _П is determined through the ratio of the values of the variable components. and a signal is transmitted to the polarization control unit of the reference radiation source 13. By which the polarization control unit of the reference radiation source 13 transmits signals of the azimuth of the plane of polarization to the determining unit α _C 14, the direction of change of the azimuth of the polarized plane to the character determination unit α _P 12 and changing the azimuth of the plane polarization in the reference radiation source 5. in the determination of the sign of α _n 12 change in the magnitude of the variable component is determined mutual position of the floor plane polarization analyte and the reference radiation (the sign - or +) and a signal is generated which is supplied to the determination unit 14. _With α determination unit _C 14 α are computed by summing α _C α or subtracting the _P and _T α according to the relation given in the specification of the patent RU 2284017 C2.

Предлагаемое техническое решение практически применимо, так как для его реализации могут быть использованы типовые радиотехнические и оптоэлектронные узлы и устройства (например: блок управления поляризацией гетеродина - модуляторы, изменяющие по определенному закону положение плоскости поляризации (см., например, Б.М.Аленцев и др. Измерение спектрально-частотных и корреляционных параметров и характеристик лазерного излучения. - М.: Радио и связь, 1982, стр-228)).The proposed technical solution is practically applicable, since typical radio engineering and optoelectronic components and devices can be used for its implementation (for example: a local oscillator polarization control unit - modulators that change the position of the polarization plane according to a certain law (see, for example, B.M. Alentsev and other. Measurement of spectral-frequency and correlation parameters and characteristics of laser radiation. - M.: Radio and communication, 1982, p-228)).

Claims

A device for measuring the angle of the plane of polarization of optical radiation, including focusing optics, a mixing plate, a diaphragm, a reference radiation source, a photodetector, a filter, a subtraction unit, a multiplier, a double root extraction unit, a detector, a unit for comparing photocurrent values and determining α _P , an α sign-determining unit _P, the control unit polarization reference radiation source determination unit _C α, characterized in that it additionally installed serially connected storage device, a control unit shutter and shutter, in this case, along the path of the reference radiation from the source of reference radiation, the mixing plate, the diaphragm and the photodetector are connected in series, along the analyzed radiation the shutter, the focusing optics, the mixing plate, the diaphragm and the photodetector are connected in series, the first and second outputs of which are connected to the input memory and filter input, respectively, the first output of the filter is connected to the first input of the subtraction unit, the second output of the filter is connected to the input of the detector, the third output the filter is connected to the first input of the sign determination unit α _П , the output of the sign determination unit α _{П is} connected to the first input of the determination unit α _С , the output of the detector is connected to the first input of the unit for comparing photocurrents and determination of α _П , the second output of the storage device is connected to the second output of the block subtraction, the output of which is connected to the first input of the multiplier, the third output of the storage device is connected to the second input of the multiplier, the output of which is connected to the input of the double root extraction unit, the output of which is of the connections to the second input of the comparison of the photocurrents and determining α _P, the first output unit comparing values photocurrents and determining α _P is connected to the second input of the determining unit α _C, a second output value comparison unit photocurrents and determining α _P is connected to the input of the polarization source of the reference control unit radiation, the first output of the polarization control unit of the reference radiation source is connected to the input of the reference radiation source, the second output of the polarization control unit of the reference radiation source is connected to w by the second input of the α _P sign-determining unit, the third output of the polarization control unit of the reference radiation source is connected to the third input of the α _C determining unit, the output of the latter is the output of the device.