SU1130825A1 - Электрооптический фильтр - Google Patents

Abstract

ЬЭЛЕКТРООПтаЧЕСКИЙ ФИЛЬТР, содержащий последовательно размещенные пол ризатор, электрооптический « -JCOJO:5},rf ,,, кристалл с электродами и анализатор, отличающийс  тем-, что,с целью расашрени  его эксплуатационных возможностей, улучшени  селективных свойств и удешевлени , использован кристалл, обладающий инверсией знака электрооптического коэффициента , вырезанный так, что нормаль к входной плоскости кристалла совпадает с его негиротропным направлением. 2. Фильтр по п.I, о т л и ч а ющ и и с   тем, что в качестве кристалла , обладающего ииверсией знака электрооптического коэф| щкента, использован кристалл . 00 о 00 ю ел

Description

1

Изобретение относитс  к техиике оптического приборостроени , точнее к узкополосным оптическим фильтрам, примен емым дл  анализа спектров оптического излучени , и может быть использовано в случае быстропротекающих оптических процессов, а такж в системах оптической модул ции, основанных на электрооптическом эффекте

Известны узкополосные оптические фильтры, содержащие двулучепреломл ющую с точкой инверсии кристаллическую пластинку, размещенную межДУ двум  пол ризаторами fП.

Такие фильтры имеют единственную пропускаемую (главные направлени  полйрнзации пол ризаторов перпендикул рны ) или блокируемую (главные направлени  пол ризации пол ризаторов параллельны) узкую спектральную полосу с центром при некоторой длине волны света д., перестройка которой по спектру осуществл етс  путем изменени  температуры и химического или стехиометричеслсого сотавов кристаллической среды.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату  вл етс  электрооптический фильтр, содержащий последовательно размещенные пол ризатор, электрооптический кристалл с электрда ш и анализатор Щ,

К недостаткам известшлх фильтров следует отнести ограниченные эксплуатационные возможности, зависимость характеристик фильтра от толщины кристаллических срезов, что влечет за собой усложнение технологии и в конечном итоге увеличение стоимости изготовлени , Кроме этого, зависимость пропускани  узкополосного фильтра от суперпозиции двулучепреломцени  и естественной оптической .активности приводит к по влению слабых боковых полос, что ухудшает селективные свойства этих фильтров.

Целью изобретени   вл етс  расширение эксплуатационных возможностей , улучшение селективных свойств и удешевление узкополосных оптических фильтров.

Цель достигаетс  тем, что в элек рооптическом фильтре, содержащем последовательно размещенные пол ризатор , электрооптический кристалл с электродами и анализатор, использован кристалл, обладанщий инверсией знака злектрооптического коэффициен308252

та, вырезанный так, что нормаль к входной плоскости кристалла совпадает с его негиротропным направлением.

В качестве кристалла, обладающего 5 инверсией знака электрооптического коэффициента может быть использован Aglnj..

На фиг.1 изображен схематически электрооптический фильтр; на фиг.2 10 и 3 - спектральные зависимости злектрооптического коэффициента () и полуволнового напр жени  (UA/J) ; на фиг.4 - расчетные спектральные зависимости пропускани  электрооптичес15 кого фильтра дл  различных электрических напр жений; на фиг.5 и 6 - спектральные зависимости соответственно пропускани  и блокировани  действующего узкополосного оптического фильт20 ра, полученные дл  напр жени  U2 8 кВ, при этом главные направлени  пол ризации пол ризатора и анализатора ориентированы соответственно параллельно и перпендикул рно.

5 Электрооптический фильтр состоит . из размещающихс  последовательно на пути параллельного светового потока 1 пол ризатора 2, первого прозрачного электрода, состо щего из

- стекл нной подпожки 3 и токопровод щей пленки 4, кристаллического элемента 5, второго прозрачного электрода , состо щего из токопровод щей пленки 6 и стекл нной подложки 7, анализатора 8. Пол ризатором 2 и

анализатором 8 служат пол ризационные призмы Глана-Томсона. Кристаллический элемент 5 представл ет собой плоскопараллельную пластину zсреза кристалла, принадлежащего к точечной группе симметрии 42т и обладающего инверсией знака электрооптического коэффициента. Пластины указанного типа вырезаютс  перпендикул рно кристаллофизической оси z

кристалла. Ось z  вл етс  оптической осью кристалла, поэтому дп  света, распростран ющегос  вдоль этого направлени , кристаллическа  пластина при условии, что к ней не

0 приложено электрическое поле, будет изотропной. Так как электрическое поле, прикладываемое к кристаллическому элементу 5, направл етс  параллельно световому потоку 1, то

5 используютс  два прозрачных электрода 3,4 и 6,7, Каждый электрод представл ет собой ; тонкую токопровод щую пленку 4,6 из закиси олова, на3 несенную на стекл нную подложку 3, 7. Электроды упруго прижаты или приклеены токопровод щей стороной к плоскост м кристаллического элемента 5 и подключены к источнику посто нного электрического напр жени  U. В совокупности элементы 3-7 образуют  чейку Поккельса. Главные плоскости пол ризации пол ризатора 2 и анализатора 8 могут быть либо взаимно перпендикул рными либо параллельными . Кристаллофизическа  ось X (или равноправна  ось У) кристаллического элемента 5 всегда ориентирована параллельно главному направлению пол ризации пол ризатора 2 или анали затора 8. Дл  фильтрации узкой спектральной полосы с центром при длине волны све та Ло электрооптический фильтр устанавливают в оптический тракт, после чего к кристаллическому элементу 5. прикладывают посто нное электрическое напр жение заданной величины. При этом в случае параллельного расположени  главных направлений пол ризации пол ризатора 2 и анализатора 8 (фиг,1) электрооптический фильтр пропускает узкую полосу спект ра с центром при дпине волны света Я.о, а в случае перпендикул рного расположени  главных плоскостей пол ризации затвор блокирует указанную полосу. В результате действи  электрического пол  в изотропном направлении кристалла индуцируетс  двулучепрелом ление, величина которого определ етс  выражением Csn)z fi i Е. где (дп)- индуцированное в изотропном направлении двулучепр ломпение; - электрооптический коэффициент; п- - обыкновенный показатель преломлени ; EZ - компонента напр женности электрического дол  вдоль . кристаллофизической оси X Следовательноj пропускание оптико-пол ризационной системы элактрооптического затвора определ етс  сле дующими зависимост ми: цри параллель ной оркентации главных направлений 254 пол ризации пол ризатора и анализатора У.1-Ли(г,и Ег 2П/л) -5«-(гиЯ./г fiJ И при перпендикул рной У Sin(.)-Si(i2.) (3) где j J/3« - пропускание электрооптичаского затвора; 1д - интенсивность падающего на затвор светового потока; d - интенсивность прршёдшего через затвор светового потока; V- длина волны света; 15 Е d2 - напр жение электрического пол ; d2 - толщина кристаллической пластшш в направлении осн z; ид, полуволновое напр жение . Как видно из шфажений (2) и(3}, пропускание 4ашьтра при посто нной величине электрического напр жени  определ етс  величиной и дисперсией полуволнового напр жени . Обыч но дл  всех известных кристаллов электрооптические коэффициенты характеризуютс  посто нством знака во всей области прозрачности и нормальной дисперсией - с уменьшением длины волны света значение электрроптнческого коэффициента увеличиваетс , а полуво нового напр жени  уменьшаетс . В этом случае при , фильтр в большей иди меньшей мере соответственно дисперсии электрооптического коэффихщента пропускает свет всех длин волн, а при , спектральное распределение пропускани  приобретает периодический характер. Однако спектральное распределение пропускани  указанного фильтра существенно измен етс , если используютс  кристаллы системы А81п,.дСах Sj , дл  которых электрооптический коэф нщиент (фиг. 2) при длине волны света Дв ,5 нм (х«1), становитс  равным нулю и по обе стороны от этой длины волны света имеет п ротивоположные знаки, так как имеет место инверси  знака электрооптического коэффшдаента . В длинноволновой области спектра электрооптнческйй коэффициент tgj остаетс  практически посто нным . Отмеченные особенности соответствующим образом отражаютс  на дисперсии полуволнового напр жени  (фиг, 3), которое с приближением к длине волны света д. о стремитс  к бесконечности, а в окрестности 550 нм достигает некоторого минимального значени  /l V2Xi/M

На фиг,4 кривые 9-1Г изображают в качестве примера, рассчитанное на уравнение (2) спектральное распределение пропускани  электрооптического фильтра с параллельной ориентацией главных направлений пол ризации пол ризатора и анализатора различных напр жений U (соответственно 2 кВ, 6 кВ, 8 кВ). Если электрическое напр жение не приложено к кристаллу, то фильтр пропускает весь падающий на него световой поток с спектральным составом, включающим практически весь оптический диапазон. Поэтому при работе в данной спектральной области один раз установленный фильтр может посто нно находитьс  в оптическом тракте , не оказыва  вли ни  на другие функциональные применени  светового потока. Когда к кристаллу прнложеио электрическое напр жение, то в спектральном распределении пропускаИи  электрооптического фильтра (фиг. 4) вцдел етс  полоса пропускани  с центром при длине волны светаЛ .п Дл  напр жений, меньших,чем /Uxf2ji 7,tKB/cff .(кривые 9,10), затвором пропускаетс  как полоса с центром при дпине волны света Др, так и частично вс  остальна  спектральна  часть светового потока. Кроме того, с увеличением приложенного к кристаллу напр жени  Цд спектральна  ширина полосы пропускани  с центром при Л.о уменьшаетс . Дл  электрических напр жений, близ.ких по величине к значению /ил/г)),кВ|см (крива  11) фильтром пропускаетс  лишь узка  полоса с центром при Л,, а вс  (за счет посто нства электроопти ческого коэффициента длинноволнова  спектральна  часть светового . потока полностью блокируетс .

.Аналогичные рассуждени  можно привести и дл  электрооптического фильтра с перпендикул рной ориентацией главных направлений пол ризации в пол ризаторе и анализаторе .В противположность к предыдущему случаю здесь с приложением к кристаллу напр жени , близкого по величине к / и /г Ъатвором блокируетс  узка  полосЭ с центром при длине волны света /( , а остальна  часть спектра светового потока пропускаетс . При этом электрооптический фильтр с перпендикул рной ориентацией главных направлений пол ризации в пол ризаторе и анализаторе не может посто нно находитьс  в оптическом тракте, так как при отсутствии электрического напр жени  окрещенные пол ризаторы не пропускают световой поток.

Как следует из полученных экспериментально . графиков, фильтром пропускаетс  (фиг.5) или блокируетс  (фиг.6) узка  спектральна  полоса с центром при дпине волны света . Однако уровень пропускани  в максимуме спектральной характеристики полосы фильтрации значительно ниже, чем в полученной расчетным путем ; (фиг. 4). Это св зано с тем, что при расчете не учитывались потери на отражение и поглощение элементами фильтра. Действующий узкополосный оптический фильтр при комнатной температуре и обладает следующими характеристиками: центральна  длина волны света До полосы фильтрации равн етс  479,5 нм полуширина полосы пропускани  составл ет около 10 А, а пропускание j-lOO % в максимуме спектральной характеристики 25%.

Расширение эксплуатационных возможностей достигаетс  за счет применени  в электрооптическом фильтре изотропного среза кристалла, обладающего инверсией знака электрооптического коэффициента. В этом случае электрооптический фильтр с параллельной ориентацией главных направлений пол ризации в пол ризаторе и анализаторе при отсутствии напр жени  на кристаллическом элементе пропускает весь падающий на него световой поток с спектральным составом, включающим практически весь оптический диапазон . Следовательно, при работе в данной спектральной области один раз установленный фильтр может посто нно находитьс  в оптическом тракте, не оказыва  вли ни  на другие функциональные применени  светового потока .

Улучшение селективных свойств достигаетс  тем, что пpимeн e в Iй в фильтре срез негиротропный. В известных уэкополосных оптических фильтрах на основе двулучепреломл ющего кристаллического среза пропускание в центре полосы обусловлено оптической активностью, т.е. гирацией . По этой причине их пропускание зависит от суперпозиции двулучепреломлени  и оптической активности , что приводит к нежелательному по влению слабых боковых полос. В данном фильтре боко вые полосы отсутствуют (фиг. 5 и 6).

Удешевление фильтра достигаетс  как за счет экономии ценного сырь , так и за счет упрощени  технологии изготовлени . Действительно, электрическое поле прикладываетс  к кристаллу вдоль оси .:;z и свет проходит путь df в том же направлении. Произведение в представленных ранее выражени х (2) и (3) представл ет напр жение U, приложенное к кристаллу Поэтому кристаллический элемент может быхь вырезан в виде какой угодно тонкой пластины, при iэтом отпадает необходимость в контроле ее толщины, тем самым упрощаетс  технологи  изготовлени .

(u, j

иг.2

40

jOniH.eff

5006QO

700 /IjHM

ФигЛ

Claims (2)

1. l.ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР, содержащий последовательно размещенные поляризатор, электрооптический

   SU „,.1130825 кристалл с электродами и анализатор, отличающийся тем, что,с целью расширения его эксплуатационных возможностей, улучшения селективных свойств и удешевления, использован кристалл, обладающий инверсией . знака электрооптического коэффициента, вырезанный так, что нормаль к входной плоскости кристалла совпадает с его негиротропным направлением.
2. 2. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что в качестве кристалла, обладающего инверсией знака электрооптического коэффициента, использован кристалл AgltL^a^S

   1 1130825 2