SU183485A1 - Электрооптическое устройство с несколькими - Google Patents

Description

Известны электроонтические устройства с несколькими устойчивыми состо ни ми, содержащие оптическую линию задержки, фотоэлектрический преобразователь, СВЧ-усилитель , детектор с интегрирующим звеном и перестраивающийс  СВЧ-генератор. В этих устройствах, использованы два модул тора света, что усложн ет конструкцию и снижает надежность.

Предложенное устройство отличаетс  от известных тем, что дл  его упрощени , повыщени  надежности и увеличени  числа устойчивых состо ний, в нем оптическа  лини  задержки содержит отражающее зеркало, установленное вне основной части устройства и полупрозрачное зеркало, установленное под углом 45° между пол роидом и электрооптическим кристаллом светового модул тора.

Па фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - его амплитудно-частотна  характеристика.

Устройство содержит электрооптический модул тор 1 с кристаллом 2 Поккельса, помещенным в электрическое поле СВЧ объемного резонатора 3, а также скрещенные николи 4 и 5 (пол роид и анализатор соответственно), оптическую линию задержки 6 с отражающим зеркалом 7, полупрозрачные зеркала 5 и Я фотоэлектрический преобразователь 10 (например , фотоэлектронный умножитель), широкополосный СВЧ-усилитель 11 (например, на лампе бегущей волны; ФЭУ и ЛБВ могут быть объединены в единый блок-фото ЛБВ), СВЧ-детектор с интегрирующим звеном 12, унравитель частоты 13 и перестраиваемый по частоте СВЧ-генератор 14 (например, на лампе обратной волны типа «О).

Устройство представл ет эквивалентно обобщенный четырехполюсник с немонотонной амплитудной характеристикой (см. фиг. 2) гребенчатого тина. Замыкание его в петлю обратной св зи (что представлено пр мой обратной св зью) согласно классическому рассмотрению обеспечивает наличие у системы

многих устойчивых полол.ений равновеси . Точками на графиках обозначены области устойчивого равновеси , в каждой пз которым может неограниченно долго находитьс  прибор (режим его работы). Другие пересечени  характернзуют области неустойчивого равновеси  в приборе. Каждому устойчивому положению равновеси  отвечает определенное значение частоты колебаний СВЧ-генератора 14.

Устройство работает следующим образом.

Луч света (в общем случае некогерентного и немонохроматического), проход  через пол роид 4, становитс  линейно пол ризованным . Затем после прохождени  через нолуэлектрооптический модул тор 1, собранный на электрооптическом изотропном кристалле 2 Поккельса и СВЧ объемном резонаторе 3. Если в резонаторе отсутствуют электрические колебани , то свет проходит через линию задержки 6, отражаетс  от зеркала 7, вновь проходит линию задержки и выходит из модул тора 1, остава сь линейно пол ризованным . При этом часть светового потока отражаетс  от полупрозрачного зеркала 8 и воздействует на анализатор, в качестве которого использован скрещенный николь. Как известно, свет, ориентированный нол роидом 4, например , в вертикальной плоскости не проходит через скрепденный николь 5, так как иоследний ориентирует свет в горизонтальной плоскости . На выходе анализатора световой поток отсутствует, если резонатор 3 не возбужден. Так как резонатор 3 св зан с СВЧ-генератором 14, то в нем имеютс  электромагнитные колебани , которые привод т к модул ции света в кристалле 2 по пол ризации. Кристалл 2 Поккельса обладает свойством двойного лучепреломлени  в электрическом продольном поле. При приложении к кристаллу переменного электрического СВЧ-пол  световой поток на выходе кристалла дл  пр мой волны, распростран ющейс  от источника света к зеркалу 7, становитс  эллиптически пол ризованным , т. е. модулируетс  по пол ризации. Эллиптически пол ризованный свет может быть представлен, как известно, суперпозицией двух линейно пол ризованных комнонент света, электрические векторы которых колеблютс  во взаимно перпендикул рных направлени х с частотой света, причем характер пол ризации зависит от сдвига фаз между этими колебани ми. Если сдвиг фаз равен нулю, то результирующее колебание - это линейно пол ризованный свет. Если разность фаз составл ет 90°, то результирующий свет  вл етс  пол ризованным по кругу (амплитуды компонент считаютс  одинаковой величины). При произвольном значении угла разности фаз свет представл етс  в общем случае эллиптически пол ризованным. Пусть амплитуда напр женности электрического СВЧ-пол  такова, что при однократном прохоладении линейно нол ризованного света через кристалл 2 Поккельса свет на его выходе становитс  эллиптически пол ризованным с углом разности фаз, равным 45°, (это условие всегда легко выполнимо). Иначе говор , вдоль оптической линии задержки 6 распростран етс  свет с периодически измен ющимс  характером пол ризации, причем угол разности фаз б осциллирует в пределах 44 С периодом осцилл ции, равным периоду СВЧ-колебани , действующего в СВЧ-резонаторе 3. Таким образом, модул тор / дл  пр мой волны выполн ет функцию формирующего устройства т. е. преобразует непрерывный и неизменный по амплитуде световой поток с линейной пол ризацией в непрерывный и неизменный по амплитуде (интенсивности) световой поток с периодически измен ющимс  характером пол ризации. Пол ризационно-модулированна  обратна  светова  волна, распростран юща с  от зеркала 7 к модул тору /, вновь проходит через модул тор после некоторой задержки т в оптической линии задержки 5, равной , (2) где / - конструктивна  длина линии (рассто ние между модул тором и зеркалом), п - показатель преломлени  среды, заполн ющей линию задержки, с - скорость света в вакууме. В зависимости от соотношени  времени задержки в линии 6 и периода СВЧ-колебаний в резонаторе 3 модулирующее вторичное воздействие модул тора / на обратную световую волну может быть различным. Так, если в момент прихода на модул тор волны света, характеризующейс  углом б, равным 45°, напр женность электрического нол  в кристалле 2 такова, что создает дополнительное лучепрелол1ление на 45°, то на выходе модул тора свет имеет разность фаз 90°, т. е. имеет круговую пол ризацию. Такое совпадение «настройки модул тора с моментом прихода на него света с углом разности фаз 45° как бы эквивалентно удвоению длины кристалла 2, так как известно, что разность фаз б нропорциональна длине к-ристалла (при неизменной напр женности электрического управл ющего пол ). Если в момент поступлени  на модул тор света с разностью фаз линейно пол ризованных комнонент эллиптически пол ризованного света, равной 45°, состо ние «настройки модул тора таково, что создает отрицательное приращение разности фаз на -45°, то выходной световой поток после модул тора линейно пол ризован, то есть такой же, как в отсутствие электрического пол  в кристалле 2. Могут быть также другие промежуточные значени  результирующего угла сдвига фа  в выходном потоке света, дважды прощедщего модул тор /. Важно то, что характер пол ризации в выходном световом потоке, прощедщнм модул тор, зависит от частоты СВЧ-колебаний в резонаторе 3. Таким образом, световой модул тор / дл  обратной волны света осуществл ет функции «пол ризационной схемы совпадений. Угол сдвига фаз б дл  пр мой волны света онредел етс  как 6i / cf ocosu)t,(3) где К.- посто нна  Поккельса; d - длина кристалла 2 Поккельса; Е - амплитуда напр женности электрического пол  в криста.лле 2; со - кругова  частота СВЧ-колебаний в резонаторе 3.

Угол сдвига (дополнительного) фаз б дл  обратной волны света наход т с учетом времени задержки в линии 6 как

62 /Cu EoCOs(+t)cu,(4)

где т - врем  задержки в линии (3), определ емое на основании выражени  (2).

Тогда суммарный сдвиг фаз линейно пол ризованных компонент эллиптически пол ризованного света на выходе модул тора (после его двойного прохождени  светом), обозначаемый как бв , равен 6s 61+62 2/(й оСО5ф cos (wt + ф),(5)

где угол (р определ етс  задержкой т как

О

Как было указано выще, амплитуда напр женности электрического пол  -Бо выбираетс  так, что 6 45°, т. е. имеет место равенство КЛЕ, Поэтому на основании выражени  (5) можно заключить, что результирующа  разность фаз 6s может измен тьс  по модулю в пределах .l-f (8) в зависимости от угла бг , который, в свою очередь определ етс  значением частоты со колебаний в резонаторе 5. Дл  заданного значени  частоты со член 2KdEoCOS(p выражает амплитуду угла б s в выражении (5), следовательно, последн   существенно зависит от частоты колебаний в резонаторе . Как известно, при наличии скрещенных николей 4 к 5 интенсивность выходного света (после пикол  5) достигает максимума при условии, что 6v --, или минимальна, если Sv 0. Таким образом, услови  максимума и минимума выходной интенсивности света могут быть записаны в следующей с|)орме: max- ::2-n,(9) LI - - шш - 2 2 где /г 1, 2, 3, ... - целое число, / -интенсивность выходного света (после никол  5), /о - интенсивность облучени  (до викол  Световой поток, промодулированный по амплитуде колебапи ми СВЧ, амплитуда которого существенно зависит от частоты модулирующих СВЧ-колебаний, преобразуетс  в фотоэлектричес хом преобразователе в соответствующей величины электрическое напр жение

и представл ющее СВЧ-колебание с частотнозавнсимой амплптудой. Коэффициент t выражает степень преобразовапи  световой энергии в электрическую в фотоэлектрическом преобразователе.

СВЧ-колебание с выхода фотоэлектрического преобразовател  10 усиливаетс  затем в широкополосном СВЧ-усилителе // (если это необходимо) и детектируетс  в детекторе 12,

работающем, например, в режиме квадратичного детектпровани . Выход (нагрузка) детектора св зан с интегрирующим звеном, усредн ющим значение продетектированного сигнала. Полученное значение напр жени 

и,р  вл етс  управл ющим дл  работы управител  частоты 13 и равно

у,

(, рС08 , (12)

20 где К у - коэффициент усилени  в усилителе // по напр жению, /С а - коэффициепт детектировани  в детекторе 12. иоупр- наибольщее возможное значение управл ющего напр жени . Из выражени  (12) непосредственно следует. что управл ющее напр жение представл ет собой немонотонную функцию (см. фиг. 2) гребенчатого типа, аргументом которой  вл етс  частота колебаний со в резонаторе 3 (при посто нном значении времени задержки т в линии 6). Управл ющ,ее напр жение воздействует на управитель частоты 13 и приводит к изменению частоты генерируемых в СВЧ-генераторе 14 колебаний, например, по закону; ш со„)„(1 +аУ,д,(13) где m -текущее значение частоты колебаний СВЧ генератора 14, comin - минимальное значение частоты, получаемое при Uy,,, 0, а - пекоторый посто нный коэффициент , имеющий смысл крутизны преобразовани  управл ющего напр жени  в частоту колебаний. Графически выражение (13) представл етс  в форме пр мой обратной св зи на фиг. 2. На ocHOBainin выражений (12) и (13) можно записать уравнение 1 + « ov««cos в качестве неизвестного в данном уравнени  выступает частота со. Уравнени  типа (14) легко решаютс  графическим методом (см. фиг. 2): в точках пересечени  двух графиков тырехполюсника с иемоиотонпои амплитудной амплитудно-частотной) характеристикой гребенчатой формы нриводит к многоустойчивому режиму работы системы авторегулировани . Устойчивыми будут те ноложени  равновеси  (число их равно числу корней уравнени  (14), то есть равно числу нересечений графиков функций на фиг. 2), которые образованы- пересечени ми графиков соответствующих функций в точках (отмечены на фиг. 2), в которых соответствующие функции имеют производные разных знаков. Таким образом, число устойчивых состо ний равновеси , которое может быть реализовано в системе, равно числу «горбов немонотонной характеристики четырехполюсника (обобщенного). Как следует из выражени  (9), определ ющего максимум немонотонной амплитудно-частотной характеристики ,ч2,тырехполюсника, увеличение числа устойчивых состо ний равновеси  возможно при увеличении времени задержки т в линии 6, так как 1. . . - «, Т где Г - период колебаний в СВЧ-резонаторе 3. При этом имеетс  в виду, что такое увеличение числа устойчивых состо ний равновеси  в приборе достигаетс  при одном и том же значении перекрыти  но частоте генерируемых генератором 14 колебаний, то есть и при одной и той же величине отношени  максимально генерируемой частоты СВЧ-колебаний к минимальной (это перекрытие обычно определ етс  параметрами примен емого СВЧ-генератора , оно максимально в случае применени  генераторов на лампах обратной волны типа «О). Предмет изобретени  Электрооптическое устройство с несколькими устойчивыми состо ни ми, содержащее электрооптический модул тор света, оптическую линию задержки, фотоэлектрический преобразователь, СВЧ-усилитель, детектор с интегрирующим звеном, устройство управлени  частотой и перестраиваемый СВЧ-генератор , отличающеес  тем, что, с целью упрощени , повышени  надежности и увеличени  числа устойчивых состо ний, в нем оптическа  лини  задержки содержит отражающее зеркало , установленное вне основной части устройства , а также полупрозрачное зеркало, установленное под углом 45° между пол роидом и электрооптическим кристаллом светового модул тора.

Фиг.1

Фиг. 2