Фокусуючий елемент
Використання: у квантовій електроніці для створення оптичних систем з безінерційним керуванням сфокусованим випромінюванням. Сутність: елемент выполнен1 з нелінійного одновісного кристала 1 з оптичною віссю OZ, перпендикулярної осі 7 елемента: на перпендикулярних оптичній осі гранях 4,5 елемента нанесені електроди 6, підключені до додатково введеного джерела живлення 8, що розділяють кристал на зони К 1,2,3 . причому профіль електродів у межах кожної зони утворений відповідною даною зоною частиною параболи, Ьпе3гззЕ const, де пе - незвичайний показник заломлення кристала, ъг - електрооптичний коефіцієнт, ? - напруженість електричного поля в кристалі, b - фокусна відстань, а відстані від країв зон до фокус відрізняються ціле число довжин хвиль. 4 іл.
РЕСПУБЛІК(я)5 G 02 F 1/29
ВІДОМСТВО СРСР (ГОСПАТЕНТ СРСР) ОПИС ВИНАХОДУ
До СВІДОЦТВОМ (21) 4807188/25 (22) 29.03,90 (46) 28.02.93. Бюл. М 8 (71) Московський інститут радіотехніки, радіоелектроніки та автоматики (72) В.В.Груздєв, А,С.Маркін,- Ю.І,Туснов та
В.І. Рябень ков (56) Заявка Японії N 60-35667, кл. G,03 Н
Заявка Франції N – 2585854, кл. G 02 F
1/19, 1987. (54) ФОКУСУЮЧИЙ ЕЛЕМЕНТ. (57) Використання: у квантовій електроніці для створення оптичних систем з безінерційним керуванням сфокусованим випромінюванням. Сутність: елемент виконаний з
„„. Ж „„1798758 А1 нелінійного одновісного кристала 1 з оптичною віссю OZ, перпендикулярної осі 7 елемента; на перпендикулярних оптичній осі гранях 4,5 елемента нанесені електроди 6, підключені до додатково введеного джерела живлення 8, що розділяють кристал на зони К = 1,2,3. причому профіль електродів у межах кожної зони утворений відповідною даною зоноючастиною параболи, у2/х = bn кені зон симетрично щодо осі ОХ, Відстань від вихідної грані кристал- 40 ла вздовж напрямку OX і точки В, тобто, фокусна відстань позначено b, Напрямки 9 10, 11 вказують хід променів від . зовнішніх кордонів перших трьох зон відповідно, 45
Нелінійний кристал для фокусуючого елемента обраний одновісним, що зберігає свою одноосність і при налагоджуванні вздовж його оптичної осі електричного поля, Кристал вирізаний паралельно своїй 50 оптичної осі у вигляді прямокутної пластини Довжиною d.
Електроди, нанесені на верхній та нижній бічних гранях, мають профіль, що змінюється па закону 55
Р 3 bnе ГззЕ = сапзт, х
Це співвідношення можна отримати з умови фокусування, тобто. сталості д=Х (4) для невеликих порівняно з b значеннях координати у. Це збільшення оптичної довжини шляху променя 13 порівняно з 12 може бути компенсовано за рахунок зменшення показника заломлення на деякій ділянці пластини довжиною X на величину Апе за допомогою електричного поля, прикладеного вздовж оптичної осі кристала (вісь OZ). Дотримуючись позначень фіг.3, умова рівності оптичних довжин шляху променів 12 і 13, можна записати у вигляді, х(пе- A ne)+(d-x)ne+b+ Л =пе(1+Ь, (5) яке з урахуванням ( 4) наводиться до вигляду
Це співвідношення визначає форму електродів, які потрібно нанести на грані пластини, перпендикулярні осі OZ.
У одноасних кристалах для незвичайної хвилі
Лпе = вЂ" ne гззЕ. з
2 (7) Тоді (6) можна записати у вигляді з ; = Ьпе гззЕ = const. (1)
При незмінній формі електродів величина bne гззЕ повинна залишатися постійною і, отже, при зменшенні, наприклад, напруженості поля Е відповідно збільшуватиметься фокусна відстань Ь. оптичноїдовжини шляху променів, що падають на вхідну грань у межах однієї зони до фокусу.
Нехай на пластину з одновісного кристала, вирізану паралельно його оптичної осі, падає плоска лінійно-поляризована монохроматична хвиля вздовж напрямку перпендикулярного його оптичної осі (фіг.3). Промінь 12 . йде вздовж асі ОХ (вісь фокусуючого елемента), промінь 13 йде в кристалі паралельно променю 12 на відстані від нього в межах цієї ж зони. Для того, щоб плоска хвиля фокусувалася на відстані від вихідної грані пластини, необхідно, щоб оптичні довжини шляху променів 12 і 13 від площини X = О до фокусу були б однакові. На фіг.3 видно, що промінь 13 в повітрі проходить шлях більший на величину h, яка, як це випливає з геометричних міркувань, дорівнює
Як видно з (1), профіль електродів має вигляд параболи. Для того, щоб елемент був плоским і досить тонким, профілі електродів у кожній зоні повинні бути частиною цієї параболи, . які утворені розсіченням її відрізками прямих, паралельних осі OY і віддалених один від одного на відстані d, та перенесених паралельно самим собі у площину Х = 0
З (1) також видно, що слід використовувати промені з незвичайною поляризацією. Це обмеження введено, так як використання нелінійних властивостей кристала для незвичайної хвилі збільшує фокусуючі властивості елемента і дозволяє забезпечувати працездатність пристрою при досяжних значеннях напруженості електричного поля в кристалі < -10 В/см і менше. Для
4 звичайної хвилі ефект проявляється, але значно слабший.
При даній товщині кристала d за рахунок електрооптичного ефекту в ньому може бути компенсована максимальна оптична різниця ходу, що дорівнює
Л max = d Л пе = d вЂ"neI33E.
Максимальна різниця ходу повинна бути кратна довжині хвиль Алахd Лпе
= m 1, звідки m = вЂ" а вЂ", де m вЂ" ціле число, На фіг.2 видно, що для забезпечення працездатності, зовнішня межа k-ї зони повинна знаходитися на відстані b+k m Л,від точки В. Таким чином, відстань від В до країв сусідніх зон відрізняється на постійну величину, рівну m Л, Наприклад, на фіг.2 длл 3-ї зони ця відстань
Рівно Ь+ Згп Лілі Ь + вЂ" пе гззбЕ.
Координата Ук зовнішньої межі k-ї зони може бути визначена (див.фіг,2) з (Ь + вЂ" k d пе Г33 Е ) вЂ" Ь
2 або для невеликих номерів зон k ук =mob l = 9,4 мм, радіус останньої 30-ої еони гзо
= 51,4 мм. Для порівняння вкажемо, що у про. тотипі r> = 0,5 мкм; d = 0,6 мкм. Таким чином, радіуси зон у пропонованому пристрої в 12 разів більше радіусів зон у прототипі, а максимальна глибина профілю електрода в 10 більше глибини профілю прототипу.
При цих параметрах пристрій дозволило фокусувати випромінювання у відрізок прямої в межах від bmin = 1 до оо.
Використання в даному пристрої як фокусуючого елемента кристала з електрооптичним ефектом і створення в ньому електричного поля спеціальної конфігурації, забезпечене запропонованою формою електродів і вибором відповідних параметрів пристрою, вигідно відрізняє пропонований пристрій від прототипу, так як у пропонованому пристрої, по-перше, збільшені габаритні розміри зон, що дозволило значно спростити технологію його виготовлення, і, зокрема.
50 сти, реалізувати плавне, а не ступінчасте, як у звичайних фокусаторах, зміна оптичної товщини в межах кожної зони, по-друге, вирішена задача управління положенням сфокусованого випромінювання в просторі.
Пропонований пристрій порівняно нескладний у виготовленні. оскільки операції з розрахунку і нанесення електродів на кристал можуть бути виконані з використанням стандартного комп'ютерного і фотолітографічного обладнання, і має високі експлуатаційні якості.
Воно може бути використане для оптичної локації та зв'язку, створення сучасних інформаційно-скануючих систем в оптичному приладобудуванні.
Економічний ефект може бути отриманий як при виготовленні пропонованого пристрою за рахунок його спрощення порівняно з прототипом, так і при його використанні, за рахунок розширення функціональних можливостей в частині забезпечення безінерційного управління фокусною відстанню. Визначити економічний ефект є можливим лише в конкретному застосуванні пристрою.
Фокусуючий елемент, виконаний у вигляді прямокутного паралелепіпеда з оптично прозорого матеріалу з симетрично розташованими щодо осі елемента зонами змінної оптичної товщини, величина якої при переході від однієї зони до іншої змінюється стрибком, що відрізняється тим, що з метою спрощення елемента та забезпечення дискретного керування фокусною відстанню для лінійно поляризованого випромінювання, в нього додатково введено джерело живлення, як матеріал використаний нелінійний одновісний кристал, оптична вісь якого перпендикулярна до осі елемента, на перпендикулярних до оптичної осі кристала гранях елемента нанесені електроди, підключені до джерела живлення, що розділяють кристал на зони, причому профільів електродів у межах кожної еони утворений відповідною даною зоною частиною параболь1
/x = Ьпе ГззЕ = соп$
2 3 де і, вЂ" незвичайний показник заломлення кристала; гзз вЂ" електрооптичний коефіцієнт;
Е вЂ" напруженість електричного поля кристалі; b вЂ" фокусна відстань, що відраховується від вихідної грані кристала, а зовнішня межа кожної зони відстає від фокусу на відстані, що дорівнює
Ь + вЂ" l(dAe гззЕ
2 де d вЂ" довжина елемента
k вЂ" номер зони.
Техред М.Моргентал. Коректор М.Мілюкова
Виробничо-видавничий комбінат "Патент", м. Ужгород, вул.Гагаріна, 101
Замовлення 771 Тираж Подісне
ВНДІПД Державного комітету з винаходів та відкриття при ДКНТ СРСР