Конфокальний частотний модулятор монохромного світла на синхронізованих перетворювачах

Реферат: Конфокальний частотний модулятор монохромного світла на синхронізованих перетворювачах - оптичний прилад, призначений для зміни частоти електромагнітної хвилі завдяки ефекту Доплера. Прилад функціонує за наступним алгоритмом: джерела лазерного випромінювання (1), що випромінює пучок лазера (2), що здійснює радіальний скануючий рух після проходження через акустооптичний дефлектор (3). Коліматорна лінза (4) перетворює радіальне зміщення пучка (2) у горизонтальне, так що пучок (2) падає на призму (5) під однаковим кутом протягом всієї ширини сканування. Пучок (2) відбивається від акустичного хвильового пакета (7), що генерується перетворювачем (6) та поглинається пасивним перетворювачем (9). Пучок (2), відбившись від хвиль (7), повертається по вихідній траєкторії та фокусується світлодільником (13) у точці детектора (14), де скануючий пучок (2) може бути зведений для розповсюдження у єдиному напрямку для подальшого використання. Ефект Доплера спричиняється різною довжиною оптичного шляху пучка від джерела (1) до фокусної точки (14), відносно фази горизонтального зміщення. Необхідний синхронізований сигнал на перетворювачі та акустооптичний дефлектор подається електронно-обчислювальною машиною (16). UA 98237 C2 (12) UA 98237 C2 UA 98237 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Заявлений винахід належить до конфокальних частотних модуляторів монохромного світла на синхронізованих перетворювачах. Конфокальний частотний модулятор монохромного світла на синхронізованих перетворювачах являє собою оптичний прилад, що використовує лазерне випромінювання як джерело, де частота коливання електромагнітного поля лазерного пучка модулюється завдяки ефекту Доплера, що спричиняється циклічною зміною довжини оптичного шляху. Зміна частоти, яку спостерігають, таким чином, зумовлена хвильовим походженням світла і пояснюється зміною кількості прийнятих спостерігачем хвиль за певний проміжок часу, причому величина зміни частоти, яку спостерігають, прямо пропорційна частоті зміни довжини оптичного шляху. За галузевим призначенням, прилади, що змінюють частоту лазерного пучка, відносяться до лазерів з настроюванням, причому, існує багато інших методів настроювання частоти або довжини електромагнітної (ЕМ) хвилі, окрім ефекту Доплера. Прилади із використанням акустооптичної модуляції, де частота лазера може дуже швидко змінюватись (від мікро- до наносекунд), широко застосовуються у галузі зв'язку, а саме оптоволоконних мережах, де лазерне випромінювання використовується для передачі інформації, та за рахунок частотної модуляції ця інформація кодується. Швидка частотна модуляція також впроваджена в пристроях для синхронізації хвиль всередині лазерного резонатора, що значно поліпшує якість вихідного пучка. Ознаки хвилевої природи світла визначають параметри його розповсюдження при взаємодії із різноманітними оптичними середовищами. Безпосередньо, такі характеристики розповсюдження ЕМ хвиль як, наприклад: дисперсія, дифракція, рефракція, інтенсивність відбитого та поглиненого пучка світла та інші, залежать від довжини й відповідно - частоти ЕМ хвиль. Завдяки настроюванню частоти лазера існує можливість оптимізувати функціонування оптичних систем без зміни властивостей оптичних матеріалів, наприклад, підібравши певну частоту зменшити рівень поглинання ЕМ енергії лінзою із певного матеріалу тощо. З точки зору промислового та наукового застосування властивість регулювати частоту світла у широкому діапазоні є корисною через фізичні особливості взаємодії EM радіації із матеріальними частинками. За законами квантової механіки - специфіка взаємодії ЕМ радіації із матеріальними частинками полягає у властивості матерії поглинати певний спектр ЕМ радіації строго в залежності від хімічних та механічних параметрів цієї матерії. Процес поглинання або емітування ЕМ радіації матеріальними частинками пов'язаний зі зміною рівня енергії цих частинок. Хоча, виявлено, що передача енергії матеріальній частинці через ЕМ радіацію відбувається у дискретній кількості (кванті, безпосередньо для світла - фотоні), рівень енергії кванта прямо пропорційно пов'язаний із частотою або довжиною хвилі світла. Таким чином, наприклад, при застосуванні лазерного зварювання різних за хімічним складом полімерів, які мають певний спектр поглинання, лазерне випромінювання можна оптимально настроїти на частоту, для якої один із шарів буде прозорим та яку інший шар буде поглинати, відповідно, збільшуючи свою температуру через збільшення власної енергії. Одним із перспективних напрямків застосування лазерів з настроюванням є галузь доплерівського лазерного охолодження. Охолодження об'єкта, на який напрямляється інтенсивний пучок лазера (фотонів), відбувається завдяки квантово-механічним ефектам, а саме зменшенню кінетичної енергії атомів в цьому об'єкті або уповільненню їх руху через взаємодію із фотонами. Фотони, із енергією еквівалентною енергії поглинання атомів надають атомам свій імпульс, причому атоми на певний час збільшують свою вагу та зменшують свій початковий імпульс, відповідно, зменшуючи швидкість руху. Надалі, процес випромінювання фотона атомом відбувається у хаотичному напрямку й відповідно вірогідність того, що імпульс відбиття буде напрямлений у початковому напрямку, є невелика. Таким чином, під дією інтенсивного пучка лазера, після ланцюга поглинань та випромінювань фотонів швидкість атома уповільнюється. Так як пучок лазера напрямлений на атоми, що рухаються у напрямку, протилежному за випромінювання пучка лазера, завдяки ефекту Доплера атоми будуть «спостерігати» вищу частоту лазера або вищу енергію фотона у порівнянні із початковою частотою у джерелі випромінювання. Тому для дотримання рівня енергії фотона достатнього для його поглинання атомом необхідно мати можливість настроїти лазер на нижчу частоту випромінювання, скориговану на ефект Доплера, що його «спостерігає» атом, що рухається. Відомі сьогодні прилади, що є аналогами заявленого винаходу, як правило, близькі за принципом дії до пристрою, описаному у патенті US 4264141 від 28 квітня 1981. У цьому пристрої зміна довжини оптичного шляху від джерела до приймача здійснюється за рахунок напрямлення пучка лазера на дзеркало, що обертається, в свою чергу дзеркало на певній фазі обертання відбиває пучок в сторону приймача. Обертальний рух дзеркал дозволяє отримати рівномірну циклічну або квазі-постійну відносну швидкість між джерелом та приймачем. Таким 1 UA 98237 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 чином, відбувається віртуальне зближення джерела та приймача або зменшення оптичного шляху між ними, причому, швидкість зміни довжини оптичного шляху від джерела до приймача вдвічі вища за умовно лінійну швидкість дзеркала. Прилади, що використовують описаний вище принцип мають низку недоліків, що обмежують діапазон їхнього застосування. По перше, швидкість обертання дзеркал механічно обмежена відцентровою силою, при надвисоких частотах обертання конструкція може не витримати перевантаження, спричинене цією силою, тобто можлива величина зсуву частоти теж є обмеженою. Іншим важливим недоліком є те, що діаметр відбитого пучка повинен постійно утримуватись в межах певної площини приймання, так як інакше ефект Доплера не буде спостерігатися. Це зумовлено фізичними властивостями взаємодії дзеркала та пучка світла хоча дзеркало і є тілом, що рухається, допплерівський зсув частоти не буде відбуватися на поверхні цього дзеркала, через відсутність передачі енергії дзеркалу, так як пучок відбивається. Це обмеження описується у науковій статті проф. X. Ньювенхайзена, під назвою «Про допплерівську частоту зсуву світла, використовуючи обертальні дзеркала», видання: Bulletin Astrophysical Institute Netherlands 20, с. 300-308, 1969 p. Очевидно, що з практичної точки зору, втримати діаметр пучка, відбитого від дзеркала, що обертається у будь-якій площині, у певній точці приймання достатньо важко, так як нормаль площини дзеркала буде слідувати по дотичній обертання та відповідно змінювати кут відбиття пучка. Існує практично впроваджений прилад, що використовує ефект Доплера через циклічну зміну оптичного шляху із застосуванням оптоволоконного хвилеводу. Принцип функціонування приладу наведений у науковій статті: «Частотна модуляція завдяки ефекту Допплера в оптичних волокнах» П. Оберсон, Б. Хуттнер та Н. Джізін у виданні Optics Letters, Vol. 24, No. 7, від 1 квітня 1999 р. У цьому приладі, уздовж свого шляху, циклічно розтягується оптоволоконний хвилевід, що з'єднує джерело випромінювання із приймачем. Така подовжня деформація спричиняє, відповідно збільшення та зменшення оптичного шляху, що проходить пучок від джерела до приймача залежно від частоти деформації, задовольняючи таким чином умови появи ефекту Доплера. Слід зазначити, що зміна довжини оптичного шляху у такому приладі не відбувається лінійно, так як при деформуванні волокна змінюється його структура й, відповідно, показник заломлення. Завдяки явищу повного внутрішнього відбиття пучок світла постійно утримується всередині хвилеводу та, відповідно, проблема тривалого напрямлення пучка на площину приймача вирішується. Тим не менш, проблема отримання надвисокої частоти зміни довжини оптичного шляху у цьому приладі залишається не вирішеною через обмеження пов'язані з механічною напругою, яке може витримати волокно при його швидкій деформації. Найближчим аналогом до заявленого винаходу, за принципом дії, є патент US 4849760. Згідно з описом, пристрій використовує нерухомий пучок світла, що відбивається від поверхневих акустичних хвиль, для визначення їх швидкості завдяки ефекту Допплера. Впровадження такого принципу для спричинення доплерівського зсуву у ЕМ хвилі із подальшим її використанням, з точки зору практичної реалізації, було б ускладнено через значний ступінь розсіювання відбитого пучка, що в свою чергу спричинений генеруванням неодноманітних акустичних фронтів. Відомо також, що швидкість розповсюдження поверхневих акустичних хвиль є, як правило, відносно низькою, у порівнянні, наприклад, із об'ємними акустичними хвилями, що зменшує шуканий корисний ефект. З огляду на вказані недоліки рівня техніки схеми джерело - рухома відбиваюча поверхня спостерігач, що обмежують практичне застосування ефекту Доплера для настроєння частоти світлового пучка, технічною задачею заявленого винаходу є збільшення механічної швидкості відбиваючої поверхні, що, в свою чергу, збільшить відносну швидкість між джерелом випромінювання та спостерігачем, збільшуючи таким чином діапазон зсуву частоти пучка. Принцип дії заявленого винаходу заснований на використанні фотоеластичних властивостей твердих або рідких тіл із високими швидкостями розповсюдження об'ємних акустичних хвиль. Як відомо, завдяки фотоеластичним властивостям при наданні тілу, через п'єзоперетворювач, коливальної механічної напруги, згенеровані таким чином акустичні хвилі, перерозподіляючи тиск, пропорційно розподіляють проникність електричного поля. Неоднорідність електричної проникності спричиняє, відповідно, неоднорідність фазової швидкості розповсюдження ЕМ хвиль у середовищі або показника заломлення. За таких умов, на межі розділення показників заломлення відбувається зміна траєкторії розповсюдження ЕМ хвиль, в тому числі й відбиття. Таким чином, саме фронти акустичних хвиль виконують роль дзеркал і швидкість їх розповсюдження визначатиме швидкість віртуального зближення або віддалення джерела та спостерігача у цьому пристрої. Слід зазначити, що швидкість розповсюдження акустичних хвиль у таких кристалах, як, наприклад, плавлений кварц, сягає 2 UA 98237 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 понад 5900 м/с (http://www.isomet.com/FinalWebSite/PDFDocs/AO%20Sheets/M1134-FS80L-3.pdf), що значно перевищує практично можливу механічну швидкість відбиваючої поверхні для пристроїв відповідного рівня техніки відомих на сьогодні. З точки зору практичної реалізації такого принципу, при напрямленні нерухомого, відносно середовища, пучка лазера на акустичні хвилі, під будь-яким кутом у просторі взаємодії, напрямок відбиття буде швидко змінюватись, через відповідно швидку зміну значення тензора механічної напруги у середовищі відносно вектора пучка лазера. За таких умов, проміжок часу, за який пучок буде відбиватись у бажаному напрямку, буде дуже малий. Для збільшення тривалості взаємодії ЕМ та акустичних хвиль при незмінному показникові акустичного градієнта, у заявленому винаході лазерному пучку надається зворотно-поступальне горизонтальне зміщення у площині розповсюдження акустичних хвиль, причому, відповідно, швидкість такого зміщення синхронізується із швидкістю розповсюдження акустичних хвиль. Необхідною умовою виконання технічної задачі за запропонованою схемою є: неоднакова довжина оптичного шляху лазерного пучка на різних фазах зворотно-поступального руху (сканування); та фокусування скануючого пучка в точці спостереження зсуву частоти. Отже, конфігурація приладу являє собою: джерело лазерного випромінювання, пучок від якого напрямлений на сканер, який в свою чергу надає пучку скануюче радіальне зміщення у певній площині; на шляху розповсюдження цього скануючого пучка встановлюється коліматорна лінза із нескінченною вихідною фокусною відстанню, що надає пучку скануюче горизонтальне зміщення та спрямовує на середовище із індукованими акустичними хвилями так, що вектор розповсюдження цих хвиль має складову у напрямку скануючого пучка, й завдяки горизонтальному скануванню кут падіння пучка на хвильові фронти буде завжди однаковим. Відбитий від акустичних хвиль пучок, проходячи крізь коліматор, фокусується у певній точці, що за умов ідеального розповсюдження пучка співпаде із точкою сканування. Отже, завдяки циклічній зміні довжини оптичного шляху, а саме відстані, що проходить пучок від джерела до спостерігача, у точці фокусу буде спостерігатись ефект Доплера. Для зручності, якщо точка спостерігання повинна бути за межами точки сканування, між сканером та коліматором встановлюється світлодільник під певним кутом до пучка так, що порція пучка буде відводитись в сторону. Функцію сканера у заявленому приладі виконує акустооптичний модулятор (АОМ) у режимі сканера або дефлектора (АОД), що теж функціонує завдяки взаємодії акустичних та світлових хвиль. Принцип дії АОМ заснований на створенні акустичними хвилями дифракційної решітки всередині кристала (Гуляєв Ю. В., Проклов В. В., Шкердін Г. Н., Дифракція світла на звуці в твердих тілах. Успехи физических наук, 1978, т. 124, в. 1, с. 61-111). Акустичні хвилі генеруються з'єднаним з кристалом п'єзоперетворювачем, до якого подається електрична напруга певної частоти. При проходженні пучка світла перпендикулярно акустичним хвилям у кристалі, цей пучок розкладається на дифракційні порядки, тобто розповсюджується під певними кутами. Коефіцієнт дифракції пучка світла залежить від довжини акустичної хвилі в кристалі, що свою чергу залежить від частоти скорочень п'єзоелемента й відповідно частоти подаваного струму. Таким чином, змінюючи частоту струму через генератор функції частоти струму, можна змінювати дифракційний порядок для монохромного пучка світла, тобто кути відхилення пучка в залежності від періоду часу. Використовування сканера такого типу є найзручнішим з точки зору досягнення надшвидкої частоти сканування, що становитиме понад 10 кГц, так як загальновідомо, що для використовуваних кристалів час реакції на зміну сигналу не перевищує декількох мікросекунд, та вибору певного режиму сканування через генератор функції. Слід зауважити, що при проходженні пучка крізь акустичну дифракційну решітку, АОМ індукує власний ефект Доплера, що залежить строго від частоти акустичних хвиль, та пояснюється взаємодією кванта світла (фотона) та акустичного кванта (фонона) за принципом збереження імпульсу. Величина зсуву, таким чином, обчислюється за наступною формулою:  AOM  m  F  m  VA  [1], де:  AOM - абсолютне значення частоти зсуву лазера, індуковане АОМ; m - дифракційний порядок (ціле число: -1; 0; 1; 2..., на практиці обмежене рівнем 55 інтенсивності вихідного світлового пучка); F - частота акустичної хвилі; VA - швидкість розповсюдження акустичних хвиль; 3 UA 98237 C2  - довжина акустичної хвилі АОМ. 5 10 15 20 Так як сканування у запропонованій системі відбувається тільки в одній площині, використовується коліматорна лінза із випуклим циліндричним викривленням, тобто така лінза буде зменшувати зображення та, як зазначалося вище, буде мати радіус кривизни для фокусування на нескінченність. Таким чином, площина первинного падіння пучка на середовище із акустичними хвилями є плоскою та має робочу ширину, що дорівнює ширині сканування. Середовище, де генеруються акустичні хвилі для відбиття світлового пучка світла, має форму призми, що у двовимірній площині сканування проектується як прямокутний трикутник, де: акустичні хвилі розповсюджуються уздовж гіпотенузи; один із катетів є перпендикулярною стороною падіння світлового пучка на призму, та інший катет є паралельним напрямку падіння світлового пучка. Кут між гіпотенузою та катетом, що є паралельним падінню світлового (лазерного) пучка, визначається кутом між напрямком розповсюдження світлового пучка та акустичними хвилями. Відхилення напрямку акустичних хвиль від світлового пучка необхідне для синхронізації горизонтального сканування пучка із швидкістю розповсюдження акустичних хвиль у призмі. Так як коліматор перетворює радіальне сканування у горизонтальне (лінійне), найпростішим шляхом для синхронізації описаних вище швидкостей є генерація пило- або трикутноподібного сигналу зміни частоти струму на АОД, через те, що такий сигнал спричинить, відповідно, лінійне (рівномірне) сканування. За перетворюваннями Фур'є (Хью Л. Монтгомері; Роберт К. Воган (2007). Мультиплікативна теорія чисел І. Класична теорія. Cambridge tracts in advanced mathematics. 97. - c. 536-537.), алгебраїчна залежність розподілу гармонійного (синусоїдального) сигналу у часі для отримання пило- або трикутноподібного розподілення амплітуди напруги у часі має вигляд: для пилоподібного сигналу: AП   25 2    k 1 sin(2  k  ƒ  t ) k [2] та, відповідно, для трикутно-подібного сигналу: AT  8  2   (1) k sin(( 2k  1)  ƒ  t ) k 1 (2k  1)2 [3] де: AП 30 - розподіл амплітуди напруги для пилоподібного сигналу; AT - розподіл амплітуди напруги для трикутноподібного сигналу; k - кількість гармонійних імпульсів; ƒ - частота гармонійного імпульсу; t - період амплітудної фази. 35 За таких умов зміни частоти сканування та враховуючи, що добуток радіуса та кута сканування є лінійною відстанню, що проходить пучок після колімації, - залежність частоти сканування, необхідної для синхронізації із швидкістю акустичних хвиль, буде мати вигляд:  VA sin(  ) R [4], де:  - частота сканування; VA 40 - швидкість розповсюдження акустичних хвиль;  - кут відхилення напрямку акустичних хвиль від пучка світла; R - радіус сканування;  - кут сканування АОД. В свою чергу, кут сканування АОД у режимі Брагга, в залежності від часу, розраховується за наступною формулою: t   arcsin( 45  m )  t  [5], де:  - довжина ЕМ хвилі; m - дифракційний порядок (для найвищої інтенсивності скануючого пучка: m =1); 4 UA 98237 C2 t  - змінна у часі довжина акустичної хвилі в АОМ, відповідно: t   max max при t   min . 5 10 Для реалізації оптимального функціонування приладу, головним критерієм щодо фотоеластичних властивостей призми є якомога вища інтенсивність відбитого пучка світла від фронтів акустичних хвиль, згенерованих у призмі. Як уже зазначалося, із закономірностей розповсюдження хвиль відомо, що відбиття відбувається на межі двох середовищ із різними показниками фазової швидкості розповсюдження ЕМ хвиль. Чисельно, залежність величини показника заломлення у просторі та часі від значення акустичної амплітуди є лінійною і має вигляд (Акустооптика /Едріен Корпел. - 2-ге видання, Розділ «Фотоеластика», с. 270-275):  x, t   0    A x, t  [6] де:  x, t  - значення показника заломлення у просторі та часі, залежне від значення акустичної амплітуди у відповідному просторі та часі; 0 15 - показник заломлення у відповідному середовищі у ізотропічному стані (без генерації акустичних хвиль);  - значення зміни амплітуди показника заломлення, що залежить від магнітуди індукованої механічної напруги (тензора); A x, t  20 25 - рівняння розподілення акустичної амплітуди у просторі та часі. Отже, так як, найліпшою умовою відбивання світлового пучка від фронту акустичної хвилі є щонайбільш різкий перехід між показниками заломлення середовища або найбільш різке розділення меж із різними показниками заломлення, - пропонується генерація квадратноподібного розподілу амплітуди акустичних хвиль. У запропонованій конструкції приладу, генерація акустичних хвиль у призмі виконується перетворювачем, що перетворює електричні коливання на механічні та, аналогічно АОД, контролюється генератором функції електричного сигналу. Математично реалізація квадратноподібних хвиль описується перетворенням Фур'є (Поль Дж. Нахін, Чудова Формула Доктора Ейлера, Princeton University Press, 2006. Розд. 4, Секц. 4.) та має вигляд: A K  4    n 1 sin( 2n  12    T ) 2n  1 [7], де: 30 A K - розподіл амплітуди для квадратноподібних акустичних хвиль; n - кількість гармонійних імпульсів наданих перетворювачем середовищу;  - частота гармонійного імпульсу; T - період зміни фази квадратноподібної хвилі. 35 40 45 Оптимальна, з точку зори величини зсуву Доплера, траєкторія відбиття пучка світла від акустичних хвиль збігається із напрямком падіння. Відбиття у строго зворотному напрямку відбудеться, якщо нормаль площини акустичного хвильового фронту буде напрямлена паралельно напрямку падіння пучка. Так як, вектор акустичних хвиль відхилений від напрямку падаючого пучка на певний кут, нормаль фронту акустичних хвиль повинна бути відхиленою від напрямку розповсюдження, відповідно на цей самий кут. Форма хвильового фронту задається безпосередньо формою контактної площини перетворювача, таким чином відхилення нормалі контактної площини від напрямку коливань перетворювача спричинить, відповідно, відхилення нормалі хвильового фронту від вектора розповсюдження. За умов нульового кута падіння довжина площини хвилі, що безпосередньо відбиває пучок (робоча довжина), розраховується за наступним рівнянням: d  Г tan() [8], де: d - робоча довжина фронту акустичного фронту; Г 50 - довжина акустичної хвилі або у випадку, якщо групова швидкість згенерованого хвильового пакета (квадратноподібної хвилі) не є однаково із фазовою швидкістю - відстань між хвильовими пакетами;  - кут відхилення напрямку акустичних хвиль від пучка світла. 5 UA 98237 C2 5 10 Описана вище призма, також оснащена елементом, що поглинає акустичні хвилі, які пройшли робочу довжину, що усуває появу побічного акустичного шуму через послідовні відбиття у просторі призмі. Функціонування заявленого пристрою, а саме синхронізація сигналів, що посилається на перетворювачі у АОМ та призмі, забезпечується використанням електронно-обчислювальної машини (ЕОМ). Причому цей сигнал проходить через індивідуальні для кожного перетворювача радіочастотні підсилювачі. При розрахунку корисного ефекту заявленого пристрою, слід брати до уваги уповільнення фазової швидкості світла у оптично щільному середовищі (призмі) за відомим законом Снела (Борн М., Вольф Э. Основи оптики, 1973, Москва: Наука). Показник уповільнення є важливим з точки зору вираження довжини оптичного шляху відносно кількості хвиль. Чисельно, зміна фізичної величини довжини хвилі у щільному середовищі відносно довжини хвилі у вакуумі виражається як: ф  15 де:  ф 0  20 25 30 0  [9], с сф [10], - довжина ЕМ хвилі у середовищі; - довжина відповідної EM хвилі у вакуумі; - відношення фазової швидкості розповсюдження світла у вакуумі c до фазової cф швидкості розповсюдження світла у середовищі . За умов повернення пучка в точку сканування, загальна довжина оптичного шляху дорівнюватиме подвоєній відстані від точки сканування до точки падіння на фронт акустичної хвилі у призмі. Таким чином, зміна відстані у часі або швидкість зміни при розрахунках подвоюється. Очевидно, що ця відстань, завдяки скануванню, змінюється у часі тільки у межах призми, відповідно - ефект Доплера буде генеруватися тільки на цій ділянці заявленої оптичної системи. Отже, швидкість зміни довжини оптичного шляху, завдяки синхронізації акустичної швидкості та частоти сканування, дорівнюватиме подвоєній акустичній швидкості, що проектується на напрямок лазерного пучка: Vr  2  VA cos( ) [11], де: Vr VA - швидкість зміни відстані оптичного шляху від джерела до спостерігача; - швидкість розповсюдження акустичних хвиль;  - кут відхилення напрямку акустичних хвиль від пучка лазера. 35 Таким чином зміна частоти коливань ЕМ хвилі лазерного пучка у заявленому приладі, за нерелятивістським (при Vr  c ) ефектом Доплера ("Доплер та ефект Доплера", Е. Н. да К. Андраде, Endeavour Vol. XVIII No. 69, Січень 1959 (Лондон)), дорівнюватиме:   Vr 2VA cos( ) 2    VA cos( )   ф 0 0  1 [12], де: 40  - зміна частоти коливань за ефектом Доплера; 0 - довжина ЕМ хвилі у вакуумі; VA - швидкість розповсюдження акустичних хвиль;  - кут відхилення напрямку акустичних хвиль від пучка лазера.  45 50 - відношення фазової швидкості розповсюдження світла у вакуумі до фазової швидкості розповсюдження світла у середовищі. Слід зауважити, що допплерівський зсув, індукований АОМ за формулою [1], не враховується у рівнянні [12] та не заявляється як новий ефект у винаході. Використовуючи рівняння [12], можна провести порівняльні розрахунки технічного результату при здійсненні заявленого винаходу із відповідними даними пристроїв рівня техніки. Отже, за наступних вихідних даних: матеріал призми з відбиваючими акустичними хвилями 6 UA 98237 C2 плавлений кварц; швидкість розповсюдження акустичних хвиль ( VA ) у цьому матеріалі = 5960 м/с; кут відхилення напрямку акустичних хвиль від напрямку лазерного пучка (  ) = 15°; + джерело лазерного випромінювання з активним середовищем Аr з резонатором у УФ діапазоні, 5 що відповідно випромінює ЕМ хвилю на довжині (  0 ) = 351 нм; показник заломлення (  ) у даному середовищі, для даної довжини хвилі становитиме = 1,47672; величина зсуву частоти   м   cos 15 с  48,44 351 109 м  2  1 47672 5960 , 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 (  ) дорівнюватиме: ГГц. Таке значення зсуву частоти перевищує показники відомих на сьогодні пристроїв, що використовують ефект Доплера, наприклад: заявлена величина зсуву у пристрої із обертальними дзеркалами (патент США № 4264141) за умов численного повторювання відбиття, не перевищує 10 ГГц; у пристрої, описаному у науковій статті «Частотна модуляція завдяки ефекту Доплера в оптичних волокнах», теоретично можлива величина зсуву становить 100 МГц; у пристроях фотонфононової взаємодії, при застосуванні ультразвукових поверхневих хвиль, заявлена величина модулюваного сигналу не перевищує 5 ГГц. Очевидним напрямком подальшого збільшення технічного результату є багатократне повторювання циклу відбиття світлового пучка в межах елементів, де здійснюється зміна довжини оптичного шляху, тобто резонації. Величина зміни довжини оптичного шляху при цьому помножується на кількість повторювань. При цьому критичним обмеженням є втрата світловим пучком початкової інтенсивності через поглинання частини енергії відбиваючою поверхнею. В існуючих приладах, де використовуються резонація, підсилювання початкового сигналу може здійснюватись завдяки оптичному підсилювачі. В свою чергу, оптичний підсилювач, як правило, діє у певній спектральній полосі, тобто можливість підсилення ЕМ хвилі у широкому діапазоні спектра не є практично можливою для існуючих приладів. У цьому відношенні, заявлений винахід має вагому перевагу через наявність скануючого руху пучка. Завдяки швидкому лінійному русі лазерного пучка, повна фаза зсуву не буде спостерігатись уздовж лінії напрямку сканування, тобто, у будь-якій точці на цій лінії, лазерний пучок не буде присутній, достатній проміжок часу для спостереження повної фази ЕМ хвилі, що проходить крізь цю точку. За таких умов, можливе встановлення оптичного підсилювача уздовж лінії сканування, що буде ефективно підсилювати вихідну енергію пучка, навіть, якщо цей підсилювач діятиме у вузькій спектральній смузі. Заявлений винахід наведений на супроводжуючих кресленнях з двома фігурами. На фігурі 1 зображена взаємодія лазерного пучка із акустичними хвилями всередині призми із вказанням посилань на певні геометричні величини, що були розглянуті у рівняннях. Згідно з фігурою 1: всередині призми (5), перетворювач (6) генерує акустичні хвильові пакети (7), утворюючи відстань (11) між цими пакетами. Відстань (11) є компонентом рівняння [8]. Згенеровані акустичні хвилі розповсюджуються у напрямку (8), із напрямленими під кутом (10) фронтами пакетів (7). Кут (10) є кутом між напрямком пучка (2) та вектором акустичних хвиль (8). Кут (10) є компонентом рівнянь [4], [8], [11] та [12]. Розгорнуті під кутом (10) до пучка (2) акустичні хвильові пакети (11) утворюють робочу довжину (12) для взаємодії з пучком (2). Довжина (12) обчислюється за рівнянням [8]. Енергія хвильових пакетів (11) поглинається пасивним перетворювачем (9). На фігурі 2 зображено перелік елементів, достатніх для функціонування заявленого приладу. Згідно з фігурою 2: джерело лазерного випромінювання (1) випромінює пучок лазера (2), що здійснює радіальний скануючий рух після проходження через АОД (3). Коліматорна лінза (4) перетворює радіальне зміщення пучка (2) у горизонтальне. Таким чином, пучок (2) падає на призму (5) під однаковим кутом протягом всієї ширини сканування. Пучок (2) відбивається від акустичного хвильового пакета (7), що генерується перетворювачем (6) та поглинається пасивним перетворювачем (9). Пучок (2), відбившись від хвиль (7), повертається по вихідній траєкторії до точки сканування у АОД (3). На шляху від АОД (3) та коліматора (4) встановлюється світлодільник - напівпрозоре дзеркало (13), під певним кутом так, що пучок (2) на зворотній траєкторії фокусується у точці детектора (14), де скануючий пучок може бути зведений для розповсюдження у єдиному напрямку для подальшого використання. Синхронізація сигналу, що посилається на перетворювачі (6), (9) та АОД (3), виконується завдяки ЕОМ (16). Причому сигнал індивідуально підсилюється радіочастотними підсилювачами (15). Роль пасивного перетворювача серед перетворювачів (6) та (9) може змінюватись в залежності від необхідного напрямку зміни частоти ЕМ хвилі (зменшення збільшення). 7 UA 98237 C2 5 10 Ключовим критерієм щодо реалізації заявленої системи є явище відбиття ЕМ хвиль від фронтів акустичних хвиль. Окрім наведених у описі відомостей про можливість здійснення заявленого приладу безпосереднім підтвердженням можуть послужити результати експерименту, описаного у науковій статті Бессонова А.Ф., Дерюгіна Л.Н., Комоцкого В.А. Вимір фазових розподілень поверхневих акустичних хвиль шляхом оптичного зондування із опорною дифракційною решіткою //Автометрія, 1982, № 5). Висновки цього експерименту підтверджують факт можливості відбиття ЕМ хвиль завдяки фотоеластичним ефектам. Іншим важливим критерієм є ультракороткий період часу реакції перетворювачів на згенерований ЕОМ сигнал. За даними сайту одного із виробників акустооптичної продукції (http://opto.braggcell.com/index.php?MAIN_ІD=101), такий період може бути в межах 60 наносекунд, що задовольнить умови функціонування заявленого приладу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 Конфокальний частотний модулятор монохромного світла на синхронізованих перетворювачах, що містить джерело випромінювання лазерного пучка, акустооптичний дефлектор, світлодільник, коліматорну лінзу та твердотільну призму, через яку проводяться акустичні хвилі, при цьому акустооптичний дефлектор надає лазерному пучку радіальне періодичне зміщення, і це зміщення фокусується коліматорною лінзою горизонтально, який відрізняється тим, що частота зміщення пучка, індукованого акустооптичним дефлектором, синхронізується із швидкістю розповсюдження акустичних хвиль у призмі так, що пучок лазера, що зміщується, слідує за акустичними хвилями та при відбиванні від акустичних хвиль розповсюджується у зворотному напрямку і фокусується світлодільником у фокусній точці, причому довжина оптичного шляху пучка від джерела до фокусної точки є неоднаковою відносно фази зміщення у часі, внаслідок чого у точці фокусу спостерігається ефект Доплера. 8 UA 98237 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 9