Оптико-механічний модулятор світлового потоку

22744 Винахід відноситься до оптико-механічних пристроїв і може бути використаний в радіо-, фо-то-, пірометрії та інших галузях вимірювальної техніки, пов'язаної з модуляцією світлового потоку енергії. Відомий оптико-механічний пристрій для мо-дуляції світлового потоку, що містить тонкий мета-левий диск (з отвором у периферійній частині), на-саджений на вісь швидкісного двигуна (Кру-гер М.Я. и др. Справочник конструктора оптико-механических приборов. - Л.: Машиностроение, 1967. - 374 с.). В плоскопаралельному резонаторі закріплений диск, що обертається. Диск встанов-люється в фокальній площині двох лінз, які звужу-ють товщину променя до долей міліметра, а в сферичному резонаторі - в точці, де товщина про-меня найменша. Час включення модулятора по-рядку декількох мікросекунд і визначається швид-кістю обертання диска, відстанню від отвору до осі обертання та діаметром світлового променя. Позитивною рисою пристрою є простота конструкції та можливість модуляції світлового потоку з густи-ною енергії до 3 Вт/см2 при температурних режи-мах від -50 до +300°С. Недоліками даного способу є: 1) обмеженість його функціональних можливо-стей, що заключаються в нездатності модулювати світловий потік із густиною енергії більше 3 Вт/см2; 2) втрати енергії світлового потоку за рахунок поглинання і розсіювання диском модулятора бі-льше 60%. Існує інший оптико-механічний модулятор сві-тлового потоку, що містить джерело світла, дви-гун, прикріплену до осі двигуна маточину, а також дві однакові секторні лопаті, що не жорстко пов'я-зані із маточиною і розвернуті під час роботи в протилежно напрямлені сторони. Модуляція елек-тромагнітного випромінювання відбувається при перекриванні секторними лопатями світлового по-току по закону, що лінійно пов'язаний із швидкістю обертання двигуна та відстанню від джерела до модулюючого елемента. При зупинці такого моду-лятора лопаті опадають завдяки їх шарнірному з'єднанню із маточиною і таким чином забезпечу-ється гарантоване пропускання світлового потоку при заданому режимі (Белов Н.В., Рудяк В.М., Фа-ерман В.Т., Ваганов Р.Х. Механический модулятор светового потока. А.с. СССР № 987562, 07.01.1983). Модулятори даного класу набули ши-рокого використання при вивченні оптичних та піроелектричних властивостей сегнетокераміки та інших матеріалів, де необхідно керувати довжиною світлового імпульсу. Функціональні можливості такого пристрою та-кож обмежені. Модулятор обмежений по швидкості дії і має великі енергетичні втрати за рахунок роз-сіювання світлового потоку та нагрівання лопатей. Під час модулювання світлового потоку з густиною енергії більше 5 Вт/см2 відбувається швидке руй-нування лопатей. Вказані недоліки суттєво впли-вають на використання описаного пристрою. Необхідність одержання потужних промоду-льованих світлових потоків енергії з високим кое-фіцієнтом корисної дії при зменшенні шумів та віб-рації двигуна, спрощення конструкції та зменшен-ня собівартості потребує розробки більш доскона-лих модуляторів світлового потоку. Відомий інший пристрій для модуляції світло-вого потоку, час модуляції якого та вплив енергії світлового потоку на час роботи в два рази менші, ніж в описаних раніше модуляторах. Всередині ко-рпусу модулятора міститься диск, закріплений на осі двигуна (Солдаткин Н.П., Тюльков Г.И. Оптиче-ский модулятор. А.с. № 911436, 11.04.1980). В кор-пусі створюється вакуум, що запобігає теплообмі-ну між екраном та стінками корпусу і виключає об-мерзання вхідного і вихідного вікна. При співпа-данні отвору на диску модулятора з віссю джерела випромінювання світловий потік проходить шлях вхідне вікно – отвір вихідне вікно. Приймальний пристрій на виході реєструє максимальний сигнал світлового потоку. В наступний момент часу t (t - час, через який відбувається повне перекривання світлового потоку) величина світлового потоку на виході рівна 0. Енергія світлового потоку нагріває диск модулятора. Щоб запобігти руйнуванню сис-теми в цілому, автори запропонували виготовляти корпус із металу з високою теплопровідністю і крі-пити на корпус камеру з охолоджуючою рідиною. Охолодження диску модулятора здійснюється за рахунок променевого теплообміну між диском і ек-раном, який з'єднано із камерою. За рахунок дано-го удосконалення в модуляторі утримується стабі-льною температура диска та практично відсутній вплив турбулентності на корисний сигнал, що до-зволило широко використовувати вказані пристрої в радіо- та фотометричних приладах. Сильні викривлення корисного сигналу на ви-ході модулятора, складність конструкції, значні втрати світлової енергії та обмеженість у швидко-сті дії є основними недоліками даного способу. Найбільш близьким до запропонованого вина-ходу є пристрій для модуляції світлового потоку, представленого Ю.В. Байбородіним та ін. (Байбо-родин Ю.В., Криксунов Л.З., Литвиненко О.Н. Справочник по лазерной технике. - К.: Техника, 1978. - 288 с.). На осі двигуна встановлюють опра-ву із призмою повного внутрішнього відбивання. Оправа жорстко кріпиться до осі двигуна. Всі сто-рони призми ретельно поліруються. Модулююча сторона призми покрита шаром алюмінію товщи-ною 2-3 мкм, має високий коефіцієнт відбивання. Положення призми вибирають таким чином, щоб центр маси знаходився на осі обертання і відцент-рові сили, що діють на призму, були незначними. Модуляція світлового потоку інфрачервоного діа-пазону відбувається при обертанні призми з вели-кою швидкістю, що призводить до модуляції інтен-сивності світлового потоку. Описаний оптико-меха-нічний модулятор в порівнянні з проаналізованими раніше має ряд переваг, основними з яких є кое-фіцієнт модуляції »60%, нечутливість призми до биття осі двигуна, стійкість до дії світлових потоків із густиною енергії до 10 Вт/см2, здатність працю-вати в температурних режимах від -50 до +400°С. Дані пристрої мають широке використання в лазерах з керованою генерацією. До недоліків даного способу можна віднести: 1) конструктивні особливості описаного моду-лятора допускають низький коефіцієнт корисної дії і енергетичні втрати більше 60% від падаючого світлового потоку, крім того, скло, з якого виготов-лена 22744 призма, поглинає значну частину інфрачер-воного електромагнітного випромінювання, а час-тина енергії розсіюється кристалом; 2) призма модулятора виготовлена із скла ти-пу К-8, яке за своїми характеристиками не забез-печує хімічну, радіаційну та термічну інертність. Низька температура плавлення (800°С), хімічна та радіаційна нестійкість не дозволяють модулювати світловий потік з густиною енергії більше 10 Вт/см2 в нормальних і в умовах з сильним хімічним та ра-діаційним впливом; 3) конструкція таких модуляторів вимагає ре-тельного їх виготовлення, складання та періодич-ного балансування призми, яка обертається разом із віссю двигуна. Розбалансування особливо шкід-ливе при роботі модулятора на великих частотах обертання. Наслідком є зменшення проміжку дії підшипників, що, в свою чергу, призводить до руй-нування системи в цілому. Особливо різко збіль-шується вібрація та шуми двигуна. Описаний мо-дулятор складний по своїй конструкції та виготов-ленню, має великі габаритні характеристики та ви-соку собівартість виготовлення. В основу винаходу поставлено задачу змен-шення енергетичних втрат та збільшення потуж-ності світлового потоку, спрощення конструкції та розширення його функціональних можливостей. Поставлена задача досягається тим, що в оп-тико-механічному модуляторі світлового потоку, який містить джерело та приймач інфрачервоного (ІЧ) випромінювання; двигун; оправу, жорстко за-кріплену на осі двигуна; і модулюючий елемент з плоскою поверхнею, розміщений в оправі, моду-люючий елемент виконаний з оптично-анізотроп-ного полярного монокристала. Оптична вісь моно-кристала паралельна його плоскій поверхні. При цьому модулюючий елемент розміщений в оправі так, що плоска поверхня і оптична вісь монокрис-тала перпендикулярні до осі обертання двигуна. Плоскою поверхнею модулюючий елемент обер-нений до джерела та приймача випромінювання. Оптико-механічний модулятор відрізняється також тим, що модулюючий елемент виконаний із лейкосапфіра. Такий винахід може бути реалізований при-строєм (фіг. 1), що містить джерело (6) та при-ймач (7) електромагнітного випромінювання, опти-чно анізотропний полярний монокристал з плос-кою поверхнею (3), закріплений гвинтом (5) в оправі (2). Оправа жорстко кріпиться до осі двигу-на (1) хомутиком (4). Суть запропонованого винаходу заключається в слідуючому. Відома велика кількість анізотропних полярних монокристалів (наприклад, АІ 2О3, SіC 6Н, ТіО2 та ін.), яким характерна оптична анізотропія коефіці-єнтів відбивання при різних орієнтаціях електрич-ного вектора Е і оптичної осі монокристала С (Пу-ле А., Матье Ж.-П. Колебательные спектры и сим-метрия кристаллов. М.: Мир, 1973. - 437 с.). Вка-зані монокристали є оптично анізотропні, мають високу температуру плавлення від 1900°С для SіC 6H до 2200°С для АІ 2О3, механічну твердість (по Моосу 9), хімічну і радіаційну стійкість, що під-вищує променеву стійкість пристроїв, довговічність та здатність працювати в екстремальних умовах. Спектри відбивання таких полярних одновіс-них анізотропних монокристалів мають область, де коефіцієнт відбивання R(n) більший за 90%, яка називається областю залишкових променів. Вона розміщена між частотами поперечного n Т і поздо-вжнього nL оптичного фонона і зумовлена диполь-ними коливаннями кристалічної гратки. Однією із найбільш характерних особливостей оптично ані-зотропної кристалічної гратки є відмінність в абсо-лютних значеннях діелектричної проникності e для рівних напрямків. Діелектрична проникність крис-тала представляє собою симетричний тензор дру-гого рангу, який описується матрицею: e11 0 0 e= 0 e 22 0 0 0 (1) e 33 Матриця (1) пов'язана з характеристичною по-верхнею другого порядку, що являє собою еліп-соїд: (2) x 2 / e11 + y 2 / e 22 + z 2 / e 33 = 1 Із рівняння (2) видно, що еліпсоїд має перетин у формі круга. Фізично це означає рівність показ-ників заломлення у точці перетину, а значить і фа-зових швидкостей розповсюдження електромагні-тного випромінювання у напрямках, що лежать у площині кругового перетину еліпсоїда. Всі інші то-чки монокристала оптично анізотропні. Лінія, пер-пендикулярна круговому перетину еліпсоїда пока-зника заломлення, називається оптичною віссю монокристала. Якщо на анізотропний монокристал направити пучок світла, то він розділиться на два промені: звичайний і незвичайний, паралельний падаючому променю і поляризований по двох вза-ємно перпендикулярних напрямках. Виключенням є промінь, паралельний оптичній осі монокриста-ла, в цьому випадку розділення не відбувається (Ребрин Ю.К. Управление оптическим лучом в пространстве. - М.: Сов. радио, 1974. - 336 с.). З анізотропією діелектричної проникності мо-нокристала пов'язана анізотропія показника зало-млення; фазові швидкості електромагнітного ви-промінювання в монокристалі будуть рівні в зале-жності від напрямку розповсюдження і орієнтації площини поляризації. Таким чином, будуть і різ-ними коефіцієнти відбивання при зміні орієнтації оптичної осі монокристала С і напрямку електрич-ного вектора Е. Показник заломлення на частоті n min для зви-чайного і незвичайного променів пов'язаний із діелектричною проникністю монокристала через спів-відношення Максвелла: n(n min)=[e(n)]1/2. Дисперсій-не ж рівняння для одновіcного оптично анізотроп-ного монокристала при умові n T>>gph (де gph – кое-фіцієнт затухання фононів) для ЕІС і Е| |С має ви-гляд: e(n ) = e 00 + [( e 0 - e 00 ) /(1 - ( n - n T ) 2 )] , (3) 22744 де e 00 , e 0 - високочастотна і статична діелектри-чні проникності. З рівняння (3) видно, що при зростанні частоти від 0 до n Т e(n ) монотонно збільшується від [e(0)]1/2 до нескінченності на частоті n T. Щойно n перевищить n T, значення e(n) робить стрибок від +00 до -00 і зберігає від'ємне значення при пода-льшому зростанні частоти від n T до nmax, яка задо-вольняє умову: (4) e(n ) = 0 При використанні рівняння (3) та співвідно-шення Ліддейна-Сакса-Теллера рівність (4) пере-пишеться: e(n max ) = e 00 [1 - ( n 2 - n 2 )] /( n max 2 - n T 2 ) = 0 (5) L T В інтервалі частот n Т-n L показник заломлення n(n) є чисто уявною величиною, а, отже, коефіцієнт відбивання при падінні електромагнітного випро-мінювання перпендикулярно до поверхні монокри-стала визначається як (6) R ( n) = [( e ( n)1/ 2 - 1) /( e ( n)1/ 2 + 1)] і має значення, більше за 90%, тобто монокристал в даному інтервалі частот практично повністю від-биває падаюче на нього електромагнітне випромі-нювання. При подальшому зростанні частоти від n L до nmin коефіцієнт відбивання зменшується від максимального значення до 0%. Частота мінімуму обчислюється з умови: e(n min ) = e 00 + [( e 0 - e 00 ) /(1 - ( n m - n T ) 2 )], (7) nmin = n T [( e 0 - 1) /( e 00 - 1)]1 / 2 . Для кожного полярного монокристала частота мінімуму є величина стала, яка належить до інфрачервоного діапазону, що зручно при реєстрації експериментальних спектрів ІЧ відбивання з висо-кою точністю. Спектр відбивання R(n) таких монокристалів залежить від розміщення оптичної осі монокриста-ла С та орієнтації електричного вектора Е. Підста-вляючи значення параметрів кристалічної гратки при орієнтаціях ЕІС і Е| |С в рівняння (7), одержи-мо дві частоти (n minI і n minll), на яких коефіцієнт від-бивання має мінімальне значення. Частоти n minI і nminll значно відрізняються одна від одної, причо-му для випадку n LI75%, а частота модуляції та енергетичні втрати в чотири рази менші, ніж в прототипі. Отже, порівнюючи параметри одновіcних оп-тично анізотропних полярних монокристалів, мож-на зробити висновок, що монокристали лейкосап-фіра в порівнянні з іншими монокристалами (SіC 6H, ZnO, ТіО2 та ін.) дозволяють здійснювати модуляцію світлового потоку в широкому частот-ному діапазоні при коефіцієнті модуляції більше 90%. Таким чином, запропонований винахід дозво-ляє модулювати електромагнітне випромінювання серійних СО2-лазерів. Із одержаних експеримен-тальних значень видно, що в запропонованому винаході для досягнення 90% модуляції необхідно повернути кристал на 90°, тоді як у прототипі для досягнення 60% коефіцієнта модуляції на тій же довжині хвилі необхідно повернути призму на 360°, тому втрати енергії в чотири рази менші, а частота модуляції в запропонованому пристрої в чотири рази більша, ніж в прототипі. Запропонова-ний пристрій модуляції простий за конструкцією та у використанні, забезпечує великі коефіцієнти мо-дуляції (>90%) потужного світлового потоку з гус-тиною енергії до 45 Вт/см2, має велику швидкість дії, не потребує унікального обладнання і може бу-ти широко використаним в радіо-, фото-, піромет-рії, космічній техніці та інших галузях вимірюваль-ної техніки, пов'язаної з модуляцією світлового по-току енергії. 22744 22744 Таблиця 1 n Ti (ЕІС) 384,5 442,1 571,3 634,2 n Ti (E| |С) 408,4 484,1 583,5 638,7 Deі (ЕІС) 0,21 2,83 3,15 0,21 Deі (Е| |С) 3,610 0,305 4,210 0,213 gphi/n Ti (EIC) 0,0152 0,0103 0,204 0,0200 gphi/n Ti (E| |C) 0,0153 0,0101 0,0203 0,0202 Таблиця 2 SіC 6H E^С Е| |С e0 9,66 10,03 e 00 6,52 6,70 Фіг. 1 Фіг. 2 n T, см-1 797 788 n L, см-1 971 964 22744 Фіг. 3