Электрооптический модулятор керра

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических Республик(6) дополнительное к авт. свид-в (22) Заявлено 1703./6 (21) 2335553/ 21) М. Кл.502 Г 1/О осударственнми комитет60 ВВТВ Министров СССРпо делам нзооретенийн открытий 53) УДК52.082.(088.8) етень ЭЙ 18 5) Дата опубликования описания 2604.78(72) Автор изобретен С, М. Нейм инградский электротехнический институт связи им. проф. М.А. Бонч-Бруевича(7) Заявитель 4) ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР КЕР ой сущности кявляется элексодержащий лемент (линорную ячейкузаполненной установлены у два электБлижайшим по техническописываемому изобретениютрооптический модулятор,оптический фокусирующийзу), поляризатор, модулявыполненную в виде кюветынитробензолом, в которойпараллельно один к другомрода, и анализатор 31. с присоеаннением заявки(43) Опублйковано 150578 Изобретение относится к электрооптическим модуляторам света и может быть использовано в фототелеграфной аппаратуре, в аппаратуре звукозаписи и в других приборах, где требуется преобразо вание электрических сигналов в видимые элементы иэображения и запись производится на светочувствительные слои путем модуляции светового потока.Известен электрооптический модулятор 10 света, работающий на эффекте Керра 11,Такие модуляторы малоинерционны, но они имеют очень малое входное оптическое отверстие, что практически полностью исключает возможность их примене ния в аппаратуре телеграфной (фото) и звукозаписи.Для того, чтобы не увеличивать расстояние, между управляющими электродами на вход известного модулятора пода- но ется почти параллельный пучок света с очень малым сечением (около 1 мм) . Увеличение же этого расстояния приводит к необходимости пропорционального увеличения управляющего напряжения.Известны жидкостные модуляторы на основе эффекта Керра, которые имеют такжЕ некоторое применение в технике высоких частот в светодальномерах (радиогеодезии).. йТакие модуляторы малоинерционныт в конструктивном отношении они очень простые и экономически оправданы, например, при использовании их в свето- дальномерах стоимость такого модулятора составляла около 50 руб, в то время как кристаллические модуляторы имеют стоимость от 1000 до 2500 руб.Известные модуляторы обеспечивают работу на частотах сотни мегагерц, но для уменьшения управляющего напряжения и подводимую к модулятору мощность несколько ограничивают глубину модуляции (до 50), Кроме того, во всех этих устройствах они имеют такое конструктивное выполнение, которое обеспечивает возможность работы только при подаче на вход светового потока в виде параллельного пучка лучей (большей части диаметр пучка от 1 до 3 мм).от длины элек родов и расстояния между электродами. В тех случаях, когда зто недопустимо, глубина модуляции может быть повышена до требуемого значения путем повторного пропускания света через такой же модулятор (только без поляризатора).На фиг. 1 приведена схема предлагаемого модулятора; на фиг, 2 - схема прохождения светового луча в модуляторной ячейке; на фиг. 3 и 4 - схемы сиспользованИем в качестве оптических элементов для получения сходящегося светового потока цилиндрических и соответствующих сферических линз;, на фиг.5 - схема модулятора при прохождении света через две последовательно расположенные модуляторные ячейки; на фиг. б - реализация модулятора, когда две последовательно включенные модуля- торные ячейки выполнены в виде одной общей конструкции; на фиг. 7 - модуляционные характеристики для работы одной модуляторной ячейки и двух последовательно установленных ячеек соответственно;на фиг.8 и 9 - диаграммы взаимного положения плоскостей пропускания поляризатора и обоих анализаторов для двух режимов работы,при прохождении снета через две модуляторные ячейки.Предлагаемый модулятор содержит модуляторную ячейку, выполненную н виде стеклянной кюветы 1, заполненной жидкостью (например, нитробензо-, лом),. которая под действием электрического поля становится анизотропной. Внутри стеклянной кюветы 1 помещаются два электрода 2. На входную щель, образованшуюся между этими электродами, с помощью оптического элемента 3 подается сходящийся пучок света 4. Перед модуля-. торной ячейкой находится поляризатор ,а за ней анализатор 6.Длина управлящих электродов .2 в направлении распостраненйя светапри заданном значеии апертурного угла Р и,расстоянии ежду электродами с устанавливается акой, что для большей части световых учей имеет место отражение их от внут. енних поверхностей управляющих элекродов. Число отражений должно быть ебольшим, так как каждое отражение онижает глубину модуляции одноячейового модулятора примерно на 1 (при птимальных соотношениях показателей реломления и М ( 20 ) 15 внутдляятор .100-14ктро; 40 где ренних по крайних лу сходящегос Йами,.В- угол между внутренней пс-, 5 верхностью электродов и направлением ю падения на нее крайнего луча, ширина р электродов выбрана в пределах поперечн ного размера светового пучка, падающе, го на модулятор.С целью упрощения конструкции в , л предлагаемом модуляторе электроды мо- р дуляторных ячеек вместе с анализаторат ми мсгут быть заключены н одну кювету, н при зтсм анализатор предыдущей ячейки п служит йолярйзатором последующей ячей- к ки. оПри подаче сходящегося светового потока с апертурньи углом 20-30 ф количество света, которое можно пропус" тить через такой модулятор, может возрасти в 500-2000 раз, что значительйо , повышает. его световую эффектив вость. Частичная деполяризация света, .возникающая при отражении от внутренних поверхностей электродов, может при-, вести к понижению глубины модуляции светового потока до 80 з зависимости 65 й (100- М где М йверхностью ем падения л Хотя в этом модуляторе и происходит фокусировка попадающего в ячейку светового пучка, однако в нем не обеспечивается наилучшая световая эффективность модулятора и параметры его эле,ментов не определены, т.е. он имеет низкую световую эффективность.С целью повышения световой эффективности в предлагаемом модуляторе оптический фокусирующий элемент выполнен таким Образом, что он формирует сходящийся 10 пучок света с апертурньм углом более 10 , ыа пути которого последовательнофрасположено К модуляторных ячеек, при этом К выбрано из усЛовия где К - ближайшее целое число;М - требуемая глубина модуляции в 20процентах,фь /фее- доля светового потока,Рьькполучающаяся на выходе одной ячейки,установленной на темноту за счет депо-Ляриэации света при Отражении его От 25внутренних поверхностей .электродов,на которые нанесен слой вещестна споказателем преломления света меньшим,чем у нитробензола, например стеклолегкий крон или плавленный кварц, длина электродов в направлении распространения света определяется условиемМЗ- число отражений . от ерхиостей электродов ей падающего на модул светового пучка ( Н расстояние между эл глубина модуляции;число отражений;угол между, внутренней по- электродов 2 и направлениуча в среде нитробензола,Фу .е - .В2д - угол, образованный падающим 60 лучом с поверхностью управляющего электрода.В модуляторной ячейке основной сре. дой является нитробензол, показательпреломления которого в диапазоне длин 55 волн от А = 0,5 мк до Я=0,645 мк имеетзначение.от П = 1,5685 до п=1,5472.Вйутреннюю поверхность управляющихэлектродов покрывают, например, стеклом легкий крон, которое имеет для 60 указанного диапазона длины волн показатель преломления от ОЭ 1,521 доП1,51. Эта разница, показателейЬпреломления между нитробензолом и стеклом легкий крон является для использу- ,5 емых условий близкой к оптимальной.Пригоден также плавленный кварц, имеюНа фиг. 2 показан ход лучей внутримодуляторной ячейки, при этом П - показатель преломления среды, из которойсветовой луч 1 входит в ячейку; П-тоже, для материала, иэ которого изготовлена кювета; п 2 - то же, для нитробензола; П - то же, для материала, которым покрыта внутренняя поверхность управляющего электрода 21 Ч - угол падения луча света на входе ячейки; Ч-у олпреломления в толще стекла; 9 - угол,образованный падающим лучом 7 с повер-.хностью управляющего электрода,В точке падения луча 7 имеет местополное внутреннее отражение, причемэтот луч отклоняется на такой же уголь.Модулятор работает следующим обра"зом.При подаче на вход модулятора сходящегося пучка светового потока возможныдва,варианта его формирования.В первом варианте создается световой конус сходящегося пучка света 4(Фиг. 3), ось этого конуса расположе"на нормально к оптической оси анизотропной среды, определяемой,направлением электрического поля между управляющими электродами 2 модулятора. ТакоеФормирование конуса лучей получается,например, когда в параллельный пучоксвета ставится собирающая сферическаялинза, сходящийся пучок света 4 собирается на входную щель модулятора 8 ввиде небольшого светящегося пятна. Вварианте (Фиг. 4) на пути параллельного пучка света ставится собирающая цилиндрическая линза, с помощью которойсоздается сходящийся световой пучок 4,сжатый только в одной плоскости, а вдругой (взаимно перпендикулярной плос"кости) лучи остаются параллельнымидруг другу.На входе ячейки создается уз"кая светящаяся полоска. В первомварианте плоскости падения всехсветовых лучей различны и ониобразуют различные углы с плоскостямиглавного сечения оптической системы,а во втором варианте плоскости падения всех световых лучей параллельныдруг другу и они совпадают с плоскостями главного сечения оптической системы, поэтому условия: для появленийв системе неоднородностей в освещенности значительно уменьшаются. Каждыйиз этих вариантов формирования светового потока имеет свои преимущества исвои недостатки, и окончательный выбор из них определяется в каждом отдельном случае условиями работы прибораервый вариант обеспечивает меньшуюмежэлектродную емкость и, следовательно, меньшую инерционность, те, имеется воэможность пропускать более широкую полосу частот в пределах многихсотен тысяч герц, а при увеличении управляющей мощности - и мегагерц. Второй вариант образования сходящегося пучка света приводит к необходимости увеличения размера управляющихэлектродов в направлении, перпендикулярном распространению света а, следовательно, и их электрической емкости.Это, в свою очередь, повышает инерционность системы по сравнению с первым.вариантом. Однако качество светящегося изображения на выходе модулятора 0.получается в этом случае более однородньи, поэтому. для полосы частот в пределах сотни тысяч герц следует ре"комендовать второй вариант образованиясходящегося светового потока, а для 15 больших скоростей работы луЧше братьпервый вариант образования сходящегосясветового потока..Для уменьшения степени. деполяризациисвета при отражениях в описываемом мо- М дуляторе использованы такие материалы,чтобы разница между показателями преломления оптически более плотной средыи оптически менее плотной была бы незначительной. Так, например, для угла 25 падения лучей света . Чв 20 фна входе модулятора оптимальное значение этой разницы составляет 0,03-0,04. В этом случае ;плоско-поляризованный луч при каждом отражении хотя и становится элепти чески поляризованным, но разница фазмежду компонентами отраженной волны,лежащими в плоскости падения и перпендикулярно плоскости падения, не преовышает (2,5-3 ). Расчет этого сдвига 35 ф з Ю производится по следующей формуле- 1 ." - .-г и)2 1 У ь Мпгде П - показатель преломления среды оптически более плотной;П - показатель преломления3среды оптически менее плотной;- угол наклона лучей, падающих н. границу раздела сред по отно шению к нормам (Фиг. 2)большую крутизну, чем для одной ячейки(фиг. 7, первая кривая), Если к такойсистеме подвести постоянное смещение,равное около 0,750,то при работе вчерно-белом режиме для управлениямодулятором потребуется сигнал, равный5только 0,25 (л 12,При работе в полутоновом режиме этухарактеристику необходимо видоизменитьпутем включения нелинейных элементов;,для обеспечения правильного воспроизведения оптических плотностей.Взамен пропускания света через рядпоследовательно включенных модуляторных ячеек (фиг. 5) можно в целях упрощения и удешевления конструкции применить устройство с двумя или тремя отдельными модуляторными ячейками(фиг. 6), состоящее из стекляннойячейки, заполненной нитробензолом,двух или трех пар управляющих элект- Юродов 2 и анализатора б (одного илидвух, в зависимости от числа парэлектродов), зажатого вплотную междуобеими парами смежно расположенных сним электродов. Со стороны входа этого устройства находи 1 ся поляризатор5 и оптическая система 3, обеспечивающая получение сходящегося цучка. света, а со стороны выхода - анализа-.тор б и также оптическая система, 30Благодаря такому способу решениязадачи по сравнению со способом последовательного пропускания света черезотдельные (одноячейковые) модуляторы(фиг, 5) отпадает необходимость устанавливать между модуляторами оптические элементы; уменьшаются габариты всего прибора и общие потери света.При практической реализации двухячейкового модулятора (в одном корпусе)40чтобы весь световой поток, который выходит иэ щели первой ячейки долженпопасть .во входную щель второй ячейки. Для этого расстояние между электродами во второй ячейке берется несколько большим, чем расстояние между электродами в первой ячейке. Величина этойразности (д - Д,) ; определяется толщиною зажатого между ячейками анализатора. 50При использовании для модуляциидвух отдельных модуляторных ячеек(фиг. 1) или одного двухячейкового модулятора (фиг, б) устанавливается оптимальное вэаимоположение плоскостей55пропускания поляризатора и обоих анализаторов. Здесь может быть предложеНо большое число вариантов, решающих этузадачу.Для каждого из этих вариантовтребуется вполне определенное соотношение между значениями напряжений, подводимых к обоим парам управляющих электродов. Так как в жидкостных электрооптических модуляторах света имеет местоквадратичная зависимость измененияразности фаз от модулирующего напряжвния, а интенсивность света на выходеМодулятора пропорциональна квадратусинуса от разности фаз, то начальныйучасток роста светового потока от приложенного напряжения получается оченьпологим, т.е. практически малоэффективным (фиг. 7), йри этом по оси ординатотложен относительный рост световогопотока, а по оси абсцис-относительноезначение приложенного к электродамнапряженияКривая 1 (фиг, 7) дляодной модуляторной ячейки, а кривая 2для двух последовательно включенныхмодуляторных ячеек, причем для кривой 1 на участке изменения напряженияот нуля до(0,3 - 0,4) 0,1 световойпоток меняется очень мало (на 3-5),поэтому лучше к такому модулятору прй"ложить постоянное напряжение, равноеО , а затем уменьшить его до (0,60,7) от .В этом случае изменяющаяся часть напряжения на электродах должна составлять только (60-70) отмаксимального, что облегчает схемнуюреализацию устройства.Взаимное положение плоскости про- пускания поляризатора 5 и обоих анализаторов при работе по схеме, приве)- денной на фиг. 5 или фиг. б, будетследующим (см. диаграмму на фиг, ):анализатор б расположен накрест с анализатором б . При отсутствии сигналаиз канала связи О,: 01 и О Од в связи с этим плоскости йоляризации в обоих модуляторах поворачиваются на 90 ф,Слет через систему проходит максшлальный. В момент прихода .из канала связиуправляющего сигнала напряжения О, и 0начинают уменьшаться, а плоскости поляризации вращаются в обратную сторону, стремясь к своему исходному положению.В этом случае в первой ячейка пЮпяризованный свет задержится анализать- ром 6.Деполяризованная,же часть светат.е. та часть, у которой плоскость колебаний совпадает с направлением пропускания анализатора б, проходит черезэтот анализатор, но при этом этот остаток светового потока становится снова плоско-поляриэованньж. Пройдя через ячейку второго модулятора, этотостаток повторно значительно уменьшается и практически может дальше не учитываться.В тех случаях, когда в исходном положении (при. отсутствии сигнала из канала связи) свет через модулятор не должен проходить, взаимное положение плоскостей пропускания поляризатора и обоих анализаторов должно быть следующим (фиг. 9)анализаторы б и б расположены параллельно поляризатороу 5. В исходном положении к обоим управляющим электродам подводится напряжение О,= =О и 0 О свет через систему вля и а юрэтом случае не проходит. С приходом управляющего сигнала из канала связи,2 2500 ,2 3500 ,1 3500 2 3540 10 96 1750 97 1750 2 5000 1 5000 25 12 1 . 19 вленидамиоднаяном сренни9ого пзакрослед напра лектро лектр куляр внут жение ветов остью вух ив в нап змер элект) сектродов; емкость (если ету, равен 12 поверхностей орной ячейодул тока на выходе о та;вательно включен орн ых мод режиме; яже о нап о нап напряжения 01 и 02 одновременно уменьшается, а свеУ через систему модуляторов увеличивается, достигнув своегополного значения, когда О и 02 падаютдо установленной величины. Для фототелеграфной аппаратуры, работающей в телефонном канале, нужен модулятор с не очень высоким напряжением для управления (пункты 2 и 3 таблицы). Кожно сделать сравнительную оценку световой эффективности модулятора по пункту 2 таблицы ( 3 ф 20 мм, 40,5 мм,01)ф 1250 В) при подаче на йего сходящегося светового потока с апертурньв 4 углом 20 с модулятором, выполнениьи также на основе эффекта Керра с тем же расстоянием между электродами 30,5 ьв 4, но при подаче на егс вход параллельного пучка света д : 0,5 мм. Для образования сходящегося длина электродов в расстояние между э электрическая, межэ равлении, перпенди число отражений от полуволновое напря доля остаточного,с ки, когда она полн то же, на выходе д ячеек.размах управляющег размах управляющег черно-белом, глубина модуляции,световсго потока можно использовать, апример, первый объектив, установленный в Фототепеграфном аппарате Нева, обеспечивающий получение сходящегося светового потока на диафрагму с апертурным углом около 20 . Диаметр этого объектива 12 мм, 2 Г17,4 мм, площадь объектива 110 мм . Если ориентировоч 2но принять, чтоосвещенность пучка света в сечении такая же, как и осве" щенность в сечении параллельного пучка света д 0,5 мм, падающего на вход модулятора с ячейкой Керра, то соотношение между световыми потоками для первого и второго варианта окажется равным -Д;,р 560, т.е. световая эффектив 11 4ность предлагаемого модулятора в 560 раз выше, чем у жидкостных электрооптических модуляторов света (при том же .значении .управляющего напряжения на электродах). и распространения света; при работе в полутонопри работе в режиме607169 1 4 1 формула изобретения 1, Электрооптический модулятор Керра, содержаший оптический фокусирующий элемент, поляризатор, модуляторную ячейку, выполненную в виде кюветы, заполненной нитробензолом,в которой уста- . новлены параллельно один к другому двЬ электрода, и анализатор,о т л и ч а ю" щ и й с я тем, что, с целью поВышения световой эффективности, оп- тический фокусирующий элемент выпо- йен, так, что он формирует сходя- щийся пучок света с апертурным углом более 10 ф, на пути которого последовательно расположено К модуляторных " 15 ячеек, при этом К выбрано из условияС (юа-рл)-аЕ 1 оо вых где К - ближайшее целое число;М - требуемая глубина модуляции в процентах; фы/Ф -доля светового потока, понх лучающаяся на выходе одной ячейки, ус тановленной на темноту за счет деполя. ризации света при отражении его от внутренних поверхностей электродов, на которые нанесен слой вещества с показателем преломления света меньшим, 80 чем у нитробензола, например стекло, легкий крон или плавленный кварц, длина электродов в направленииг ю распространения света определяетсяусловиемС, Мв где Й - число отражений от внутренних поверхностей электродов для крайних лучей падающего на модулятор сходящегося светового пучка й 100-М);Й- расстояние между электродами;9- угол между внутренней поверхностью электродов и направлением падения на нее крайнего луча, ширина электродов выбрана в пределах поперечного размера светового пучка, падающего на модулятор.,2. Модулятор по п. 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью упрощения конструкции, электроды модуляторных ячеек вместе с анализаторами заключены в одну кювету, при этом аналнзатор предыдущей ячейки служит поляризатором последующей ячейки. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:1. Орловский Е.Л. Теоретические основы фототелеграфии, М., фСвязь, 1957, с. 299.2, Мустель Е.Р., Парыгин В.Н, Методы модуляции и сканирования света, М., Наукаф, 1970 с. 143;3. Авторское свидетельство СССР В 127840, кл, 902 Р 1/07, 1959.607169Риз. бк6 НИИПИ Эаказ 2578/34 Тирам 621 Подписное илиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4