Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР СВЕТОВОГО ПОТОКА
ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР СВЕТОВОГО ПОТОКА

ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР СВЕТОВОГО ПОТОКА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к оптико-механическим устройствам и может быть использовано в радио-, фото-, пирометрии и других областях измерительной техники, которые связаны с модуляцией светового потока энергии. Сущность изобретения состоит в том, что модулирующий элемент изготовлен из оптически анизотропного полярного монокристалла, жестко закрепленного в оправе на оси вращения двигателя. Модуляция светового потока осуществляется за счет изменения коэффициента отражения на частоте модуляции при изменении ориентации оптической оси С монокристалла относительно электрического вектора Е. Оптическая ось монокристалла параллельна его плоской поверхности. Модулирующий элемент размещен в оправе так, что плоская поверхность перпендикулярна к оси двигателя и обращена к источнику и приемнику излучения. Модулирующий элемент оптико-механического модулятора изготовлен из лейкосапфира. Изобретение обеспечивает модуляцию электромагнитного излучения серийных CO2-лазеров, является простым по конструкции и при использовании, обеспечивает большие коэффициенты модуляции (≥ 90%) светового потока с плотностью энергии до 45 Вт/см2, имеет большую скорость действия. 1 з.п. ф-лы., 3 ил., 2 табл.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2119181
Класс(ы) патента: G02F1/19
Номер заявки: 97113447/25
Дата подачи заявки: 29.07.1997
Дата публикации: 20.09.1998
Заявитель(и): Институт физики полупроводников НАН Украины (UA)
Автор(ы): Венгер Евгений Федорович (UA); Мельничук Александр Владимирович (UA); Пасечник Юрий Архипович (UA)
Патентообладатель(и): Институт физики полупроводников НАН Украины (UA)
Описание изобретения: Изобретение относится к оптико-механическим устройствам и может быть использовано в радио-, фото-, пирометрии и других областях измерительной техники, которая имеет связь с модуляцией светового потока энергии.
Известно оптико-механическое устройство для модуляции светового потока, которое содержит тонкий металлический диск (с отверстием в периферийной части), насаженный на ось высокоскоростного двигателя (Кругер М.Я. и др. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Л.: "Машиностроение", 1967, 374 с. ). В плоскопараллельном резонаторе закреплен диск, который вращается. Диск устанавливается в фокальной плоскости двух линз, сужающих сечение луча до долей миллиметра, а в сферическом резонаторе диск устанавливается в наиболее узком сечении луча. Время включения такого модулятора обычно не менее нескольких микросекунд и определяется скоростью вращения диска, расстоянием от отверстия до оси вращения и диаметром светового луча. Положительной чертой такого оптико-механического устройства является простота конструкции, возможность модуляции светового потока с плотностью энергии до 3 Вт/см2 при температурных режимах от -50 до +300oC.
Недостатки данного способа:
1. Ограниченность его функциональных возможностей, заключающихся в невозможности модулировать световой поток с плотностью энергии больше 3 Вт/см2.
2. Потеря энергии светового потока за счет поглощения и рассеивания диском модулятора больше 60%.
Существует другой оптико-механический модулятор светового потока, который содержит источник света, двигатель, прикрепленную к оси двигателя ступицу, а также две одинаковые секторные лопасти, не жестко связанные со ступицей и развернутые во время работы в противоположно направленные стороны. Модуляция электромагнитного излучения происходит при перекрытии секторными лопастями светового потока по закону, линейно связанному со скоростью вращения двигателя и расстоянием от источника до модулирующего элемента. При остановке такого модулятора лопасти опадают благодаря их шарнирному соединению со ступицей и таким образом обеспечивается гарантированное пропускание светового потока при заданном режиме (Белов Н.В., Рудяк В.М., Фаерман В.Т., Ваганов Р. Х. Механический модулятор светового потока. Авт. св. СССР N 987562, от 07.01.83). Модуляторы данного класса широко используются при изучении оптических и пироэлектрических свойств сегнетокерамики и других материалов, где необходимо управлять длиной светового импульса.
Функциональные возможности такого устройства также ограничены. В частности, модулятор имеет малую скорость действия и большие энергетические потери за счет рассеивания светового потока и нагревания лопастей. Во время модулирования светового потока с плотностью энергии больше 5 Вт/см2 происходит быстрый износ лопастей. Указанные недостатки существенно влияют на практическое использование описанного устройства.
Необходимость получения мощных промодулированных световых потоков энергии с высоким коэффициентом полезного действия при уменьшении шумов и вибрации двигателя, упрощение конструкции и уменьшение себестоимости требует разработки более усовершенствованных модуляторов светового потока.
Известно устройство для модуляции светового потока, время включения которого и влияние энергии светового потока на время работы на порядок меньше, чем в описанных ранее модуляторах. В середине корпуса модулятора размещен диск, закрепленный на оси двигателя (Н.П. Солдаткин, Г.И. Тюльков "Оптический модулятор". Авт. св. N 911436, 11.04.80). В корпусе образуется вакуум, что предохраняет теплообмен между экраном и стенками корпуса и исключает обмерзание входного и выходного окна. При совпадении отверстия на диске модулятора с осью источника излучения световой поток проходит путь входное окно-отверстие-выходное окно. Приемник модулированного светового потока на выходе регистрирует сигнал с максимальной интенсивностью. В последующий момент времени τ ( τ - время, через которое происходит полное перекрытие светового потока) величина светового потока на выходе равна 0. Энергия светового потока нагревает диск модулятора. Чтобы предохранить быстрый износ системы в целом авторы предложили изготовлять корпус из металла с высокой теплопроводностью и крепить на корпусе камеру с охлаждающей жидкостью. Охлаждение диска модулятора осуществляется за счет лучевого теплообмена между диском и экраном, который соединен с камерой. За счет данного усовершенствования в модуляторе удерживается стабильной температура диска и практически отсутствует влияние турбулентности на полезный сигнал, что позволило широко использовать указанное устройство в радио- и фотометрических приборах.
Сильные искривления полезного сигнала на выходе модулятора, сложность конструкции, значительные потери световой энергии, нестабильность и ограниченность в скорости работы являются основными недостатками данного способа.
Наиболее близким к предложенному изобретению является устройство для модуляции светового потока, представленное Байбородиным Ю.В. и др. (Байбородин Ю. В., Криксунов Л.З., Литвиненко О.Н. "Справочник по лазерной технике". К.: "Техника", 1978, 288 с.). На оси двигателя устанавливают оправу с призмой полного внутреннего отражения. Оправа жестко крепится к оси двигателя. Все стороны призмы тщательно полируются. Модулирующая сторона призмы, покрытая слоем алюминия толщиной 2 - 3 мкм, имеет высокий коэффициент отражения. Положение призмы выбирают таким образом, чтобы центр массы находился на оси вращения и действующие на призму центростремительные силы были незначительными. Модуляция светового потока инфракрасного диапазона происходит при вращении призмы с большой скоростью, что приводит к модуляции интенсивности светового потока. Описываемый оптико-механический модулятор по сравнению с проанализированными ранее имеет ряд преимуществ, основными из которых являются коэффициент модуляции ≈ 60%, нечувствительность призмы к биениям оси двигателя, устойчивость к действию световых потоков с плотностью энергии до 10 Вт/см2, способность работать в температурных режимах от -50 до +400oC. Данные устройства широко используются в лазерах с управляемой генерацией.
К недостаткам данного способа можно отнести следующее.
1. Конструкционные особенности описанного модулятора допускают низкий коэффициент полезного действия и энергетические потери больше 60% от падающего светового потока, кроме того, стекло, из которого изготовлена призма, не пропускает значительную часть инфракрасного излучения и часть энергии рассеивается кристаллом.
2. Призма модулятора изготовлена из стекла типа К-8, которое по своим характеристикам не обеспечивает химическую, радиационную и термическую инертность. Низкая температура плавления (800oC), химическая и радиационная неустойчивость не позволяют модулировать световой поток с плотностью энергии больше 10 Вт/см2 как в нормальных, так и в условиях с сильным химическим и радиационным влиянием.
3. Конструкция таких модуляторов требует тщательного их изготовления, монтажа и периодического балансирования призмы, которая вращается вместе с осью двигателя. Разбалансирование особенно вредно при работе модулятора на больших частотах вращения двигателя. Следствием является уменьшение промежутка действия подшипников, которые в свою очередь приводят к разрушению системы в целом. Особенно резко увеличиваются вибрация и шумы двигателя. Описанный модулятор сложен по своей конструкции и изготовлению, имеет большие габаритные характеристики и высокую себестоимость изготовления.
В основу изобретения поставлена задача уменьшения энергетических потерь и увеличение мощности светового потока, упрощение конструкции и расширение его функциональных возможностей.
Поставленная задача достигается тем, что в оптико-механическом модуляторе, содержащем источник и приемник ИК-излучения, двигатель, оправу, жестко закрепленную на оси двигателя, и модулирующий элемент с плоской поверхностью, который размещен в оправе, модулирующий элемент изготовлен из оптически анизотропного одноосновного полярного монокристалла. Оптическая ось монокристалла параллельна его плоской поверхности. При этом модулируемый элемент размещен в оправе так, что плоская поверхность, а значит, и оптическая ось монокристалла перпендикулярны оси вращения двигателя. Плоской поверхностью модулирующий элемент обращен к источнику и приемнику излучения.
Оптико-механический модулятор отличается также тем, что модулирующий элемент изготовлен из лейкосапфира.
Такое изобретение может быть реализовано устройством (фиг. 1), которое содержит источник 6 и приемник 7 электромагнитного излучения, пластину оптически анизотропного полярного монокристалла 3 с плоской поверхностью, закрепленную винтом 5 в оправе 2. Оправа жестко крепится к оси двигателя 1 хомутиком 4.
Известен ряд полярных анизотропных монокристаллов (например, Al2O3, SiС 6H, TiO2 и др.), которым характерна оптическая анизотропия коэффициентов отражения при разных ориентациях электрического вектора и оптической оси монокристалла C (А. Пуле, Ж.-П. Матье. "Колебательные спектры и симметрия кристаллов". М. : "Мир", 1973, 437 с.). Указанные монокристаллы оптически анизотропны, имеют высокую температуру плавления от 1900oC для SiC 6H до 2200oC для Al2O3, механическую прочность (по Моосу 9), химическую и радиационную устойчивость, что повышает лучевую устойчивость устройств, долговечность и возможность работать в экстремальных условиях.
Спектры отражения таких полярных монокристаллов имеют область, где коэффициент отражения R(ν) больше 90%, называемую областью остаточных лучей. Она расположена между частотами поперечного νT и продольного νL оптического фонона и обусловлена дипольными колебаниями кристаллической решетки. Одной из наиболее характерных особенностей оптически анизотропной кристаллической решетки является отличие в абсолютных значениях диэлектрической проницаемости ε для различных направлений. Диэлектрическая проницаемость монокристалла представляет собой симметрический тензор второго ранга, описываемый матрицей

Матрица (1) связана с характеристической поверхностью второго порядка, представляющей собой эллипсоид
x2/ε11 +y2/ε22+z2/ε33 =1 (2)
Из уравнения (2) видно, что эллипсоид имеет пересечение в форме круга. Физически это означает равность показателей преломления в точке пересечения, а значит, и фазовых скоростей распространения электромагнитного излучения по направлениям, что лежат в плоскости кругового пересечения эллипсоида. Все другие точки монокристалла оптически анизотропные. Линия, перпендикулярная круговому пересечению эллипсоида показателя преломления, называется оптической осью монокристалла. Если на анизотропный монокристалл направить пучок света, то он разделится на два луча: обыкновенный и необыкновенный, параллельный падающему лучу и поляризованный по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Исключением является луч, параллельный оптической оси монокристалла. В этом случае разделение не происходит. Электрический вектор обыкновенного луча направлен вдоль оси, а необыкновенного - перпендикулярно оси (Ребрин Ю. К. "Управление оптическим лучом в пространстве". М.: Сов. радио, 1974, 336 с.).
С анизотропией диэлектрической проницаемости монокристалла связана анизотропия показателя преломления; фазовые скорости распространения электромагнитного излучения в монокристалле будут разные в зависимости от направления распространения и ориентации плоскости поляризации электромагнитного излучения. Таким образом, будут и разными коэффициенты отражения при изменении ориентации оптической оси монокристалла C и направления электрического вектора E.
Показатель преломления на частоте минимума в области остаточных лучей νmin для обыкновенного и необыкновенного лучей связан с диэлектрической проницаемостью монокристалла через соотношение Максвелла: n(νmin)=[ε(ν)]1/2. Диспергированное же уравнение для одноосного оптически анизотропного монокристалла при условии νT ≫γph(где γph - коэффициент затухания фононов) для EIC и имеет вид
ε(ν)=εoo+[(εooo)/ (1-(ν/νT)2)], (3)
где
εoo, εo- высокочастотная и статическая диэлектрические проницаемости кристалла.
Из уравнения (3) видно, что при возрастании частоты от 0 до νT ε(ν) монотонно увеличивается от [ε(0)]1/2 до бесконечности на частоте νT. Как только ν превзойдет νT, значение ε(ν) делает от + 00 до - 00 и сохраняет отрицательное значение при дальнейшем росте частоты от νT до νmax, которая удовлетворяет условию
ε(ν)≡0. (4)(4)
При использовании уравнения (3) и соотношения Лиддейна-Сакса-Теллера равенство (4) будет иметь вид
ε(νmax)=εoo[1-(ν2L2T)]/(ν2max2T )=0. (5)
В интервале частот νTL показатель преломления n(ν) является чисто мнимой величиной, а значит, коэффициент отражения при падении электромагнитного излучения перпендикулярно к поверхности монокристалла определяется как R(ν)=[(ε(ν)1/2-1)/(ε(ν)1/2+1)] (6) и имеет максимальное значение больше 90%, т.е. монокристалл в данном интервале частот практически полностью отражает падающее на него электромагнитное излучение. При дальнейшем возрастании частоты от νL до νmin коэффициент отражения уменьшается от максимального значения до 0. Частота минимума вычисляется из условия:

Для каждого полярного монокристалла частота минимума есть величина постоянная, которая принадлежит к инфракрасному диапазону, что удобно при регистрации экспериментальных спектров ИК отражения с высокой точностью.
Спектр отражения R(ν) таких монокристаллов зависит от расположения оптической оси монокристалла C и ориентации электрического вектора E. Подставляя значения параметров кристаллической решетки при ориентациях EIC и в уравнение (7) получим две частоты (νminI и νminII ), на которых коэффициент отражения имеет минимальное значение. Частоты νminI и νminII значительно отличаются друг от друга, причем для случая νLI<ν>LII всегда νminI < νminII. Авторы зарегистрировали спектры отражения R(ν) для Al2O3, SiC 6H, ZnO и др. При ориентациях EIC и установили, что полоса остаточных лучей для сдвинута в высокочастотную область относительно EIC на 80 - 150 см-1. Полученные данные согласуются с теоретико-групповым расчетом. Если при EIC на частоте νmI из области минимума остаточных лучей коэффициент отражения R(νmI)≈0, то для ориентации на данной частоте R(νmI)>90% .
Таким образом, изменяя направление ориентации оптической оси монокристалла при повороте оптически анизотропного полярного монокристалла на 90o, можно осуществить амплитудную модуляцию электромагнитного излучения за счет изменения интенсивности коэффициента отражения в области остаточных лучей.
Уменьшение энергетических потерь светового потока в сравнении с прототипом происходит за счет поворота оптически анизотропного полярного монокристалла, который жестко закреплен в оправе на оси двигателя. Через каждую четверть поворота происходит изменение коэффициента отражения от минимального до максимального значения (амплитудная модуляция), в то время, как в прототипе модуляция происходит через 360o. Отсюда видно, что предложенное устройство имеет время модуляции и энергетические потери в четыре раза меньше, чем в прототипе.
Следует отметить сложность конструкции и технологии изготовления модулирующего элемента в прототипе.
1. Призма изготовляется из стекла К-8, все поверхности которой должны быть обработаны методом глубокого алмазного полирования для возрастания устойчивости к световому потоку.
2. При изготовлении призмы необходимо обеспечить минимальную ширину фаски со стороны прямого угла. Для получения коэффициента отражения 70 - 75% на тщательно отполированную поверхность, что расположена за фаской, необходимо нанести слой алюминия толщиной 2 - 5 μм.
В предложенном изобретении вместо призмы закреплен одноосный оптически анизотропный полярный монокристалл, в котором необходимо, чтобы она поверхность, в которой расположена оптическая ось кристалла, была плоской. Все перечисленные элементы, требующие такой тщательной обработки, в предложенном изобретении отсутствуют. Кроме того, в прототипе коэффициент отражения отполированной поверхности призмы, покрытой слоем алюминия, в начале работы модулятора не превосходит 75%. Во время работы он ухудшается за счет влияния инфракрасного излучения на тонкий слой алюминия и его механических повреждений.
Предложенное устройство в отличие от известных оптико-механических модуляторов может продолжительное время осуществлять модуляцию мощного светового потока с плотностью энергии до 45 Вт/см2 в химически и радиационно-активных средах, что расширяет его функциональные возможности: разрешает использовать модулятор в областях измерительной техники, связанной с химически и радиационно-активными средами при температурах до 1000oC.
Таким образом, к преимуществам предложенного изобретения относится: увеличение коэффициента модуляции (90%), значительно меньшие энергетические потери (10 - 15%), простота и малая себестоимость конструкции, возможность модулировать мощные световые потоки с плотностью энергии до 45 Вт/см2 при нормальных условиях и температурах до 1000oC в химически и радиационно-активных средах. Перечисленные преимущества оптико-механического модулятора делают его удобным и доступным для широкого использования.
Пример 1. Как пример выбраны монокристаллы одноосного, оптически анизотропного полярного полупроводника карбида кремния (политип 6H), который в предложенном устройстве использован в качестве модулируемого элемента.
Монокристаллы SiC 6H (образец 03-2Р), выращенные из паровой фазы, вырезались алмазным диском таким образом, чтобы оптическая ось была расположена в плоскости, параллельной поверхности монокристалла. После механической обработки одной из сторон монокристалл SiC 6H имел форму круга диаметром 32 мм и толщиной 3,4 мм. Для крепления кристалла SiC 6H 3 в оправу 2 использовался клей ЭДС-8. Оправа 2 жестко крепится к оси двигателя хомутиком 4. Модулирующий элемент 3 размещен в оправе перпендикулярно к оси вращения двигателя. Оптическая ось SiC 6H расположена в плоскости вращения монокристалла.
На фиг. 2 представлены экспериментальные (точки 1, 2) и расчетные (линия 3, 4) спектры ИК отражения для нелегированного (концентрация электронов в зоне проводимости n0 < 1016 см-3) карбида кремния (образец 03-2Р). Экспериментальные спектры ИК отражения SiC 6H зарегистрированы в области остаточных лучей 600 - 1100 см-1 при помощи спектрофотометра SPECORD-M80 при взаимно перпендикулярных ориентациях EIC и . Расчет зависимости коэффициента отражения от частоты ИК отражения при ортогональных ориентациях EIC (кривая 4) и (кривая 3) проведен при помощи уравнения (6) и полученных авторами объемных параметров SiC 6H, представленных в табл. 1.
Методом дисперсионного анализа расчетных и экспериментальных спектров отражения было установлено, что кривая 3, точки 1 и кривая 2, точки 3 совпадают между собой (образец 03-2Р) с точностью 1% (фиг. 2). Область минимума остаточных лучей SiC 6H расположена в диапазоне 900 - 1050 см-1.
Модуляция светового потока в условиях предложенного изобретения проводилась с использованием CO2-лазера при температуре T = 300 К, двигателя ABC-1000/2A (асинхронный трехфазный) (1) со скоростью вращения 60000 об/мин и приемника излучения из Ge(Au). На фиг. 1 представлена блок-схема оптико-механического модулятора. При электрическом разряде в рабочей смеси CO2-лазера возбуждаются колебательно-вращательные переходы в диапазоне 900 - 1100 см-1, в зависимости от положения зеркал можно генерировать электромагнитное излучение на любой частоте из указанного диапазона. Авторы использовали частоту 954 см-1 (10,48 мкм).
Излучение лазера с длиной волны 10,48 мкм и с плотностью энергии 45 Вт/см2 электромагнитного излучения направлялось на монокристалл SiC 6H (образец 03-2Р). На частоте 954 см-1 R(νm) имеет значение 0,08 при . При повороте кристалла на 90o (s-поляризация) коэффициент отражения на данной частоте имеет значение 0,83 при EIC. Из простых расчетов видно, что коэффициент модуляции ≅ 75%. Регистрация промодулированного электромагнитного излучения осуществлялась приемником из Ge(Au). С помощью указанного приемника фиксировалась амплитуда промодулированного светового потока.
Таким образом, авторы впервые показали, что изменением поляризации электромагнитного излучения падающего на поверхность оптически - анизотропного полярного монокристалла и поворотом монокристалла на 90o можно осуществить амплитудную модуляцию светового потока.
Пример 2. Как пример выбраны монокристаллы лейкосапфира (Al2O3). Al2O3 - одноосный, оптически анизотропный полярный диэлектрик, область остаточных лучей которого находится в диапазоне 350 - 1200 см-1. Для монокристаллов лейкосапфира коэффициент отражения в области минимума остаточных лучей 900 - 1050 см-1 при ориентации EIC равен нулю. Для ориентации E||C значение коэффициента отражения в указанном диапазоне максимальное (93%).
В качестве модулирующего элемента использован монокристалл лейкосапфира Al2O3 3 (образец АО-2). Монокристаллы Al2O3, выращенные методом Вернейля, обрабатывались по методике, описанной выше для SiC 6H.
Диэлектрическая проницаемость лейкосапфира ε(ν) определяется из дисперсионного анализа полученных авторами экспериментальных спектров отражения Al2O3 (фиг. 2, точки), которые измерены в поляризованном свете с коэффициентом поляризации 0,98. Расчетные значения ε(ν) определяются из уравнения (3) с учетом того, что Al2O3 имеет четыре осциллятора

где
εoo= 3,2 - высокочастотная диэлектрическая проницаемость Al2O3, Δεi- сила i-го осциллятора при ориентациях EIC и E||C, νTi, γphi- частота и коэффициент затухания поперечного оптического фонона i-го осциллятора при ориентациях IC и E||C.
На фиг. 3 (линии) представлен рассчитанный авторами спектр отражения R(ν) монокристалла лейкосапфира при ориентации EIC (кривая 3) и E||C (кривая 4) в области остаточных лучей Al2O3 (350 - 1200 см-1). Расчет проведен при подстановке ε(ν) из уравнения (9) в формулу (6) при использовании полученных авторами параметров осцилляторов, представленных в табл. 2.
Анализ кривых 3 и 4 показывает, что оптическая анизотропия Al2O3 проявляется в области остаточных лучей на частотах 300 - 650 и 800 - 1200 см-1. В диапазоне 800 - 1150 см-1 при ориентации EIC и E||C коэффициент отражения изменяет свое значение от 96 до 0%.
Частота минимума в области остаточных лучей лейкосапфира получена при решении уравнения (7) с использованием соотношения (9) и данных табл. 2.
Для ориентации EIC νminI= 970 см-1 при значении RImin)= 2·10-5, а для E||C νminII= 1136 см-1 при RIImin)= 4·10-5. Коэффициент отражения на частоте модуляции νm= 952 см-1 (10,6 мкм) для ориентации EIC RIm)= 0,002, а для E||C RIIm)= 0,93 см-1.
Экспериментальные спектры отражения лейкосапфира при ориентациях EIC и E||C зарегистрированы с помощью спектрофотометра SPECORD-M80 и приставки для измерения коэффициента отражения ПО-М80/85. Для получения абсолютных значений коэффициентов отражения как эталонное зеркало использованы монокристаллы карбида кремния (политип 6H) с концентрацией электронов в зоне проводимости 5·1016 см-3. Из фиг. 3 видно, что в диапазоне 700 - 1200 см-1 расчетная кривая (линии 3, 4) и экспериментальные точки (1-для EIC и 2-для E||C)) взаимосогласованы между собой с точностью 1-2% (образец АО-2). Совпадение с высокой точностью теоретической и экспериментальной кривой подтверждает достоверность разработанной авторами многоосцилляторной математической модели для одноосных оптически анизотропных монокристаллов.
Для осуществления амплитудной модуляции поверхность монокристалла Al2O3 3, который имеет коэффициент отражения в области остаточных лучей R(ν) = 0,96, жестко закрепляли в оправу 2 плоской поверхностью к источнику 6 и приемнику 7 светового потока. Оптическая ось монокристалла Al2O3 расположена в плоскости вращения. Лазер и монокристалл Al2O3 размещались так, чтобы плоскость колебаний электрического вектора E поляризованной световой волны была перпендикулярна к поверхности монокристалла (p-поляризация).
Излучение лазера с длиной волны 10,6 мкм и с плотностью энергии 45 Вт/см2 электромагнитного излучения направлялось на монокристаллы лейкосапфира, который вращается со скоростью 60000 об/мин. На частоте 952 см-1 R(νm) имеет значение 0,002 при E||C. При повороте кристалла на 90o (s-поляризация) коэффициент отражения на данной частоте будет иметь максимальное значение 0,93 при EIC. Из простых расчетов видно, что коэффициент модуляции будет больше 90%, а частота модуляции увеличивается в четыре раза по сравнению с прототипом. Регистрация промодулированного электромагнитного излучения осуществлялась приемником из Ge(Au). С помощью указанного приемника фиксировалась амплитуда промодулированного светового потока.
Таким образом, сравнивая параметры одноосных оптически анизотропных полярных монокристаллов, можно сделать вывод, что монокристаллы лейкосапфира по сравнению с другими монокристаллами (SiC 6H, TiO2 и др.) позволяют выполнить модуляцию светового потока в широком частотном диапазоне при коэффициенте модуляции больше 90%.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет модулировать электромагнитное излучение серийных CO2-лазеров. Из полученных экспериментальных значений видно, что в предложенном изобретении для достижения 90% модуляции необходимо повернуть кристалл на 90o, тогда как в прототипе для достижения 60% коэффициента модуляции на той же длине волны необходимо повернуть призму на 360o, поэтому потери энергии в четыре раза меньше, а частота модуляции в предложенном устройстве в четыре раза больше, чем в прототипе. Предложенное устройство модуляции проще по конструкции и при использовании обеспечивает большие коэффициенты модуляции (больше 90%) светового потока с плотностью энергии до 45 Вт/см2, имеет большую скорость действия, не требует уникального оборудования и может быть широко использовано в радио-, фото-, пирометрии, космической технике и др. областях измерительной техники, связанной с модуляцией светового потока энергии.
Формула изобретения: 1. Оптико-механический модулятор светового потока, содержащий источник и приемник ИК-излучения, двигатель, оправу, жестко прикрепленную к оси двигателя, и модулирующий элемент с плоской поверхностью, расположенный в оправе, отличающийся тем, что модулирующий элемент выполнен из оптически анизотропного одноосного полярного монокристалла, оптическая ось монокристалла параллельна поверхности монокристалла, а модулирующий элемент расположен в оправе так, что его плоская поверхность перпендикулярна к оси двигателя и обращена к источнику и приемнику излучения.
2. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что модулирующий элемент выполнен из монокристалла лейкосапфира.