книги из ГПНТБ / Проворов К.Л. Радиогеодезия учеб. пособие

Достоинствами дифракционного модулятора являются сравни­ тельно небольшие потери света в нем (—33% ) и малый расход электро­ энергии. Глубина модуляции достигает 70% , а фазовые искажения в поперечном сечении пучка света не превосходят 3°. Для разреше­ ния неоднозначности необходимо иметь несколько модуляторов с разными резонансными частотами. Излучатель ультразвука из титаната бария (ВаТЮ3 ) успешно работает в диапазоне частот, разли­ чающихся между собой до 5% ,что позволяет при правильном выборе средней частоты уверенно разрешать многозначность для расстоя­ ний до 12 км.

Большую группу модуляторов света образуют устройства, ос­ нованные на электрооптическом эффекте Поккельса в кристаллах и электрооптическом эффекте Керра в жидкостях. В модуляторах этого типа с помощью электрического поля вызывают искусственную

является двойное лучепреломление, заключающееся в раздвоении светового луча, входящего в анизотропное вещество (рис. 129). При этом выходящие лучи будут плоско-поляризованными во вза­ имно-перпендикулярных плоскостях, независимо от того, был ли входящий луч поляризован или нет. На рис. 129 различие в поляри­ зации выходящих лучей условно отмечено точками на одном луче и перпендикулярными штрихами на другом. Составляющие лучи отличаются также значением для них показателя преломления. По­ казатель преломления п0 одного из этих лучей, называемого обыкно­ венным, не зависит от угла падения света на кристалл. Показатель преломления другого луча пн , называемого необыкновенным, зависит от направления угла падения света на кристалл. В анизотропном веществе имеется одно (или два) направление, называемое оптической осью, при распространении вдоль которого показатели преломления обоих лучей одинаковы. Плоскость, содержащую оптическую ось и падающий луч, называют главной плоскостью; в этой плоскости лежат обыкновенный и необыкновенный лучи, причем плоскость

240

поляризации обыкновенного луча перпендикулярна, а необыкно­ венного — параллельна главной плоскости.

Величина пространственного разделения выходящих лучей оп­ ределяется углом падения луча на переднюю грань, углом между оптической осью и передней гранью и толщиной кристалла. Если анизотропное тело имеет форму параллелепипеда, оптическая ось которого параллельна или перпендикулярна грани, на которую световые лучи падают нормально (как это имеет место в существу­

то в результате сложения этих плоско-поляризованных в перпенди­ кулярных плоскостях лучей образуется один луч с эллиптической поляризацией.

В самом деле, пусть на анизотропную среду (рис. 130), главная плоскость которой перпендикулярна к плоскости чертежа и парал­

лучах на выходе из анизотропной среды будут меняться с течением времени согласно уравнениям

в которых -ф — разность фаз колебаний, определяемая формулой (268).

Исключив из (270) время t, получим уравнение эллипса

ориентировка и форма которого будут зависеть от величин а и ojj. Обычно в модуляторах а = 45° и тогда оси эллипса, как было показано в § 13, ориентированы по биссектрисам координатных осей, а эллипс может вырождаться в прямую (при ф = 0 и 180°) или окруж­

ванный в плос­ кости А

Естественный

свет

Р и с . 131

Принципиальная схема электрооптического модулятора показана на рис. 131. Собственно модулятором служит среда, в которой можно вызвать искусственную оптическую анизотропию или изменять

ее естественные анизотропные свойства. На пути светового пучка перед анизотропной средой и за ней помещают поляризующие уст­ ройства. Одно из них (поляризатор) предназначено для преобразо­ вания естественного света, излучаемого большинством источников, в свет плоско-поляризованный. Другое (анализатор), расположенное за анизотропной средой, преобразует эллиптически-поляризованный свет, образующийся на выходе анизотропной среды, опять в пло­ ско-поляризованный. Поляризующими устройствами в светодально­ мерах обычно являются поляроиды, представляющие собой пленки, покрытые тонким слоем одинаково ориентированных дихроичных кристаллов, способных пропускать свет только с одной плоскостью поляризации. Для предохранения пленок — поляроидов от внешних воздействий их помещают между защитными стеклами.

Обозначим через ß угол между плоскостью поляризации анализа­ тора А и главной плоскостью У анизотропной среды (см. рис. 130). Через анализатор пройдут только составляющие необыкновенного и обыкновенного лучей в анизотропной среде, равные проекциям соответствующих колебаний на плоскость поляризации анализатора.

242

С учетом формул (269) и (270) напишем для проекций колебаний за анализатором

а'о = A sin a sin ß cos (at — ф);

а'я = А cos а cos ß cos (ùt.

Колебания a'0 и а'ъ происходят в одной плоскости (но направлены в противоположные стороны) и распространяются по одному напра­ влению. Интерферируя, они образуют суммарное колебание

а — A sin a sin ß cos (wjf — ф) — A cos a cos ß cos Ш,

которое будет происходить в той же плоскости, т. е. в плоскости поляризации анализатора. После преобразований получим

а = [А sin a sin ßsin ф] sin at + [Л (sin a sin ß cos ф —cos a cos ß)] cosatf.

Так как частоты составляющих колебаний одинаковы, а разность их фаз равна -^-, то квадрат амплитуды результирующего колебания

будет равен сумме квадратов амплитуд составляющих колебаний. Имея в виду, что интенсивность света / пропорциональна квадрату амплитуды, и обозначив кА2 через / 0 , где к —коэффициент пропор­ циональности, можем написать

/ — I Q [sin2 a sin2 ß sin2 ф - f (sin a sin ß cos ф — cos a cos ß)2 ] или окончательно

В модуляторах света, как правило, плоскости поляризации поля­ ризатора и анализатора устанавливают под углом 90° (скрещенные поляроиды), а главную плоскость анизотропного тела располагают по биссектрисе между этими плоскостями. В этом случае a = ß = = 45°, и формула (271) примет вид

Иногда плоскости поляризации поляроидов располагают парал­ лельно. Тогда a = —ß = 45° и формула (271) принимает вид

Схема электрооптического модулятора, основанного на приме­ нении продольного электрооптического эффекта, получается (рис.131) заменой произвольной анизотропной среды ячейкой Поккельса (рис. 132, а), представляющей собой одноосный пьезоэлектрический кристалл, на преломляющие грани которого нанесены полупрозрач­ ные (пленочные или сетчатые) электроды. Оптическая ось ZZ кристал­ ла располагается параллельно направлению 00 распространения

света и направлению электрического поля, возникающего между электродами при подаче на них напряжения. В отсутствие напря­ жения плоско-поляризованный свет без изменений проходит через кристалл параллельно оптической оси. Если к электродам приложить напряжение, одноосный кристалл становится двуосным. Его вторая ось Z'Z', независимо от величины приложенного напряжения, ориентируется перпендикулярно постоянной оптической оси и па­ раллельно преломляющим граням. При этом плоско-поляризованный

Рис. 132

свет разделяется на два луча; плоскость поляризации одного луча будет перпендикулярна, а другого—параллельна этой оси (см. рис. 132, б). Если кристалл ориентирован так, что вторая оптиче­ ская ось составляет угол 45° с плоскостью поляризации поляриза­ тора, то амплитуды обоих лучей при любом напряжении будут оди­ наковыми. Скорости колебаний и показатели преломления вещества для обоих лучей внутри кристалла будут линейно зависеть от на­ пряженности Е электрического поля, причем разность показателей преломления определится формулой

244

ные направлению луча. Напряженность электрического поля между электродами будет

где U — приложенное напряжение я d — расстояние между элек­ тродами. Вектор напряженности электрического поля в этом случае параллелен оптической оси кристалла.

При отсутствии напряжения, вследствие естественной анизотро­ пии кристалла, плоско-поляризованный луч с амплитудой А в кри­

менения показателей преломления, то разность показателей прело­

245.

называемое 'полуволновым, чтобы фазовый сдвиг между лучами составлял я, т. е. положить для продольного эффекта

тора в виде ячейки Поккельса от приложенного напряжения. Гра­ фическое изображение характеристики для продольного эффекта показано на рис. 133. Модуляционная характеристика представляет собой периодическую функцию с чередованием максимумов и ми­ нимумов через интервалы напряжения, равные U%.

2 Величина полуволнового напряжения для кристаллов, исполь­

зуемых в модуляторах, достигает 7—8 тыс. В; при работе обычно ограничиваются меньшим напряжением. Для увеличения амплитуды светового потока при продольном эффекте кроме переменного подают постоянное поляризующее напряжение Ео. При соответствующем

246

бора длины кристалла) частота модуляции светового потока будег равна частоте приложенного электрического напряжения.

Существенным недостатком ячейки, основанной на продольном эффекте, является значительная потеря света при прохождении через полупрозрачные электроды. Правда, при малом диаметре све­ тового пучка можно избежать этого, если диаметр отверстия в элек­

стоящее время используют главным образом дигидрофосфат калия KH 2 P0 4 (KDP) и дигидрофосфат аммония NH 4 H 2 P0 4 (ADP), обеспе­ чивающие модуляцию света с частотами вплоть до десятка гигагерц. Так, в светодальномере «Мекометр» с помощью кристалла ADP

Р и с . 134

достигается частота модуляции 9375 МГц. При работе на такой ча­ стоте обычная схема подачи модулирующего электрического напря­ жения на ячейку непригодна. В этом случае кристалл помещают в волновод, в котором возбуждаются колебания высокой частоты.

Наиболее распространенным в современных светодальномерах является модулятор, основанный на применении эффекта Керра в жидкости. Такой модулятор получается, если в обобщенной схеме (см. рис. 131) в качестве рабочего тела использовать конденсатор Керра, который представляет собой стеклянный сосуд (рис. 134, а и б) с двумя впаянными металлическими пластинами, наполненный жидкостью, обладающей электрооптическим эффектом (нитробензол и др.). При отсутствии напряжения на пластинах жидкость не обла­ дает оптической анизотропией. Если к ним приложить электрическое напряжение, то жидкость между. пластинами приобретает двоякопреломляющие свойства, подобные свойствам одноосного кристалла, оптическая ось которого параллельна направлению электрического поля. Вследствие этого луч плоско-поляризованного света, вошедший в конденсатор, разделится в нем на два — обыкновенный и необык­ новенный, причем плоскость поляризации обыкновенного луча будет перпендикулярна к оптической оси (см. рис. 134, в). Разность фаз

247

колебаний в этих лучах на выходе из конденсатора Керра пропор­ циональна квадрату напряженности электрического поля, т. е.

вательно, тем больший электрооптический эффект возникает при одном и том же напряжении. Наибольшей постоянной при удовлет­ ворительных электрических свойствах обладает нитробензол

т. е. весь свет (без учета поглощения), вошедший в конденсатор, пол­

248

Формула (282) относится к ячейке Керра со скрещенными поля­ роидами, когда плоскости поляризации света поляроидами взаимно перпендикулярны и образуют углы по 45° с направлением электриче­ ского поля в конденсаторе. Для ячейки с параллельными поляро­ идами, когда плоскости поляризации света параллельны и соста­ вляют углы по 45° с направлением электрического поля, формула для интенсивности света имеет вид

Зависимость / от U, выраженную формулами (282) и (283), назы­ вают модуляционной характеристикой ячейки Керра. На рис. 135, а изображена характеристика ячейки со скрещенными поляроидами для монохроматического света. На рис. 136, б изображена аналогич­ ная кривая для ячейки с параллельными поляроидами. Как видно из рисунка, максимумы модуляционных характеристик имеют места при

Если на конденсатор Керра подать только переменное напряжениег то вследствие квадратичности эффекта Керра произойдет удвоениечастоты модуляции светового потока по сравнению с частотой моду­ лирующего напряжения. При этом характер изменения световогопотока может быть весьма различным в зависимости от соотношения

Um

где Um — амплитуда модулирующего напряжения. При гармони­ ческом характере модулирующего напряжения (рис. 136, а) световой

249