Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 45 )

В ОЭП с неподвижными растрами (см. рис. 6.6 и 8.8, г) близкое к оптимальному условие пространственной фильтрации для всего поля обеспечить проще. (В соответствии с этим условием размер изображения должен быть равен размеру ячейки растра.) При малых углах рассогласования, когда изображение малоразмерного излучателя при перемещении по растру не выходит за его пределы (траектория И1 на рис. 6.6, б), глубина модуляции сигнала частоты управления несет информацию о значении рассогласования. В то же время сигнал несущей частоты при выборе ячеек растра с размерами, бо́льшими или равными размеру изображения, имеет постоянную глубину модуляции – 100%. Поэтому модуляционная характеристика системы с таким растром не имеет мертвой зоны в области малых рассогласований. Применяя АРУ с жесткой связью по несущей частоте, когда при изменении облученности или других параметров АРУ поддерживает амплитуду сигнала несущей частоты постоянной, можно использовать зону малых рассогласований (линейную зону) модуляционной характеристики (см. рис. 6.6, г) для получения информации о координатах излучателя.

При больших рассогласованиях (углах между направлением на излучатель и оптической осью системы) изображение излучателя в процессе сканирования выходит за пределы растра. Модуляция на частоте управления (частоте сканирования) становится импульсной; спектр сигнала расширяется, что обуславливает необходимость увеличивать полосу пропускания электронного тракта и снижает помехозащищенность ОЭП.

Так как траектории сканирования весьма разнообразны, то обеспечить оптимальное согласование (равенство) размеров изображения и ячеек растра (см. рис. 8.8, г) в его центральной части для всех траекторий трудно. Поэтому в области больших рассогласований глубина модуляции может меняться, и здесь принимается релейный закон управления ОЭП. Однако и при этом в растрах такого типа условия по согласованию размеров и формы изображения и ячеек растра выполняются проще и полнее, чем во вращающихся радиально-секторных растрах типа, представленных на рис. 8.8, а-в. Проблема оптимального согласования размеров изображения и ячеек растров для всего углового поля ОЭП или всех возможных углов рассогласования присуща практически всем растрам, используемым в ОЭП.

Сравнительно просто с помощью растровых модуляторов осуществляется и частотная модуляция, например, путем использования модулятора в виде радиально-звездного растра (см. рис. 6.9), по которому перемещается изображение, причем траектория этого перемещения и рисунок растра эксцентричны. Возможен и такой случай, когда угловые размеры элементов растра не одинаковы, а меняются по заданному закону. Последовательность импульсов, возникающих после растра, попадает на приемник излучения, и после фильтрации постоянной составляющей электрическое колебание переменной частоты можно считать частотно-модулированным.

К числу механических модуляторов, осуществляющих ФМ и ФИМ, относятся щелевые модуляторы, выполняющие во многих ОЭП одновременно и функции сканирующих анализаторов. Типичная схема ФИМ с неподвижным приемником-растром в виде креста, также выполняющим функции оптического анализатора, рассмотрена в § 6.7.

Кроме растровых механических модуляторов в настоящее время на практике используется достаточно большое число модуляторов, основанных на электрооптических эффектах Керра и Поккельса, магнитооптическом эффекте Фарадея, акустооптическом эффекте, эффектах Зеемана и Штарка [9, 15, 16].

Одним из первых электрооптических модуляторов, применявшихся в первых геодезических светодальномерах, было устройство (ячейка Керра), в котором поток проходит между обкладками конденсатора, помещенными в жидкость, обладающую свойством двойного лучепреломления. Перед ячейкой Керра находится поляризатор, плоскость его поляризации расположена под углом 45° относительно силовых линий электрического поля, возникающего при подаче напряжения на пластины конденсатора. За ячейкой Керра расположен анализатор, плоскость поляризации которого составляет угол 90° с плоскостью поляризации поляризатора. В отсутствие напряжения на пластинах ячейки происходит полное гашение потока, т. е. поток не проходит через такую систему.

При подаче напряжения на конденсатор линейно поляризованное излучение, входящее в него, на выходе трансформируется в эллиптически поляризованное. Через анализатор пройдет только та составляющая потока, вектор поляризации которой совпадает с плоскостью поляризации анализатора. При изменении напряжения на пластинах меняется эксцентриситет эллипса поляризации (соотношение между векторами поляризации обыкновенного и необыкновенного лучей, угол между которыми составляет 90°).

Сила излучения на выходе

где I0 – сила излучения на входе поляризатора; τ – пропускание всего модулятора; В – постоянная Керра; l – длина пути излучения между пластинами; U – напряжение на пластинах конденсатора; d – расстояние между пластинами.

Наиболее часто в качестве наполнителя используется нитробензол, обладающий хорошим пропусканием в области 0,4...2,1 мкм. Однако потери в поляризаторе (свыше 50%), на отражение и другие потери приводят к тому, что общее пропускание такого модулятора обычно не превышает 15%. Апертура ячейки Керра определяется в основном расстоянием между пластинами и их конфигурацией; ее предельное значение составляет 1:4 при d=l...2 мм. Для создания большой глубины модуляции к пластинам приходится прикладывать большие напряжения (до десятков киловольт), что усложняет блок питания модулятора и увеличивает потребляемую мощность до десятков и даже сотен ватт.

Кроме квадратичного электрооптического эффекта Керра для модуляции потока используется и линейный электрооптический эффект – эффект Поккельса, который заметно проявляется в ряде кристаллов (дигидрофосфаты калия KDP и аммония ADP, сегнетоэлектрические перовскиты – ниобат лития, танталат лития, ниобат бария-натрия, танталат-ниобат калия и др.). Эти модуляторы широко используют в лазерной технике. Их мощность потребления составляет десятки, а иногда и сотни ватт.

Кристаллы KDP и ADP гигроскопичны, поэтому требуют защиты от воздействия влаги. В видимой области спектра световые потери в них составляют 3...4% на 1 см длины; отражение от торцов составляет 4...5%.

Лучшими эксплуатационными параметрами обладает ниобат лития LiNbO3, который почти не растворяется в воде и кислотах. Показатель преломления LiNbO3 для обыкновенного луча n=2,286, для необыкновенного ne =2,2; коэффициент его теплового расширения составляет 16,7·10-6 K-1. Однако LiNbO3 необходимо просветлять, так как отражение от торцов может составлять 30...32% для l=0,53; 1,06 мкм. Поглощение в этом материале на 1 см составляет для указанных длин волн 1...2%.

В [15] приведены данные по объемной и поверхностной стойкости ряда электрооптических кристаллов к мощному лазерному излучению. В этих модуляторах достигнуты частоты модуляции свыше 4 ГГц и полосы частот около 1,5 ГГц при потребляемой мощности 1...60 МВт на 1 МГц полосы.

Среди материалов для магнитооптических модуляторов, основанных на использовании явления поворота плоскости поляризации при наложении магнитного поля, наиболее распространены монокристаллы железоиттриевого граната. Их применяют для модуляции в ближней и средней ИК-области спектра (1...5 мкм), они потребляют сравнительно небольшие мощности (доли ватта) и обеспечивают глубину модуляции до 40% на частотах до 200 МГц.

В некоторых кристаллах и жидкостях показатель преломления изменяется при механической деформации. Этот эффект, называемый фотоупругостью, можно использовать для отклонения лучей, проходящих через такие вещества, т. е. для создания модулятора.

К настоящему времени создано большое количество модуляторов, основанных и на других физических явлениях (интерференционные и дифракционные модуляторы; модуляторы на основе нарушения оптического контакта, т. е. явления полного внутреннего отражения; модуляторы, в которых используется изменение поглощения в полупроводнике при изменении концентрации свободных носителей; фотохромные и др.). Однако, большинство таких модуляторов практически не вышло из стадии лабораторных или опытных образцов и не нашло широкого промышленного применения.

8.7. Пространственно-временные модуляторы (динамические транспаранты)

Отдельную группу устройств, предназначенных для изменения параметров проходящих через них оптических сигналов, составляют пространственно-временные модуляторы (ПВМ), в которых осуществляется управление сигналом не только во времени, как в описанных выше устройствах, но и по сечению модулируемого пучка лучей. Такие устройства, называемые также динамическими транспарантами, широко применяются в ОЭП для обработки изображений и графической информации, в оптических вычислительных устройствах и в ряде других. Большинство из них работает с когерентным излучением.

Принцип действия многих ПВМ основан на изменении оптической толщины сравнительно тонких слоев некоторых материалов путем воздействия на них оптического излучения или пучка электронов. При этом воздействии изменяется прозрачность или отражательная способность модулирующего слоя (меняется его фазовый рельеф) как во времени, так и по площади этого слоя. Кроме этого, в некоторых транспарантах можно менять оптические свойства путем изменения управляющего напряжения, прикладываемого к отдельным участкам ПВМ.

Схема оптически управляемого ПВМ представлена на рис. 8.9,а. Транспарант состоит из прозрачных электродов 1, слоя фотопроводника 2, разделительного слоя 3 в виде диэлектрического зеркала и электрооптического модулирующего слоя 4.

При облучении ПВМ управляющим входным оптическим сигналом s1 в зависимости от освещенности, создаваемой s1 на слое фотопроводника 2, происходит перераспределение напряжения, приложенного к прозрачным электродам 1. В результате считывающий оптический сигнал s2, приходящий с другой стороны на ПВМ через слой электрооптического материала и не воздействующий на его электрооптические свойства, на освещенных участках ПВМ претерпевает амплитудную или фазовую модуляцию. Диэлектрическое зеркало 3 позволяет существенно уменьшить влияние считывающего сигнала s2 на возбуждение фотопроводящего слоя 2 и одновременно отражает промодулированный сигнал.