7.2. ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЗАТВОРЫ И МОДУЛЯТОРЫ СВЕТА

Для фазовой и амплитудной модуляции света электрооптический эффект чаще всего используется в системах, представляющих собой электрооптический элемент, находящийся между двумя поляризационными элементами - поляризатором и анализатором (рис. 7.1). Работа этой системы основана на изменении двупреломления в кристалле вследствие электрооптического эффекта. В поляризационных электрооптических модуляторах чаще всего используются оптически одноосные кристаллы. Оптические элементы, вырезанные из этих кристаллов, ориентируются так, что их оптическая ось совпадает с

Рис. 7.1. Схема электрооптического модулятора: 1 - электрооптический кристалл; 2 - поляризатор; 3 - анализатор

Рис. 7.2. Изменение сечения оптической индикатрисы нормального оптической оси одноосного кристалла под действием электрического поля: X, Y - крнсталлофизические координаты до воздействия поля; после воздействия поля

оптической осью системы. Это позволяет исключить влияние на работу электрооптического элемента собственного двупреломления, которое обычно гораздо выше наведенного. При такой ориентировке кристалла свет распространяется вдоль оптической оси кристалла и сечение оптической индикатрисы, нормальное волновому вектору света, является кругом, оптическая волна в кристалле является обыкновенной и показатель преломления, определяющий скорость ее распространения, равен Под действием электрического поля оптическая индикатриса искажается; круг превращается в эллипс. В кристалле возникают две волны, скорости распространения которых определяются новыми показателями (рис. 7.2). Величина наведенного двупреломления определяется выражениями (7.7) и (7.8). На выходе из кристалла эти две волны будут иметь оптическую разность хода - длина электрооптического элемента) и разность фаз

Интенсивность света, прошедшего через такую систему, определяется законом Малюса

- начальная интенсивность света;

I - интенсивность света, выходящего из поляризационно-оптической системы; у - угол между плоскостями поляризатора и анализатора;

а - угол между плоскостью поляризации поляризатора и осью оптической индикатрисы;

- сдвиг по фазе между волнами на выходе из электрооптического кристалла.

Определив из (7.7), получим

Здесь в качестве показателя преломления можно использовать начальное значение так как разница между и величиной преломления в присутствии электрического поля очень мала

Подставляя в (7.11) выражение для из (7.12), получим для скрещенных ) поляроидов:

Если главные оси сечения оптической индикатрисы, возникшей при воздействии на кристалл электрического поля, составляют с плоскостями поляроидов 45°, то (7.13) принимает вид

Величина периодически меняется в зависимости от и достигает первого экстремума при

Для параллельных поляризатора и анализатора - это первый минимум, соответствующий полному погасанию света.

Для скрещенных это первый максимум, соответствующий полному просветлению системы. Первый экстремум достигается при , поэтому напряжение, при котором достигается экстремум, получило название полуволнового напряжения Из (7.14) следует, что

Величина зависит от характеристик кристалла и геометрии электрооптического элемента и, следовательно, является характеристикой электрооптического элемента. Если взять в этом

случае может служить характеристикой кристалла. Напряжение обеспечивает достижение минимума I и используется в электро-оптических затворах.

Для модуляции света может быть важно, чтобы закон модуляции наиболее точно соответствовал закону изменения электрического напряжения. Это возможно, если модуляция осуществляется так, что зависимость близка к линейной. Как видно из рис. 7.3, при изменении напряжения от до зависимость нелинейна. Если колебания управляющего напряжения совершаются в пределах от до при том, что величине соответствует минимум то колебания I будут гораздо меньше, чем в том случае, если колеблется около напряжения, соответствующего сдвигу волн по фазе, равной (оптическая разность хода ). Кроме того, модуляция света при изменении напряжения от до происходит с удвоенной частотой. Наиболее близка зависимость к линейной вблизи Начальный сдвиг фаз на можно получить двумя путями: подав постоянное электрическое поле либо введя в промежуток между поляризатором и кристаллом пластинку, обеспечивающую разность хода Последний прием гораздо проще и им обычно пользуются при создании электр о оптических модуляторов.

В электрическом смысле электрооптический элемент представляет собой конденсатор. При повышении частоты управляющего электрического поля возрастает реактивная составляющая электропроводности, равная

Рис. 7.3. Пропускание системы поляризатор - кристалл-анализатор. Поляроиды скрещены, оптическая ось кристалла составляет 45° с осями поляроидов:

- интенсивность падающего света; - интенсивность света, прошедшего через электрооптический модулятор; - управляющее напряжение. Под осью абсцисс показано переменное управляющее напряжение: а - без сдвигающей постоянной составляющей; - с постоянным сдвигающим напряжением - модуляция света, проходящего через модулятор без постоянной составляющей и с постоянной составляющей соответственно; - управляющее напряжение, обеспечивающее экстремальное пропусками модулятора

частота электрического поля;

- емкость кристаллического элемента.

Величина емкости кристаллического элемента определяется как

где - площадь электродов;

- расстояние между электродами.

В выражении определяется в пикофарадах, если линейные размеры кристаллического элемента взяты в миллиметрах.

Ток через кристалл определяют по формуле

где - активная электропроводность, равная - тангенс угла диэлектрических потерь).

Из (7.18) следует, что возрастает с ростом частоты управляющего поля.

Мощность, потребляемая электрооптическим элементом,

тоже возрастает с ростом частоты.

Мощность, необходимая для достижения в кристалле полуволнового напряжения,

и при высоких частотах может оказаться недостижимой из-за слишком большого нагрева кристалла. Практически кристалл перестает возбуждаться (требуемая для возбуждения мощность становится слишком большой) при частотах управляющего поля порядка 100 МГц. Поэтому для высокочастотных приборов в качестве рабочей характеристики электрооптического элемента следует брать не а мощность Критерием качества кристаллов для высокочастотных приборов служит величина наведенного сдвига фаз отнесенная к величине управляющей мощности. Поскольку критерием качества кристалла, применяемого для высокочастотных приборов, является отношение

Величина имеет размерность .