Файл: Проворов К.Л. Радиогеодезия учеб. пособие.pdf

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

поток будет изменяться так, как показано на рис. 136, б для различ­ ных значений К, указанных на рисунке.

Кроме удвоения частоты модуляции и других искажений закона модуляции, имеющих место при подаче переменного напряжения на конденсатор Керра, для обеспечения большой глубины модуляции светового потока в этом случае необходима большая амплитуда переменного модулирующего напряжения Um m Uk. При этом воз­ растает вероятность электрического прибоя конденсатора, происходит нагрев нитробензола и уменьшение постоянной Керра. Эти недо­ статки уменьшаются, если на конденсатор Керра кроме переменного модулирующего напряжения подавать постоянное поляризующее напряжение U0 > Um. Тогда частота модуляции света может быть сделана равной частоте модулирующего напряжения, а закон изме­ нения светового потока (рис. 136, в) близким к закону изменения

Рис . 137

модулирующего напряжения. Наиболее благоприятный в указанном смысле режим ячейки Керра будет иметь место при

U0^0,70Uk; Um^0,25Uk.

Ячейка Керра обеспечивает модуляцию в широком диапазоне частот. Инерционность эффекта Керра в нитробензоле весьма мала (порядка 10"1 0 с). Недостатками модулятора являются: значитель­

в которых модуляция света осуществляется путем вращения пло­ скости поляризации. К модуляторам такого типа относятся модуля­ тор с кварцевой пластинкой и магнитооптические модуляторы, основанные на эффекте Фарадея.

Схема модулятора с кварцевой пластиной показана на рис. 137, а. Луч света ОО последовательно проходит через поляризатор, кварце­ вую пластину и анализатор, установленный на скрещивании с поля­ ризатором. Кварцевая пластина устанавливается так, чтобы опти­ ческая ось ZZ кристалла была параллельна лучу. Тогда плоско-поля-

250