Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
Проблема управления оптическим излучением является актуальной в современной теоретической и прикладной оптике. Особую роль указанное направление играет в современной оптоэлектронике, которая рассматривает проблемы совместного использования оптических и электронных методов обработки, передачи и хранения информации [1,2].
В современных телекоммуникационных сетях для передачи информации широкое применение нашла электрооптическая модуляция излучения [3], основанная на электрооптическом эффекте, возникающем в анизотропных кристаллах, исследование распространения излучения в которых является актуальным направлением оптики [4]. Хорошо известно, что если анизотропный кристалл поместить между двумя поляризаторами, то можно изменять интенсивность выходного излучения, однако влияние взаимной ориентации плоскостей пропускания поляризаторов и оптических осей кристаллов на спектральный состав выходного излучения до конца не исследовано.
В электрооптических кристаллах присутствие внешнего электрического поля вызывает изменение показателей преломления, а, следовательно, и направления распространения электромагнитных волн внутри кристалла [5]. Если изменение показателя преломления пропорционально полю, то это соответствует линейному электрооптическому эффекту. На основе этого эффекта создаются удобные и широко распространенные способы модуляции излучения по интенсивности или фазе [6]. Неоднородность внешнего электрического поля приводит к неравномерному изменению показателя преломления в кристаллах, что приводит к уменьшению глубины модуляции. Кроме того, применение электрооптической модуляции до сих пор ограничивается требования к монохроматичности источников излучения. Современные электрооптические модуляторы эффективно модулируют излучение лазеров и лазерных диодов [2], имеющих узкий спектральный диапазон излучения (до единиц нанометров), и не пригодны для модуляции широкополосного излучения, имеющего произвольный спектральный состав в несколько десятков нанометров. В связи с этим, исследование электрооптической модуляции широкополосного излучения и управление видом спектра излучения является весьма актуальным.
Целью работы является выявление особенностей спектрального состава широкополосного излучения, проходящего через анизотропный кристалл, а также возможности поляризационного и электрооптического управления интенсивностью излучения. Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:
-
Определить характер распределения индуцированного двулучепреломле-ния в анизотропном кристалле при наложении внешнего неоднородного электрического поля;
-
Исследовать влияние угла между оптическими осями кристаллов и плоскостями пропускания поляризаторов на форму спектра излучения, глубину модуляции и найти оптимальное сочетание оптических элементов для эффективной модуляции широкополосного излучения;
-
Рассмотреть возможность применения электрооптической модуляции для современных широкополосных источников излучения;
-
Оценить влияние на глубину модуляции геометрии кристаллов, температуры и угловой апертуры пучка.
Основным объектом исследования выбран кристалл ниобата лития LiNbO^, вследствие наиболее широкого применения в качестве управляющего элемента.
При выполнении работы были использованы различные теоретические и экспериментальные методы исследования, а именно: спектроскопический, фотоэлектрический, фотографический, электрооптический, коноскопический, а также методы математического моделирования.
-
Впервые построены поверхности распределения индуцированного двулу-чепреломления и величины напряженности электрического поля в кристалле ниобата лития при неоднородном внешнем электрическом поле.
-
Впервые рассмотрено изменение формы огибающей спектра широкополосного излучения с исходным гауссовым распределением интенсивности с учетом дисперсии показателей преломления в анизотропных кристаллах при различной взаимной ориентации плоскостей главных сечений кристаллов и направлений пропускания поляризаторов.
-
Впервые показана возможность применения оптической системы, содержащей два электрооптических кристалла и три поляризатора, для эффективной модуляции излучения с гауссовым профилем огибающей спектра шириной несколько десятков нанометров. Описана математическая модель работы такого модулятора на языке программирования MatLab.
-
Впервые рассмотрено влияние температуры и геометрии кристаллов на глубину модуляции широкополосного излучения.
-
Предложен и описан метод расчета предельной угловой апертуры излучения, при которой наблюдается модуляция излучения.
Все выбранные экспериментальные методики и способы обработки экспериментальных данных являются стандартными и достоверными. Результаты
отдельных исследований хорошо согласуются между собой и с результатами, полученными и опубликованными другими авторами, не противоречат существующим представлениям оптики.
Все полученные в диссертационной работе результаты и используемые методы могут служить основой для создания новых оптических приборов и устройств, а также создания лабораторных работ по спецкурсу «Оптические методы передачи информации».
-
Построение поверхностей наведенного двулучепреломления (по совокупности коноскопических картин) позволяет наблюдать распределение напряженности электрического поля внутри кристалла и влияние конфигурации электродов на оптическую однородность кристалла.
-
Приложение внешнего электрического поля позволяет управлять с коэффициентом контраста 25 дБ интенсивностью широкополосного излучения, выходящего из системы двух идентичных кристаллов, плоскости главных сечений которых находятся под углом у = 90 друг к другу и расположенных между параллельными поляризаторами. При у = 0 приложение электрического поля приводит к сдвигу периодического спектра пропорционально величине напряжения (коэффициент пропорциональности 3,5 10" нм/В).
-
В оптической системе, содержащей два электрооптических кристалла и три поляризатора, возможна эффективная модуляция излучения с гауссовым профилем огибающей спектра шириной несколько десятков нанометров при сохранении температурной независимости эффективности модуляции за счет эквидистантного сдвига по длине волны максимумов и минимумов в спектре прошедшего через кристаллы излучения при изменении температуры кристаллов.
СВЯЗЬ С ГОСУДАРСТВЕННЫМИ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИМИ ПРОГРАММАМИ И НИР
Часть диссертационной работы выполнялась в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по гос. контракту № 16.740.11.0396, соисполнителем которого является автор.
Основные научные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях: X, XI, XIII краевой конкурс-конференция молодых ученых и аспирантов по направлению «Физика, математика, информационные технологии» (г. Хабаровск, 2008г., 2009г., 2011г.); Конференция «Фундаментальные проблемы оптики - 2008» (г. Санкт-Петербург, 2008г.); VI Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых (г. Санкт-Петербург, 2009г.); «Оптика-2009», «Оптика-2010», «Оптика-2011»
международная конференция молодых ученых и специалистов (г. Санкт-Петербург, 2009г., 2010г., 2011г.); IV Международная конференция по физике кристаллов «КРИСТАЛЛОФИЗИКА XXI века», посвященная памяти М.П. Шаскольской (г. Москва, 2010г.); Научно-техническая конференция-семинар по фотонике и информационной оптике (г. Москва, 2011г., 2012г.); Всероссийская молодежная научно-практическая конференция с международным участием "Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке" (г.Хабаровск, 2011г.); X региональная научная конференция (г.Владивосток, 2011г.); Proceedings of International Russian-Chinese symposium "Modern materials and technologies 2011" (Khabarovsk, 2011).
По результатам исследований опубликовано 20 работ, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Российской Федерации для соискания ученой степени кандидата наук, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Автор принимал непосредственное участие в экспериментальных исследованиях, самостоятельно провел математическое моделирование. Определяющим был вклад автора в постановку задач, обработку и анализ результатов.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ
