PL222898B1 - Układ optyczny do analizy spektralnej widma fal radiowych - Google Patents

Description

(21) Numer zgłoszenia: 402565 (51) Int.Cl.

G01R 23/17 (2006.01) G01R 27/02 (2006.01) G02F 1/00 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 27.01.2013

(54)	Układ optyczny do analizy spektralnej widma fal radiowych
		(73) Uprawniony z patentu:
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	INSTYTUT OPTYKI STOSOWANEJ IM. PROF. MAKSYMILIANA PLUTY, Warszawa, PL
	04.08.2014 BUP 16/14	(72) Twórca(y) wynalazku:
		JACEK GALAS, Łomianki, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.09.2016 WUP 09/16	ADAM CZYŻEWSKI, Warszawa, PL DARIUSZ LITWIN, Warszawa, PL
		(74) Pełnomocnik:
		rzecz. pat. Jerzy Woźnicki

PL 222 898 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ optyczny do analizy spektralnej widma fal radiowych nadawanych w pasmach radiowych o częstotliwości w zakresie od 3 kHz do 300 GHz, mający zastosowanie w telekomunikacji i spektrofotometrii w technice wojskowej i cywilnej.

Znane są spektrofotometry przeznaczone do analizy widm promieniowania świetlnego, w których światło o różnych długościach fali kierowane jest na fotodetektor wielosegmentowy pod różnym kątem w wyniku wykorzystania różnicy długości dróg optycznych ugiętych i interferujących ze sobą fal. W przypadku badania fal o niskiej energii promieniowania elektromagnetycznego, takich jak fale radiowe, do detekcji sygnałów RF (radio frequency) wykorzystuje się przetworniki akustooptyczne, które powodują zmianę kąta ugięcia wiązki światła odbitej lub przechodzącej przez akustyczną siatkę dyfrakcyjną wytwarzaną przez przetwornik.

Z opisu patentowego US4503388 znany jest układ do detekcji sygnałów RF wykorzystujący ugięcie spójnej wiązki światła na siatce dyfrakcyjnej generowanej w przetworniku akustooptycznym wskutek rozchodzącej się w nim fali akustycznej. Fala akustyczna jest wzbudzana przez przetwornik piezoelektryczny wchodzący w skład przetwornika akustooptycznego, połączony z anteną do odbioru sygnałów RF. Przetwornik akustooptyczny powoduje ugięcie wiązki światła proporcjonalne do częstotliwości sygnału RF. W skład układu do detekcji sygnałów RF wchodzi laser monochromatyczny emitujący wiązkę światła o określonej długości fali, zależnej od rodzaju ośrodka czynnego. W typowym wykonaniu jest to laser wykonany w układzie rezonatora, złożony z układu pompowania ośrodka czynnego umieszczonego we wnęce rezonansowej pomiędzy układem równoległych zwierciadeł, z których jedno stanowi częściowo przepuszczalne zwierciadło wyjściowe, a drugie stanowi element końcowy w układzie optycznym rezonatora całkowicie odbijający światło. W wyniku pompowania ośrodka czynnego dochodzi do inwersji obsadzeń, dzięki czemu uzyskuje się emisję wymuszoną fotonów. Zwierciadła powodują odbijanie części emitowanych fotonów z powrotem do ośrodka czynnego. Taki układ optyczny stanowi rodzaj rezonatora dla danej częstotliwości fal elektromagnetycznych. Wadą tego typu układów do detekcji sygnałów RF jest ograniczony zakres zastosowania i konieczność stosowania skomplikowanych wzmacniaczy światła laserowego.

Układ optyczny do analizy spektralnej widma fal radiowych, złożony ze spektrofotometru, układu optycznego rezonatora laserowego i przetwornika akustooptycznego, w którym fala akustyczna jest wzbudzana przez przetwornik piezoelektryczny połączony ze źródłem sygnałów RF, według wynalazku charakteryzuje się tym, że przetwornik akustooptyczny stanowi element końcowy w układzie optycznym rezonatora, przy czym pomiędzy wnęką rezonansową a przetwornikiem akustooptycznym jest umieszczony pierwszy optyczny układ ogniskujący skupiający falę świetlną propagującą się wewnątrz rezonatora na powierzchni czołowej falowodu wchodzącego w skład przetwornika akustooptycznego, przetwornik piezoelektryczny jest zamocowany do falowodu po przeciwnej stronie powierzchni czołowej na przedłużeniu osi optycznej rezonatora, zaś pomiędzy zwierciadłem wyjściowym a spektrofotometrem jest umieszczony drugi optyczny układ ogniskujący skupiający wychodzącą wiązkę światła na wejściu spektrofotometru.

W rozwiązaniu według wynalazku przetwornik akustooptyczny stanowi element końcowy w układzie optycznym rezonatora laserowego. Wytworzona w nim akustyczna siatka dyfrakcyjna pełni rolę zwierciadła selektywnego. W zależności od długości fali akustycznej wytworzonej w przetworniku akustooptycznym, ulega odbiciu inna długość fali świetlnej wewnątrz rezonatora. W rezultacie długość fali światła wychodzącej z układu optycznego rezonatora i analizowanej w spektrofotometrze jest funkcją częstotliwości sygnałów RF. Układ według wynalazku umożliwia analizę spektralną widma fal radiowych przy bardzo wysokim stosunku sygnału do szumu.

Wynalazek jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym schematycznie układ optyczny do analizy spektralnej widma fal radiowych.

Układ optyczny do analizy spektralnej widma fal radiowych, składa się ze spektrofotometru 7, układu optycznego rezonatora laserowego i przetwornika akustooptycznego, w którym fala akustyczna jest wzbudzana przez przetwornik piezoelektryczny 4 połączony ze źródłem badanych sygnałów RF.

Układ optyczny rezonatora laserowego składa się ze zwierciadła wyjściowego 1 częściowo przepuszczającego światło, wnęki rezonansowej z substancją czynną 2, i elementu końcowego odbijającego światło. Wnęka rezonansowa stanowi komorę rezonatora. Element końcowy w układzie optycznym rezonatora stanowi przetwornik akustooptyczny wykonany z przetwornika piezoelektrycznego 4 przytwierdzonego do falowodu, w którym rozchodzi się objętościowa fala akustyczna. Fala ta

PL 222 898 B1 tworzy w falowodzie akustyczną siatkę dyfrakcyjną 3. Przetwornik piezoelektryczny 4 jest połączony ze źródłem sygnału RF w postaci anteny z modułem elektronicznym wzmacniającym odbierany sygnał. Pomiędzy wnęką rezonansową a przetwornikiem akustooptycznym jest umieszczony pierwszy optyczny układ ogniskujący 5 skupiający falę świetlną propagującą się wewnątrz rezonatora na powierzchni czołowej falowodu wchodzącego w skład przetwornika akustooptycznego. Przetwornik piezoelektryczny 4 jest zamocowany do falowodu po przeciwnej stronie powierzchni czołowej na przedłużeniu osi optycznej rezonatora. Pomiędzy zwierciadłem wyjściowym 1 a spektrofotometrem 7 jest umieszczony drugi optyczny układ ogniskujący 6 skupiający wychodzącą wiązkę światła na wejściu spektrofotometru 7.

Zwierciadło wyjściowe 1 jest standardowym zwierciadłem laserowym, przez które generowana w laserze fala świetlna wyprowadzana jest na zewnątrz rezonatora. Do substancji czynnej 2 umieszczonej we wnęce rezonansowej dostarczana jest energia w celu wymuszenia tak zwanej inwersji obsadzeń. Energię tę dostarcza zwykle układ diod laserowych. Fala świetlna propagująca się wewnątrz rezonatora skupiana jest przez pierwszy optyczny układ ogniskujący 5 na powierzchni czołowej falowodu wchodzącego w skład przetwornika akustooptycznego 4. Wytworzona w nim akustyczna siatka dyfrakcyjna 3 pełni rolę zwierciadła selektywnego. W zależności od długości fali akustycznej ulega odbiciu inna długość fali świetlnej. Pozostała część fali świetlnej propaguje się dalej i ulega wytłumieniu na złączu materiał falowodu - przetwornik piezoelektryczny. Długość fali akustycznej generowanej w przetworniku akustooptycznym jest funkcją sygnału RF odbieranego przez antenę. W rezultacie długość fali światła wychodzącego z układu optycznego rezonatora, skupiana przez drugi optyczny układ ogniskujący 6 na wejściu spektrofotometru 7, jest funkcją częstotliwości fal radiowych dochodzących do anteny. Światło to jest analizowane w spektrofotometrze 7.

Claims (1)

1. Układ optyczny do analizy spektralnej widma fal radiowych, złożony ze spektrofotometru, układu optycznego rezonatora laserowego i przetwornika akustooptycznego, w którym fala akustyczna jest wzbudzana przez przetwornik piezoelektryczny połączony ze źródłem sygnałów RF, znamienny tym, że przetwornik akustooptyczny stanowi element końcowy w układzie optycznym rezonatora, przy czym pomiędzy wnęką rezonansową a przetwornikiem akustooptycznym jest umieszczony pierwszy optyczny układ ogniskujący (5) skupiający falę świetlną propagującą się wewnątrz rezonatora na powierzchni czołowej falowodu wchodzącego w skład przetwornika akustooptycznego, przetwornik piezoelektryczny (4) jest zamocowany do falowodu po przeciwnej stronie powierzchni czołowej na przedłużeniu osi optycznej rezonatora, zaś pomiędzy zwierciadłem wyjściowym (1) a spektrofotometrem (7) jest umieszczony drugi optyczny układ ogniskujący (6) skupiający wychodzącą wiązkę światła na wejściu spektrofotometru (7).