Тема: Оптоэлектронная схема.

[elf1423]

Помогите пожалуйста разобраться со смыслом (применением) каждого элемента в данной оптоэлектронной схеме:

Спасибо!

Ссылка на статью, в которой имеется данная схема, внизу.

[Gall]

Ого.

Идем от лазера. Излучение лазера модулируется относительно низкой частотой от генератора через цепь питания.

Призмы нужны для того, чтобы овальный луч сделать круглым. (У лазерных диодов луч всегда эллиптический в сечении).

Фарадеевский ротатор (изолятор) - это элемент, пропускающий свет только в одну сторону. Нужен, чтобы отражения из схемы не попали обратно в лазерный диод и не нарушили его нормальную работу. (Лазеры очень не любят, когда в них возвращается обратно их собственный свет, и начинают работать некорректно).

Полуволновая пластинка позволяет поворачивать плоскость поляризации как угодно и настраивать ее так, как требуется для эксперимента.

Затем идет собственно эксперимент. В кристалле возникает оптическое гетеродинирование. Выходящее излучение снимается фотодиодом, усиливается и фильтруется. То, что получилось, сравнивается с сигналом генератора, того самого, которым модулируется лазер. Сравнение делается путем смешивания, как в супергетеродинном радиоприемнике, а результат подается на осциллограф.

Понять принцип действия схемы будет легче, если вместо лазера представить себе электрический генератор высокой частоты, раз в 100 выше, чем "RF oscillator". Суть в том, что в кристалле могут возникнуть сдвиги частоты, которые электроника затем обнаруживает и выделяет.

[elf1423]

Призмы нужны для того, чтобы овальный луч сделать круглым. (У лазерных диодов луч всегда эллиптический в сечении).

Зачем нужно делать овальный луч круглым? Для чего?

Если на вход изолятора Фарадея будет поступать луч с эллиптическим сечением, то этот изолятор будет работать как-то по-другому или вообще не будет работать?

Фарадеевский ротатор (изолятор) - это элемент, пропускающий свет только в одну сторону. Нужен, чтобы отражения из схемы не попали обратно в лазерный диод и не нарушили его нормальную работу. (Лазеры очень не любят, когда в них возвращается обратно их собственный свет, и начинают работать некорректно).

Какой тип поляризации должен поступать на вход изолятора Фарадея в данном случае?

С каким типом поляризации будет работать изолятор Фарадея, а с каким не будет?

Если рассматривать данный (конкретный) случай, то поляризация изменится как-нибудь, а может она поменяет свой тип на выходе из изолятора Фарадея?

Полуволновая пластинка позволяет поворачивать плоскость поляризации как угодно и настраивать ее так, как требуется для эксперимента.

Как именно полуволновая пластинка поворачивает плоскость поляризации?

Зачем она вообще нужна в этой схеме?

Зачем нужно повернуть плоскость поляризации луча, который затем войдет в исследуемый кристалл?

Почему лазерный луч распространяется в кристалле по треугольной траектории?

Затем идет собственно эксперимент. В кристалле возникает оптическое гетеродинирование. Выходящее излучение снимается фотодиодом, усиливается и фильтруется. То, что получилось, сравнивается с сигналом генератора, того самого, которым модулируется лазер. Сравнение делается путем смешивания, как в супергетеродинном радиоприемнике, а результат подается на осциллограф.

Зачем нужно усиливать сигнал, приходящий от фотодиода?

Какую роль исполняет полосовой фильтр в этой схеме?

Зачем нужен "Electric phase shifter"?

Если смешивать сигналы, то будет один сигнал. Зачем нужен "Mixer"?

Зачем в этой схеме нужен фильтр нижних частот?

Зачем вообще нужно подавлять высокие частоты и пропускать низкие (для этой схемы)?

[Gall]

Зачем нужно делать овальный луч круглым? Для чего?

Для удобства. Луч лазерного диода не просто "овальный", он страшно вытянутый, почти веретенообразный. Луч такого сечения очень неудобен, ведь все линзы круглые, а значит, приходится брать линзы большого размера, чтобы хватило места для луча. А линзы, мягко говоря, недешевые. Поэтому самое простое решение - округлить луч в самом начале и дальше работать уже с круглым.

Если на вход изолятора Фарадея будет поступать луч с эллиптическим сечением, то этот изолятор будет работать как-то по-другому или вообще не будет работать?

Работать будет, но придется использовать фарадеевский ротатор большего диаметра, при этом луч будет использовать его только наполовину (луч эллиптический, а дырка круглая). С учетом того, что фарадеевский ротатор диаметром в 5 мм стоит около 300 долларов... нехорошо выходит.

Какой тип поляризации должен поступать на вход изолятора Фарадея в данном случае?

Всегда линейный. Принцип действия изолятора основан на том, что плоскость поляризации поворачивается в разные стороны в зависимости от того, в какую сторону идет луч. Если свет линейно поляризован, то при прохождении в одну сторону он поворачивается "вправо" и проходит через поляризатор, а в другую сторону поворачивается наоборот и оказывается накрест с поляризатором:

Обычно фарадеевский изолятор уже содержит внутри необходимые поляризаторы. К тому же, луч полупроводниковых лазеров всегда поляризован линейно.

Если рассматривать данный (конкретный) случай, то поляризация изменится как-нибудь, а может она поменяет свой тип на выходе из изолятора Фарадея?

Останется линейной, но повернется на некоторый угол (зависящий от марки фарадеевского ротатора). Именно поэтому потом стоит полуволновая пластинка - чтобы не крутить весь большой тяжелый изолятор Фарадея, а подгонять поляризацию поворотом всего лишь маленькой полуволновой пластинки. Для эксперимента нужна поляризация, направленная по оси исследуемого кристалла, а из фарадеевского диода луч выходит поляризованный косо (см. рисунок выше).

Как именно полуволновая пластинка поворачивает плоскость поляризации?

Вот так:

Поворотом пластинки можно изменять плоскость поляризации. Очень удобно: не надо крутить ни лазер, ни фарадеевский изолятор.

Зачем она вообще нужна в этой схеме?

Возвращать поляризацию "на место" после поворота в фарадеевском ротаторе.

Зачем нужно повернуть плоскость поляризации луча, который затем войдет в исследуемый кристалл?

В кристаллах важно соотношение направления поляризации и кристаллографических осей кристалла. Ну и направления падения луча тоже. Чтобы согласовать все эти параметры, крутят сам кристалл и крутят поляризацию. Можно было бы держать кристалл неподвижным и направлять на него лазер с разных сторон под разными углами, но это только на бумаге хорошо, а в реальной железной установке очень неудобно делается.

Схему можно было бы нарисовать проще: линейно поляризованный луч лазера падает на кристалл. Но собрать такую схему, чтобы она заработала - нереально. Поэтому в схему добавлены дополнительные подстроечные элементы. Тут это не нарисовано, но все это стоит наверняка на микрометрических винтах, гониометрах и т.д.

Почему лазерный луч распространяется в кристалле по треугольной траектории?

Преломление, двупреломление и полное внутреннее отражение. Если кристалл изготовлен правильных размеров и формы и установлен под правильным углом, то падающий линейно поляризованный свет с правильным направлением поляризации и правильной длиной волны пойдет по правильной траектории. Все это поддается расчету. (А изготовление такого кристалла - это, наверное, самая сложная часть эксперимента, тут пришлось попотеть и химикам, и физикам-рентгенографистам, которые этот кристалл по методу Лауэ ориентировали и резали, еще и полировали потом небось вручную...)

Зачем нужно усиливать сигнал, приходящий от фотодиода?

Очевидно, потому что он слабый Фотодиод вообще всегда в паре с усилителем используется. Поэтому часто усилитель на схемах не рисуют, ибо и так ясно.

Какую роль исполняет полосовой фильтр в этой схеме?

Ту же роль, что и настройка в обычном радиоприемнике - выделяет интересующий сигнал из общей каши, из посторонних шумов и неинтересных сигналов.

Зачем нужен "Electric phase shifter"?

Чтобы исправить посторонние фазовые сдвиги сигнала, возникшие в процессе усиления и фильтрации.

Если смешивать сигналы, то будет один сигнал. Зачем нужен "Mixer"?

Будет не один сигнал. Будут биения - образование разностной частоты сигналов:

В точности как в супергетеродинном радиоприемнике.

Зачем в этой схеме нужен фильтр нижних частот?

Отделить образовавшуюся разностную частоту (низкую) от исходных сигналов (высокочастотных).

Зачем вообще нужно подавлять высокие частоты и пропускать низкие (для этой схемы)?

Выделять один сигнал из смеси сигналов. Здесь выделение делается за счет примерного знания частоты, на которой будет интересующий сигнал.

[elf1423]

Скажите, откуда Вы узнали эту информацию? Дайте, пожалуйста, ссылки на источники.

[Gall]

Скажите, откуда Вы узнали эту информацию? Дайте, пожалуйста, ссылки на источники.

Трудно... Основной источник - это 6 лет обучения на физическом факультете...

В основе, конечно, любой хороший учебник оптики для физиков. Скорее всего Сивухин или Матвеев (я не помню, по какому из этих двух учебников учили нас; у меня были оба). Для чтения может потребоваться подтянуть матанализ. Далее, более продвинутый уровень - это "Теоретическая физика" Ландау и Лифшица, второй ("Теория поля") и восьмой ("Электродинамика сплошных сред") тома. Прохождение света через кристалл рассматривается именно в восьмом томе. Частично требуются еще знания квантовой механики (3-й том Ландау и Лифшица, также учебник Иродова), кристаллографии и теории твердого тела (мои любимые учебники - Займан, Ашкрофт и Мермин). Некоторые аспекты взаимодействия излучения лазера с веществом рассматриваются в "Принципах лазеров" Звелто.

Ну и в любом случае - всюду жестокая математика. Матанализ, тензорная алгебра, тензорный анализ необходимы абсолютно. Без них можно даже не пытаться.

[elf1423]

Как вычислить точность и погрешность данной схемы?

Вносят ли оптические элементы погрешность в итоговую погрешность всей схемы (этот же вопрос и для электрических элементов)?

Можно ли пренебречь погрешностями, вносимыми каким-нибудь видом элементов (электрический или оптический)?

[Gall]

Как вычислить точность и погрешность данной схемы?

Точность относительно каких именно измеряемых параметров? Она зависит в первую очередь не от самой схемы, а от конструкции, юстировки, качества примененных компонентов (в первую очередь механических - стол, точность крепления деталей, точность измерения углов).

Погрешность подобных схем определяется совершенно стандартным образом из систематической и случайной погрешностей. Случайная погрешность замеряется в ходе самого эксперимента вместе с исследуемым сигналом (вычисляется из разброса результатов измерений при многократных повторениях), а систематическая выводится из паспортных данных на каждый примененный компонент. Систематическую погрешность можно частично измерить тоже, если собрать установку несколько раз с незначительными вариациями и измерить расхождение получившихся результатов.

Вообще же о точности измерений имеет смысл говорить только применительно к какому-то желаемому результату. Сначала надо понять, ЗАЧЕМ мы измеряем, потом понять, ЧТО ИМЕННО. В зависимости от этого мы решаем, ЧТО считать погрешностью.

Вносят ли оптические элементы погрешность в итоговую погрешность всей схемы (этот же вопрос и для электрических элементов)?

Да. 99% всей этой схемы существует лишь ради того, чтобы эту погрешность уменьшить. Если бы не это, тогда схема упростилась бы до элементарного "лазер светит на кристалл, потом фотодиод".

Погрешность суммируется из двух частей: неидеальности (не совсем сферические линзы, не совсем на одной прямой и т.д.) и неучтенных физических эффектов (взаимодействия луча с воздухом, слабенький эффект Фарадея в деталях установки от магнитного поля Земли и т.д.); с точки зрения экспериментатора нет смысла различать эти части, проще оценить сразу их суммарную величину. В конце концов, нам неважно, возникло ли смещение линзы от центра из-за того, что мы эту линзу не очень ровно установили, или из-за того, что в процессе работы установки детали нагрелись и получилось тепловое расширение. Важно то, что линза в результате оказалась на несколько микрон не там, где надо.

Можно ли пренебречь погрешностями, вносимыми каким-нибудь видом элементов (электрический или оптический)?

Ради этого весь сыр-бор и затевается. При определенном построении схемы погрешности, вносимые некоторыми элементами, перестают играть роль. На это авторы и рассчитывают. Например, полуволновая пластинка берет все управление поляризацией на себя и становится единственным элементом, который определяет угол поляризации. При наличии хорошего крепления пластинки, позволяющего точно устанавливать угол, все возникшие до нее повороты поляризации нейтрализуются полностью и перестают вносить вклад в общую погрешность. И так далее. В электронной части аналогичную роль играют фильтры: после фильтра уже не очень важно, что было до.