ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. В.Н.КАРАЗIНА

Оробінський Андрій Миколайович

УДК 535.241.13+528.517.8

ЕЛЕКТРООПТИЧНІ РЕЗОНАНСНІ НВЧ МОДУЛЯТОРИ

ЛАЗЕРНИХ ВІДДАЛЕМІРІВ-РЕФРАКТОМЕТРІВ

01.04.01 – фізика приладів, елементів і систем

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному науково-дослідному інституті

метрології Держстандарту України.

Науковий керівник кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Кравченко Микола Іванович, Харківський державний науково-дослідний інститут метрології Держстандарту України, заступник директора з наукової роботи.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор

Кузьмічов Володимир Михайлович,

Харківський національний університет ім. В.Н.Каразіна Міністерства освіти i науки України, професор кафедри квантової радіофізики;

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник

Воронов Олексій Петрович,

Концерн “Інститут монокристалів” НАН України, старший науковий співробітник Науково-дослідного відділення “Оптичні і конструкційні кристали”, м. Харків.

Провідна установа

Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я.Усикова Національної академії наук України, відділ квантової електроніки та нелінійної оптики, м. Харків.

Захист відбудеться “08” листопада 2002 р. о 1530 годині на

засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.02 Харківського національного університету ім. В.Н.Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4, ауд. 3-9.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В.Н.Каразіна за адресою:

61077, м. Харків, пл. Свободи, 4.

Автореферат розісланий “01” жовтня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ляховський А.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В Україні інтенсивно використовуються космічні навігаційні системи (КНС) “ГЛОНАСС” та GPS для розв'язування геодезичних, інформаційних, військових та інших проблем, а також при виконанні міжнародних наукових програм дослідження глобальних та регіональних екологічних та геодинамічних процесів, вивченні фігури Землі, прогнозах клімату та інших.

До складу як сучасних КНС четвертого покоління “ГЛОНАСС”, GPS, так і КНС п'ятого покоління “GALILEO” та “ГЛОНАСС-М”, що розробляються, входять квантово-оптичні станції (КОС) та багатопозиційні мікрохвильові станції (БМС).

КОС та БМС метрологічно забезпечуються Державною службою єдиного часу та еталонних частот та лазерними системами лінійних вимірювань (ЛСЛВ), до складу яких входять лазерні віддалеміри-рефрактометри (ЛВР).

Таким чином, створення ЛВР з діапазоном вимірювань довжини від 0,3 до 30 км з відносною похибкою 3Ч10-7 при довірчій імовірності P = 0,95 як для сучасних КНС, так і КНС, що розробляються, є своєчасною і актуальною науково-практичною проблемою.

Для розробки таких ЛВР своєчасною та актуальною є науково-практична задача створення електрооптичних резонансних НВЧ модуляторів з абсолютною інструментальною похибкою, яка вноситься модулятором в абсолютну інструментальну похибку ЛВР, не більше ± 0,03 мм при P = 0,95.

Аналіз ЛСЛВ вищої точності з безперервним випромінюванням та електрооптичними модуляторами (ЕОМ), створених в Державному оптичному інституті ім. С.І.Вавілова (м. Санкт-Петербург), Інституті радіотехніки та електроніки Російської АН, Єреванському політехнічному інституті, Kern (Швейцарія), NIST (США) та інших, показав, що підвищення точності ЛВР у два рази і збільшення діапазону вимірювань убік більших довжин потребує зниження мікрохвильової потужності, що подається до модулятора, збільшення глибини модуляції лазерного випромінювання, стабільності фазового фронту випромінювання на виході кристала ЕОМ і зменшення нелінійних спотворень промодульованого лазерного випромінювання. Щоб задовольнити ці суперечливі вимоги, необхідне дослідження тонкої структури електромагнітних і температурних полів як у порожнині резонатора, так і в кристалі резонансного ЕОМ.

У відомих опублікованих наукових працях немає розв'язань крайових задач про власні коливання резонансних ЕОМ з урахуванням дисипативно-теплових процесів, що протікають у електрооптичних кристалах, із дослідженням розподілів електромагнітних і температурних полів як у кристалах, так і в порожнинах резонаторів; не приведені залежності глибини модуляції, фазових і нелінійних спотворень лазерних пучків від мікрохвильової потужності накачування для резонансних ЕОМ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана дисертаційна робота виконана в Харківському державному науково-дослідному інституті метрології Держстандарту України і пов'язана з: “Комплексним прогнозом розвитку системи забезпечення вимірювань на 1986-2005 р.р.”, п. 2.2; Програмою фундаментальних досліджень по метрології до 2005 р., п. 4.2.29; Програмою створення еталонної бази України на 1993-1997 р.р., п. 1.1.7; Програмою запобігання та реагування на надзвичайні ситуації техногенного та природного характеру на 2000-2005 р.р., п. 2.1; НДР “Дослідження можливості створення лазерного віддалеміра-рефрактометра для метрологічного забезпечення перспективних систем траєкторних вимірювань”; НДР “Дослідження шляхів визначення інтегрального показника заломлення атмосфери дисперсійним методом на базі різнокольорових гелій-неонових лазерів”; НДР “Розробка вихідного робочого еталону для відтворення та передачі одиниці довжини в області вимірювань параметрів шорсткостей”; ДКР “Створення пересувної повірочної лабораторії в області вимірювань великих довжин”; ДКР “Робочий еталон одиниці довжини метра в області великих довжин”.

Мета і задачі дослідження.

Мета дослідження – створення електрооптичних резонансних НВЧ модуляторів для лазерних віддалемірів-рефрактометрів з абсолютною інструментальною похибкою вимірювання довжини, що не перевищує ± 0,05 мм при P = 0,95.

Об'єкт дослідження – дисипативно-теплові процеси в електрооптичних кристалах класу резонансних НВЧ модуляторів лазерних пучків на основі НКР.

Предмет дослідження – електромагнітні та теплові поля в електрооптичних резонансних НВЧ модуляторах лазерних пучків на основі НКР, навантажених кристалами класу , та метрологічні характеристики таких модуляторів.

Для досягнення поставленої мети були виконані такі роботи:

- розв'язана крайова задача про власні коливання мікрохвильових НКР, навантажених на електрооптичні кристали класу , і досліджені структури електромагнітного поля в порожнинах резонаторів і об'ємах електрооптичних кристалів;

- розв'язана стаціонарна крайова задача теплопровідності в об'ємах електрооптичних кристалів класу при поглинанні ними мікрохвильової потужності в НКР і досліджені структури температурних полів в об'ємах і на поверхнях електрооптичних кристалів;

- розроблені алгоритми для машинного проектування електрооптичних резонансних НВЧ модуляторів лазерних пучків із заданими технічними і метрологічними характеристиками, придатними для створення лазерних віддалемірів-рефрактомірів вищої точності;

- створені експериментальні зразки електрооптичних резонансних НВЧ модуляторів з абсолютною інструментальною похибкою, яка вноситься модулятором в абсолютну інструментальну похибку ЛВР, не більше ± 0,03 мм при P = 0,95.

Для виконання цих робіт були використані такі методи дослідження.

1. Теоретичні дослідження проведені шляхом розв'язування крайових задач методом власних функцій із застосуванням чисельних досліджень двомірних знакозмінних рядів з використанням сучасних ПЕОМ.

2. Експериментальні дослідження проведені точними прямими і непрямими методами вимірювань із використанням точних засобів вимірювань розподілів електромагнітних і температурних полів як у порожнинах резонаторів, так і на поверхнях електрооптичних кристалів класу .

Крім цього, були проведені експериментальні дослідження створених зразків резонансних НВЧ модуляторів лазерних пучків на основі НКР, навантажених електрооптичними кристалами KDP, у складі ЛВР вищої точності “АЗИМУТ” та “АЗИМУТ-М”, що в комплексному експерименті підтвердило результати окремих експериментальних досліджень вищевказаних модуляторів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

- розв'язана крайова задача про власні коливання електрооптичних резонансних НВЧ модуляторів лазерних пучків на основі НКР, навантажених електрооптичними кристалами класу . Це дозволило дізнатися про тонкі структури електромагнітного поля в кристалах та порожнині НКР, що необхідно для дослідження температурних полів модулятора;

- теоретично та експериментально досліджені структури електромагнітного поля в порожнинах НКР і об'ємах електрооптичних кристалів, що дозволило провести розрахунок ЕОМ з мінімальними градієнтами подовжньої та радіальної компонент електричної складової електромагнітного поля;

- розв'язана стаціонарна крайова задача теплопровідності електрооптичних резонансних НВЧ модуляторів лазерних пучків на основі НКР, навантажених електрооптичними кристалами класу , при подачі в резонатори мікрохвильової потужності. Це дозволило дізнатися про тонкі структури температурного поля в кристалах, що необхідно для створення ЕОМ з максимальною глибиною модуляції і мінімальними нелінійними та фазовими спотвореннями, внесеними кристалами в лазерний пучок;

- отримані аналітичні вирази для електромагнітних і температурних полів у електрооптичних кристалах класу і НКР дозволяють виконати розрахунок конкретного електрооптичного резонансного НВЧ модулятора лазерних пучків на основі НКР в діапазоні частот від 0,3 до 1 ГГц із кристалами класу з максимальною глибиною модуляції і мінімальною інструментальною похибкою, яка вноситься ЕОМ у ЛВР вищої точності;

- вперше створені високостабільні електрооптичні резонансні НВЧ модулятори ЕОМ-1 та ЕОМ-2 з максимальною глибиною модуляції та абсолютною інструментальною похибкою, яка вноситься модулятором в абсолютну інструментальну похибку ЛВР, не більше ± 0,03 мм при P = 0,95.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

- розроблені алгоритми для машинного проектування електрооптичних НВЧ модуляторів лазерних пучків на основі НКР у діапазоні частот від 0,3 до 1 ГГц із кристалами класу з абсолютною інструментальною похибкою, що вноситься ЕОМ в абсолютну інструментальну похибку ЛВР, не більше ± 0,03 мм при P = 0,95;

- розроблена конструкторська документація і виготовлені експериментальні зразки електрооптичних НВЧ модуляторів лазерних пучків на основі НКР із міді М1, латуні Л-62 та інвару 36Н із нанесенням хімічно чистого срібла на його внутрішню поверхню, навантажених на електрооптичний кристал KDP і настроєних на резонансну частоту 0,5 ГГц;

- розроблена оригінальна установка, захищена авторським свідоцтвом, для вимірювання глибини модуляції електрооптичних резонансних НВЧ модуляторів лазерних пучків;

- проведені експериментальні дослідження глибини модуляції експериментальних зразків електрооптичних резонансних НВЧ модуляторів лазерних пучків на основі НКР у діапазоні температур навколишнього середовища від мінус 10 до 50 0С при мікрохвильовій потужності, яка підводиться, від 0,1 до 2 Вт і знайдені режими роботи електрооптичних кристалів KDP, що забезпечують абсолютну інструментальну похибку, яка вноситься ЕОМ в абсолютну інструментальну похибку ЛВР, не більше ± 0,03 мм при P = 0,95.

- експериментальні зразки електрооптичних резонансних НВЧ модуляторів лазерних пучків ЕОМ-1 та ЕОМ-2 на основі НКР із посрібленого інвару впроваджені в експериментальні зразки ЛВР типу “АЗИМУТ” та “АЗИМУТ-М”.

Особистий внесок здобувача. У роботах, опублікованих у співавторстві, автору даної дисертаційної роботи належить огляд робіт з ЕОМ, кристалів і резонаторів, які застосовуються для модуляції лазерного випромінювання, та сформульована постановка задачі створення ЕОМ для ЛСЛВ [1]; розв'язання крайової задачі про власні коливання НКР, навантаженого на електрооптичний кристал класу , та експериментальні дослідження електромагнітного поля [2]; теоретичні та експериментальні дослідження температурного поля на поверхні електрооптичного кристалу KDP, вмонтованого в НКР [3,9]; теоретичні дослідження ЕОМ для розв'язання неоднозначності вимірювання відстаней лазерним віддалеміром, розрахунок і обґрунтування частот модуляції [5]; теоретичні та експериментальні дослідження пристрою для вимірювання коефіцієнта модуляції лазерного випромінювання [6]; дослідження спектрального складу промодульованого лазерного випромінювання на виході ЕОМ [12]; дослідження непрямого методу вимірювання електромагнітного поля на поверхні електрооптичного кристала за результатами прямих вимірювань розподілу температури безконтактним способом, проаналізовані фазові спотворення, внесені ЕОМ у лазерний пучок [14]; дослідження автогенераторного способу збудження ЕОМ [15].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисер- таційної роботи доповідались і одержали позитивну оцінку на III ВНТК “Метрологічне забезпечення температурних і теплофізичних вимірювань в області високих температур” (м. Харків, 1986 р.); V ВНТК “Оптика лазерів” (м. Ленінград, 1987 р.) VII ВНТК “Підвищення ролі стандартизації і метрології в забезпеченні інтенсифікації суспільного виробництва” (м. Казань, 1987 р.); III ВНТК “Метрологія в дальнометрії” (м. Харків, 1988 р.); II ВНТК “Вимірювання параметрів форми і спектра радіотехнічних сигналів” (м. Харків, 1989 р.); VIII ВНТК “Метрологія і стандартизація науково-технічної революції” (м. Новосибірськ, 1989 р.); II ВНТК “Метрологічне забезпечення вимірювань частотних і спектральних характеристик випромінювання лазерів” (м. Харків, 1990 р.); VIII і IX ВНТК “Фотометрія і її метрологічне забезпечення” (м. Москва, 1990, 1992 р.р.); IV Кримській конференції “НВЧ техніка і супутниковий прийом” (м. Севастополь, 1994 р.); III Міжнародній науково-технічній конференції “Метрологія в електроніці - 2000” (м. Харків, 2000 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 17 наукових працях: 4 статтях у наукових журналах, 2 статтях у збірниках наукових праць, 2 авторських свідоцтвах, а також – у тезах 9 доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і трьох додатків. Загальний обсяг дисертації складає 198 сторінок та містить у собі 113 сторінок основного тексту, 66 рисунків, 12 таблиць (із них 62 рисунка та 2 таблиці займають 55 окремих сторінок) та 16 сторінок додатків. Список використаних джерел на 14 сторінках нараховує 148 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі розкрита актуальність теми, зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульована мета і задачі дослідження, наукова новизна отриманих результатів, дано практичне значення отриманих результатів, особистий внесок автора в дисертаційну роботу, апробація результатів дисертації.

В Розділі 1 наведено структурні схеми ЛВР з безперервним випромінюванням та конструкції електрооптичних НВЧ модуляторів лазерних пучків, створених в Державному оптичному інституті ім. С.І.Вавілова, Інституті радіотехніки та електроніки РАН та в фірмі “Terratechnology Corporation” (США) до постановки даної дисертаційної роботи.

Відомо, що у всіх високоточних лазерних одночастотних віддалемірів з зовнішньою модуляцією (СГ-30, СГ-20, СВТ, ДВСД-1200Г, МЕ-3000, МЕ-5000, CR-204) та у двохвильовому ЛВР LDM фірми “Terratechnology Corporation” використовуються модулятори з кристалами класу KDP та DKDP в режимі подовжнього (напрямок розповсюдження лазерного пучка і силові лінії напруженості електричного поля, яке прикладене до кристала, колінеарні) лінійного електрооптичного ефекту.

Таким чином, для створення електрооптичних резонансних НВЧ модуляторів для ЛВР вищої точності обґрунтовано вибір найбільш перспективних кристалів класу , які працюють на подовжньому лінійному електрооптичному режимі.

В Розділі 2 “Електромагнітне поле в електрооптичних кристалах класу резонансних НВЧ модуляторів лазерного віддалеміра-рефрактометра” наводиться розв'язування крайової задачі про власні коливання НКР із електрооптичними кристалами класу (рис. 1); експериментально досліджені електромагнітні поля в порожнині НКР ЕОМ; наведені розподіли електричної і магнітної складових електромагнітного поля в порожнині НКР, здобуті теоретичним і експериментальним шляхом; проведене порівняння й аналіз теоретичних і експериментальних розподілів електромагнітного поля в порожнині НКР ЕОМ.

Розв'язання крайової задачі знайдено методом власних функцій для областей W1 та W2.

Для області W1 (порожнина НКР ЕОМ):

, (1)

Для області W2 (електрооптичний кристал):

. (2)

. (3)

Система однорідних рівнянь (3) має нетривіальне розв'язання за умови, якщо визначник при m = n дорівнює нулю.

Елементи визначника є функцією від геометричних розмірів резонатора, діелектричних властивостей і розмірів кристала, а також частоти резонансних коливань.

Отже, задавши всі параметри, можна визначити резонансну частоту модулятора, прирівнявши визначник нулю.

При числовій реалізації одержаного розв'язання складових електромагнітного поля в напівкоаксиальному ЕОМ використовувалися програмні модулі, написані на мові програмування С++ і реалізовані на персональному комп'ютері типу IBM PC/AT-AMD-K6 MMX-233.

Електромагнітні поля в порожнині резонатора та кристалі подані знакозмінними комплексними рядами (1) і (2), відповідно, збіжність яких для конкретних геометричних параметрів і фізичних властивостей модулятора досліджена чисельно. В результаті досліджень установлено, що функціональні комплексні знакозмінні ряди (1) і (2) абсолютно сходяться для кожної області.

Типові чисельні результати електричної складової електромагнітного поля, які знайдені для НКР, виготовленого з латуні марки Л62 із геометричними розмірами: d1 = 0,022 м; R1 = 0,0025 м; R2= 0,05 м; l = 0,15 м, навантаженого на електрооптичний кристал KDP із характеристиками: tgd = 2Ч10-4; = 44,3; = 20,2 при n = m = j = 10, наведені на рис. 2 (ліворуч) при резонансній частоті 504,8 МГц.

На рис. 2 (праворуч) наведено типові розрахункові (р) та експериментальні (е) розподіли пронормованої радіальної компоненти електричної складової електромагнітного поля вздовж осі 0Z в НКР, навантаженого кристалом KDP, які узгоджуються в границях основної відносної похибки експерименту менших ± 7 % при P = 0,95.

В Розділі 3 “Температурне поле в електрооптичних кристалах класу резонансних НВЧ модуляторів лазерного віддалеміра-рефрактометра” досліджені процеси поглинання мікрохвильової потужності електрооптичним кристалом, вмонтованим у НКР. Дослідження виконані теоретичним і експериментальним методами. Розв'язана крайова стаціонарна задача теплопровідності в області кристала класу (рис. 3); отримано розподіл температурного поля на поверхні й усередині кристала; проведені порівняння і аналіз теоретичних і експериментальних розподілів температурних полів на поверхні кристала ЕОМ.

Рівняння теплопровідності для кожної із областей запишемо у вигляді:

, ,

де - коефіцієнт теплопровідності для i-ої області ЕОМ, для кристала класу : вздовж осі 0R - , вздовж осі 0Z - ; qi = ti - tоrр - збільшення температури нагрівання Wi області; ti - температура нагрівання Wi області; tоrр - температура навколишнього середовища; dissPi - дисипативна функція Wi області.

Температурні поля для областей W1, W2, W3, W4, W5 та W6 подані наступними рівняннями:

, (5)

, (6)

, (7)

. (8)

Коефіцієнти: шляхом упорядкування і розв'язування системи з тринадцяти рівнянь із тринадцятьма невідомими за допомогою математичної системи MathCAD-7.0 на персональному комп'ютері типу IBM PC/AT-AMD-K6-MMX-233.

Температурні поля , , і подані функціональними знакозмінними рядами (4) - (7), відповідно, збіжність яких для конкретних геометричних розмірів і характеристик модулятора досліджена чисельно. У результаті досліджень установлено, що функціональні знакозмінні ряди (4) - (7) абсолютно сходяться для кожної області.

Температурні поля кристалів експериментально досліджувались на поверхні кристалів KDP безконтактним методом за допомогою системи AGA-780M (рис. 4, ліворуч); на торці кристалів KDP ЕОМ з міді М1, латуні Л-62 та інвару 36H+Ag – контактним методом за допомогою мікротермістора МТ-54М (рис. 4, праворуч).

Розрахункові (р) та експериментальні (е) розподіли температурного поля на торці кристала KDP узгоджуються в границях основної відносної похибки експерименту менших ± 8 % при P = 0,95 (рис. 4, праворуч).

Розділ 4 “Створення електрооптичних резонансних НВЧ модуляторів для лазерних віддалемірів-рефрактометрів” присвячено використанню досліджень, які отримано в другому та третьому розділах, для створення оригінальних автогенераторних НВЧ резонансних модуляторів для ЛВР вищої точності:

- розроблені вимоги до технічних та метрологічних характеристик, які необхідно виконати при створенні електрооптичних резонансних НВЧ модуляторів для ЛВР;

- розроблені алгоритми (рис. 5) і програми для розрахунку електрооптичних резонансних НВЧ модуляторів з наперед заданими технічними та метрологічними характеристиками;

- проведені розрахунки теоретичних креслень, розроблена конструкторська документація, виготовлені експериментальні зразки електрооптичних резонансних НВЧ модуляторів ЕОМ-1 та ЕОМ-2, які можуть працювати в стандартному режимі як окремі прилади, так і в автогенераторному режимі в складі ЛВР.

Для метрологічної атестації ЕОМ-1 та ЕОМ-2 було розроблено установку для вимірювання глибини модуляції лазерного випромінювання, на яку получено авторське свідоцтво.

У Висновках сформульовані основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведені теоретичні узагальнення та нове розв'язання актуальної науково-практичної задачі створення електрооптичних резонансних НВЧ модуляторів, необхідних для розробки лазерних віддалемірів-рефрактометрів з абсолютною інструментальною похибкою вимірювання довжини, що не перевищує ± 0,05 мм при P = 0,95, на основі:

1) розв'язування крайових задач про власні коливання та теплопровідності НКР, навантажених електрооптичними кристалами класу , чисельних та експериментальних досліджень тонкої структури електромагнітного та температурного полів як в порожнинах НКР, так і в об'ємах та на поверхнях електрооптичних кристалів;

2) аналізу властивостей електрооптичних кристалів класу в електромагнітних і теплових полях та обґрунтуванню вибору кристала KDP;

3) аналізу метрологічних характеристик електрооптичних резонансних НВЧ модуляторів лазерних пучків.

Виконане дисертаційне дослідження дозволяє зробити наступні висновки щодо наукового значення та сформулювати рекомендації щодо практичного використання отриманих результатів.

1. Нові наукові та практичні результати, що отримані в дисертації, характеризуються наступними якісними та кількісними показниками.

1.1. У результаті розв'язування крайової задачі знайдені розподіли електромагнітного поля в об'ємі кристалів класу і порожнині резонатора, що дозволило встановити:

- у коаксіальній частині резонатора збуджується TEM-хвиля, в електрооптичному кристалі - E-хвиля;

- в області поширення лазерного пучка модуль подовжньої компоненти поля Ez перевищує модуль радіальної компоненти поля Er більш, ніж у 100, що дозволяє ефективно використовувати подовжній лінійний електрооптичний ефект в одноосьових кристалах класу ;

- електричні компоненти Ez і Er мають різні градієнти в ортотропних кристалах класу , що приводить до нерівномірного нагрівання кристалів, тому потрібно дослідження температурних полів модулятора з метою вибору кристалів і теплових режимів їхньої роботи, що забезпечує стабільну максимальну глибину модуляції і мінімальні нелінійні і фазові спотворення промодульованого лазерного випромінювання.

1.2. Розв'язування стаціонарної крайової задачі теплопровідності НКР, навантажених на електрооптичні кристали класу і здійснюючих резонансні коливання, дозволило:

- дізнатися про тонку структуру температурного поля в кристалі, що необхідно для визначення нелінійних і фазових спотворень, внесених кристалами в лазерний пучок при електрооптичній модуляції;

- визначити, що максимальне нагрівання кристала відбувається в області зіткнення кристала з внутрішнім провідником НКР, де подовжня компонента електричної складової електромагнітного поля у НКР максимальна;

- установити, що температурне поле в кристалі відповідає розподілу квадрата подовжньої компоненти електричної складової електромагнітного поля в НКР;

- вивести прості інженерні формули для конструкторських розрахунків тем- ператури нагрівання кристала ЕОМ з міді М1, латуні Л-62 та інвару 36H+Ag при потужностях , які підводяться до НКР, від 0,05 до 5 Вт.

1.3. Експериментальні та теоретичні дослідження температурного поля електрооптичного кристала , вмонтованого в НКР, дозволили:

- установити залежності резонансної частоти ЕОМ від потужності мікрохвильового накачування;

- підтвердити, що залежність відносної діелектричної проникності електрооптичного кристала KDP від температури в діапазоні від мінус 10 до 40 0C підкоряється закону Кюри-Вейса;

- установити залежність відносної діелектричної проникності електрооптичного кристала KDP від температури в діапазоні від 40 до 90 0C;

- установити гранично припустимі потужності для робочої температури кристала 100 0С (Pмmax) і критичні потужності для температури плавлення кристала 252 0С (Pмпред), які підводяться в НКР, при резонансній частоті 0,5 ГГц і температурі навколишнього середовища 25 0С.

1.4. Здобуті вирази для визначення залежності глибини модуляції лазерних пучків від модулюючої НВЧ потужності на частотах від 0,3 до 1 ГГц, що дозволило уточнити результати, опубліковані раніше:

- при збільшенні модулюючої НВЧ потужності, а отже, і температури кристала, глибина модуляції падає, головним чином, внаслідок залежності резонансної частоти модулятора від потужності, тому для стабілізації резонансної частоти ЕОМ запропонований автогенераторний спосіб збудження модуляторів лазерних пучків із системою автопідстроювання частоти;

- при модулюючих НВЧ потужностях, менших 10 мВт, залежність глибини модуляції від НВЧ потужності є лінійною.

1.5. Досліджена залежність коефіцієнта гармонік промодульованого лазерного пучка від глибини модуляції і модулюючої НВЧ потужності дозволила установити, що нелінійні спотворення промодульованого лазерного пучка не залежать від нелінійних спотворень модулюючого НВЧ сигналу, якщо коефіцієнт його гармонік менший мінус 70 дБ, і лінійно залежать від модулюючої НВЧ потужності.

1.6. Визначено, що при значеннях модулюючої НВЧ потужності, менших 1 Вт, фазові спотворення, внесені ЕОМ у лазерний пучок, уникливо малі.

1.7. Розроблено алгоритми та програми для машинного проектування електрооптичних резонансних НВЧ модуляторів лазерних пучків на основі НКР з наперед заданими технічними і метрологічними характеристиками.

1.8. Результати, що отримані в дисертації, дозволили розробити експериментальні зразки електрооптичних резонансних НВЧ модуляторів з абсолютною інструментальною похибкою, яка вноситься модулятором в абсолютну інструментальну похибку ЛВР, не більше ± 0,03 мм при P = 0,95. Розроблені модулятори були впроваджені в ЛВР “АЗИМУТ” та “АЗИМУТ-М”.

2. Результати, що отримані в дисертації, рекомендується використовувати при розробці електрооптичних резонансних НВЧ модуляторів лазерних пучків, які можуть застосовуватися у лазерних вимірювальних системах, оптоелектронних датчиках, при рішенні задач метрології лазерного випромінювання, у волоконнооптичних лініях зв'язку, для стабілізації вихідної потужності лазерів.

3. Результати роботи знайшли практичне використання в Харківському державному науково-дослідному інституті метрології Держстандарту України, ВАТ “Науково-дослідний інститут радіотехнічних вимірювань” Національного космічного агентства України, Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я.Усикова Національної академії наук України та Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кравченко Н.И., Оробинский А.Н. Микроволновая модуляция лазерных пучков в электрооптических кристаллах // Зарубежная радиоэлектроника. - 1989.- №11. - С. 60-72.

2. Кравченко Н.И., Оробинский А.Н., Фенченко В.Н. Нелинейно-оптические эффекты в электрооптических модуляторах лазерных пучков // Радиотехника. - 1995. - №12. - С. 84 - 89.

3. Кравченко Н.И., Оробинский А.Н., Сизова Н.Д. Диссипативно-тепловые процессы в электрооптических кристаллах микроволновых модуляторов лазерных пучков // Электромагнитные волны и электронные системы. - 1997.- Т.2, №5. - С. 76 - 81.

4. Оробинский А.Н. Температурное поле в электрооптических кристаллах класса резонансных СВЧ модуляторов лазерных пучков // Вісник Харківського національного університету ім. В.Н.Каразіна. Серія “Радіофізика та електроніка”. 2002. – Вип. 1, № 544. - С. 130-136.

5. Лазерный дальномер: А.с. 293147 СССР, МКИ G01C3/08 / Н.И. Кравченко, П.И.Неежмаков, А.Н. Оробинский (СССР). - № 3191789; Заявлено 8.02.88; Опубл. 3.05.89. – 9 c.

6. Устройство для измерения коэффициента модуляции лазерного излучения: А.с. 304933 СССР, МКИ G01R29/06, G02F1/03 / Н.И.Кравченко, А.Н.Оробинский (СССР). - № 3199966; Заявлено 20.05.88; Опубл. 1.12.89. – 6 с.

7. Оробинский А.Н. Оценка пределов применимости приближенного метода расчета электрооптических модуляторов лазерных дальномерных систем // Вопросы разработки дальномерных систем и их метрологическое обеспечение: Сб. научн. тр. – Л.: НПО “ВНИИМ им. Д.И. Менделеева”, 1990. - С. 43-49.

8. Оробинский А.Н. Исследование диссипативно-тепловых процессов в электрооптических кристаллах резонансных модуляторов лазерных пучков // Метрология в лазерной дальнометрии: Сб. научн. тр. – Харьков: НПО “Метрология” - 1991. - С. 71-78.

9. Кравченко Н.И., Оробинский А.Н. Бесконтактные измерения температурного поля кристалла микроволнового модулятора лазерных пучков // Труды III ВНТК “Метрологическое обеспечение температурных и теплофизических измерений в области высоких температур”. - Харьков: НПО “Метрология”. - 1986. - С. 380-381.

10. Оробинский А.Н. Исследование электрооптического модулятора лазерного излучения // Труды VII ВНТК “Повышение роли стандартизации и метрологии в обеспечении интенсификации общественного производства. - Казань: ВНИИ Расходометрии. - 1987. - C. 115-116.

11. Оробинский А.Н. Исследование диссипативно-тепловых процессов в электрооптических кристаллах резонансных модуляторов лазерных пучков // Труды III ВНТК “Метрология в дальнометрии”. - Харьков: НПО “Метрология”. - 1988. - C. 128-131.

12. Кравченко Н.И., Оробинский А.Н. Спектральный состав многочастотных лазерных пучков на выходе электрооптического модулятора // Труды II ВНТК “Измерение параметров формы и спектра радиотехнических сигналов”. - Харьков: НПО “Метрология”. - 1989. - С. 283.

13. Оробинский А.Н. Измерение параметров электрооптических кристаллов модуляторов лазерного излучения // Труды VIII ВНТК “Метрология и стандартизация научно-технической революции”. - Новосибирск: СГНИИМ. - 1989. - С. 229.

14. Кравченко Н.И., Оробинский А.Н. Косвенное измерение распределения электромагнитного поля в микроволновых модуляторах лазерного излучения // Труды VIII ВНТК “Метрология и стандартизация научно-технической революции Новосибирск: СГНИИМ. - 1989. - С. 230-231.

15. Кравченко Н.И., Лепехин В.Н., Неежмаков П.И., Оробинский А.Н. Автогенераторный способ возбуждения, модуляции и приема лазерных пучков // Труды II ВНТК “Метрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик излучения лазеров”. - Харьков: НПО “Метрология”. - 1990. - С. 32.

16. Оробинский А.Н. Управление лазерным пучком дальномерной системы микроволновым электрооптическим модулятором // Труды II ВНТК “Метрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик излучения лазеров”. - Харьков: НПО “Метрология”. - 1990. - С. 33-34.

17. Оробинский А.Н. Создание экспериментальных образцов электрооптических резонансных модуляторов лазерных пучков // Труды III Международной научно-технической конференции “Метрология в электронике - 2000”. - Харьков: ХГНИИМ. - 2000. - С. 110-113.

АНОТАЦІЯ

Оробінський А.М. Електрооптичні резонансні НВЧ модулятори лазерних віддалемірів-рефрактометрів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01 – фізика приладів, елементів і систем. – Харківський національний університет ім. В.Н.Каразіна, Харків, 2002.

Дисертація присвячена створенню НВЧ модуляторів лазерних пучків на основі напівкоаксиальних резонаторів (НКР), навантажених електрооптичними кристалами класу , необхідних для розробки сучасних лазерних віддалемірів-рефрактометрів (ЛВР) вищої точності з абсолютною інструментальною похибкою вимірювання довжини не більше ± 0,05 мм при довірчій імовірності P = 0,95. В роботі розв'язані крайові задачі про власні коливання та теплопровідності мікрохвильових НКР, навантажених на електрооптичні кристали класу , і досліджені структури електромагнітного та температурного полів у порожнинах резонаторів, об'ємах і на поверхнях електрооптичних кристалів, що дозволило створити високостабільні електрооптичні резонансні НВЧ модулятори з максимальною глибиною модуляції та абсолютною інструментальною похибкою, яка вноситься модулятором в абсолютну інструментальну похибку ЛВР, не більше ± 0,03 мм при P = 0,95.

Ключові слова: електрооптичний модулятор, електрооптичний кристал, мікрохвильовий напівкоаксиальний резонатор, електромагнітне поле, температурне поле, дисипативно-теплові процеси, лазерний віддалемір-рефрактометр.

АННОТАЦИЯ

Оробинский А.Н. Электрооптические резонансные СВЧ модуляторы лазерных дальномеров-рефрактометров. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.01 – физика приборов, элементов и систем. – Харьковский национальный университет им. В.Н.Каразина, Харьков, 2002.

Диссертация посвящена созданию СВЧ модуляторов лазерных пучков на основе полукоаксиальных резонаторов (ПКР), нагруженных электрооптическими кристаллами класса , необходимых для разработки лазерных дальномеров-рефрактометров (ЛДР) высшей точности с абсолютной инструментальной погрешностью измерения длины не более ± 0,05 мм при доверительной вероятности P = 0,95.

Повышение точности ЛДР в два раза и увеличение диапазона измерений в сторону больших длин требует увеличения глубины модуляции лазерного излучения и повышения стабильности фазового фронта излучения на выходе кристалла электрооптического модулятора (ЭОМ) при одновременном снижении подводимой микроволновой мощности к модулятору и уменьшении нелинейных и фазовых искажений промодулированного лазерного излучения. Для удовлетворения этих противоречивых требований необходимо исследовать тонкие структуры электромагнитных и температурных полей как в полости резонатора, так и в кристалле резонансного ЭОМ.

В работе решена краевая задача о собственных колебаниях электрооптических резонансных СВЧ модуляторов лазерных пучков на основе ПКР, нагруженных электрооптическими кристаллами класса . Это позволило узнать о тонких структурах электромагнитного поля в кристаллах и полости ПКР, что необходимо для исследования температурных полей модулятора.

Теоретически и экспериментально исследованы структуры электромагнитного поля в полостях ПКР и объемах электрооптических кристаллов, что позволило выполнить расчет ЭОМ с минимальными градиентами продольной и радиальной компонент электрической составляющей электромагнитного поля.

Решена стационарная краевая задача теплопроводности электрооптических резонансных СВЧ модуляторов лазерных пучков на основе ПКР, нагруженных электрооптическими кристаллами класса , при подаче в резонаторы микроволновой мощности. Это позволило узнать о тонких структурах температурного поля в кристаллах, что необходимо для создания ЭОМ с максимальной глубиной модуляции и минимальными нелинейными и фазовыми искажениями, вносимыми кристаллами в лазерный пучок.

Экспериментальные и теоретические исследования температурного поля электрооптического кристалла KDP, встроенного в ПКР, позволили:

- установить зависимости резонансной частоты ЭОМ от мощности микроволной накачки;

- установить зависимость относительной диэлектрической проницаемости электрооптического кристалла от температуры в диапазоне от 40 до 90 0C;

- установить предельно допустимые мощности для рабочей температуры кристалла 100 0С и критические мощности для температуры плавления кристалла 252 0С, подводимые в ПКР, при резонансной частоте 0,5 ГГц и температуре окружающей среды 25 0С.

Получены выражения для глубины модуляции лазерных пучков, что позволило уточнить результаты, опубликованные ранее, для определения зависимости глубины модуляции лазерных пучков от модулирующей СВЧ мощности на частотах от 0,3 до 1 ГГц.

Исследование зависимости коэффициента гармоник промодулированного лазерного пучка от глубины модуляции и модулирующей СВЧ мощности позволило установить, что нелинейные искажения промодулированного лазерного пучка не зависят от нелинейных искажений модулирующего СВЧ сигнала при значениях коэффициента гармоник модулирующего СВЧ сигнала, меньших минус 70 дБ, и линейны в зависимости от модулирующей СВЧ мощности.

Определено, что при значениях модулирующей СВЧ мощности, меньших 1 Вт, фазовые искажения, внесенные ЭОМ в лазерный пучок, пренебрежимо малы.

Разработаны алгоритмы и программы для машинного проектирования электрооптических резонансных СВЧ модуляторов лазерных пучков на основе ПКР с наперед заданными техническими и метрологическими характеристиками.

Результаты, полученные в диссертации, позволили разработать экспериментальные образцы электрооптических резонансных СВЧ модуляторов с абсолютной инструментальной погрешностью, которая вносится модулятором в абсолютную инструментальную погрешность ЛДР, не более ± 0,03 мм при P = 0,95. Разработанные модуляторы были внедрены в ЛДР “АЗИМУТ” и “АЗИМУТ-М”.

Ключевые слова: электрооптический модулятор, электрооптический кристалл, микроволновой полукоаксиальный резонатор, электромагнитное поле, температурное поле, диссипативно-тепловые процессы, лазерный дальномер-рефрактометр.

SUMMARY

Orobinsky A.N. Electrooptical resonance microwave modulators of laser finders-refractometers. – Manuscript.

Thesis for candidate's degree by speciality 01.04.01 – physics of devices, elements and systems. – V.N.Karazin Kharkov National University, Kharkov, 2002.

The thesis is devoted to the creation of a microwave modulators of laser beams, based on a half-coaxial resonator of resonators, loaded by electrooptical class crystals, necessary for development modern laser finders-refractometer of maximum accuracy with an absolute tool error of measurement of length no more 0,05 mm, P = 0,95. At the work the regional tasks about own fluctuations and heat conduction microwave half-coaxial resonator, loaded by electrooptical class crystals are solved, and the structures of electromagnetic and temperature fields in cavities of resonators, volumes and on surfaces of electrooptical crystals are investigated, it solved to create stabile electrooptical resonant microwaves modulators maximum depth of modulation and with absolute instrumental error, carried in by modulator to absolute instrumental error laser finders-refractometer no more than ± 0,03 mm, P = 0,95.

Key words: electrooptical modulator, electrooptical crystal, microwave half-coaxial resonator, electromagnetic field, temperature field, dissipativ-thermal processes, laser finders-refractometer.

Відповідальний за випуск Казанський В.Б.

Підписано до друку 23.09.2002 р. Формат паперу 60ґ90/16.

Обсяг: Ум. друк. арк. 1,33. Замовлення № 29. Тираж 100 прим.

Надруковано: ТОВ “СМІК”,

61078, м. Харків, вул. Артема,32,

тел. (0572) 28-80-19.