 |
|
Электрооптический дальномер
Электрооптический дальномер, светодальномер, прибор для измерения расстояний по времени прохождения измеряемого расстояния электромагнитными волнами оптического или инфракрасного диапазонов. Э. д. делятся на импульсные и фазовые (в зависимости от того, каким способом определяют время прохождения световым импульсом расстояния до объекта и обратно). Э. д. первого вида измеряют расстояние по времени между моментом испускания импульса передатчиком и моментом возвращения импульса, приходящего от отражателя, установленного на конце измеряемой линии, второго вида — по разности фаз посылаемого синусоидально модулированного излучения и принятого. Наибольшее распространение получили фазовые Э. д., упрощённая блок-схема которых дана на рис. Источниками света ранее служили лампы накаливания (3— 30 вт) и газосветные лампы (50—100 вт), ныне — газовые и полупроводниковые оптические квантовые генераторы (ОКГ). В Э. д. обычно применяют амплитудную модуляцию с частотами в 10—80 мгц, при которой разности фаз в 1° соответствует изменение расстояния менее, чем на 1 см. Конструктивно модулятор и демодулятор одинаковы, их действие основано на использовании Керра эффекта или Поккельса эффекта. Модулирующее световой поток переменное напряжение вырабатывает генератор масштабной частоты, называется так потому, что соответствующая ей длина волны определяет масштаб перевода разности фаз в расстояния. Промодулированный свет линзовой или зеркально-линзовой оптической системой формируется в узконаправленный пучок, посылаемый на отражатель. Отражённый свет фокусируется на демодулятор оптической системой, аналогичной передающей. Регистрируемая индикатором разности фаз интенсивность на выходе демодулятора зависит от соотношения фаз в принятом световом сигнале и в управляющем демодулятором напряжении; фазовращатель позволяет установить заданное соотношение и отсчитать полученную разность фаз, по которой и вычисляется расстояние. Индикатором разности фаз может служить глаз наблюдателя (Э. д. с визуальной индикацией) или фотоэлектрическое устройство со стрелочным прибором на выходе.
Дальность действия Э. д. доходит до 50 км, средняя квадратическая погрешность составляет ± (1+0,2Д км) см, где Д — расстояние, масса комплекта 30—150 кг, потребляемая мощность 5—150 вт.
ЖК-Дисплеи
По мнению российских исследователей, сегодня жидкокристаллические наноструктуры можно рассматривать как один из перспективных электрооптических материалов для энергосберегающих полноцветных дисплеев нового поколения.
Группа сотрудников отделения квантовой радиофизики ФИАН во главе с доктором физико-математических наук Евгением Пожидаевым открыла квадратичный электрооптический эффект в спиральных наноструктурах жидкокристаллических сегнетоэлектриков.
Новые сегнетоэлектрики получены этой же группой, а наблюдаемый эффект – пока единственный пример возможности формирования Керр-подобного электрооптического отклика в наноструктурированных диэлектрических средах без центра симметрии. Коэффициент Керра новых сегнетоэлектриков на два порядка выше, а управляющее напряжение на два порядка ниже, чем у нитробензола – самого распространенного электрооптического материала с квадратичным эффектом.
Как отметил Евгений Пожидаев, уже сегодня жидкокристаллические наноструктуры можно рассматривать как один из перспективных электрооптических материалов для энергосберегающих полноцветных дисплеев нового поколения.
Ведь характерное время срабатывания этих материалов – десятки микросекунд при управляющих напряжениях в единицы вольт, электрооптический отклик не чувствителен к знаку приложенного напряжения, а при определенных условиях в электрооптическом отклике жидкокристаллических наноструктур не наблюдается гистерезис, что крайне важно для дисплеев и совершенно необычно для сегнетоэлектриков.
Прототип такого дисплея уже создан совместными усилиями сотрудников ФИАН и Центра дисплейных исследований Университета науки и технологии Гонконга.
 |
На фото: – макетный образец экрана полноцветного дисплея без матрицы цветных фильтров на основе спиральной наноструктуры жидкокристаллического сегнетоэлектрика;
– беспроводной контроллер формирования изображения.
ТРИЗ-применение
Несмотря на недостаточную разработку теории эффекта Керра, он находит широкое применение. См. Волькенштейн М.В. «Молекулярная оптика», 1951г. и Н.Д.Жевандров «Поляризация света», 1969г.
Примеры:
Патент США 3586415:
В устройстве для модуляции и считывания без искажений информации применяется модуляция света, пропускаемого через неоднородный ферроэлектрический кристалл до и после вращения плоскости колебаний, вызываемых налагаемым электрическим полем, которое равно или больше коэрцитивного поля.
А.с. 178905:
Применение ячейки Керра в качестве датчика времени, питаемого стабилизированным высокочастотным напряжением, при сверхскоростной фоторегистрации быстропротекающих процессов.
А.с. 243872:
Компенсационный оптический уровень, содержащий источник и приёмник излучения, чувствительный элемент и электронную регистрирующую схему, отличающиеся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности, чувствительный элемент составлен из двух полых световодов, коаксиально расположенных один в другом, пространство между которыми заполнено измеряемой жидкостью, а на выходе из световода установлена ячейка Керра, выполненная из двух коаксиально расположенных цилиндрических и одного центрального электродов.
Патент США 3558215:
Устройство для преобразования светового луча с произвольной плоскостью поляризации в луч света с медленно вращающейся плоскостью поляризации содержит не менее трех последовательно расположенных оптических элементов. В качестве этих элементов используют либо магнито- или электрооптические элементы. Хотя бы на один элемент накладывают электромагнитное поле. Если поле накладывают более, чем на один элемент, то поля для соседних элементов сдвинуты на фазе на 90. А.с. 266819:
Устройство для записи факсимильного изображения на светочувствительную поверхность пластины при изготовлении клише, содержащее приемник сигналов, оптический квантовый генератор, электрический модулятор и систему развертки по кадру, отличающееся тем, что, с целью упрощения развертки изображения по строке, между упомянутым электрооптическим модулятором и светочувствительной пластиной установлен поляризационный электрооптический дефлектор, состоящий из электрооптических переключателей и двулучепреломляющих кристаллов и управляемый коммутатором, например двоичным счетчиком.
А.с. 235250:
1.Оптическая система с управляемым фокусным расстоянием, отличающаяся тем, что, с целью безынерционного изменения фокусного расстояния, она выполнена в виде цилиндрического рабочего тела ив из вещества, обладающего электрооптическим эффектом, помещенного внутрь, например, шестипольного конденсатора, электрическое поле которого создает такое распределение показателя преломления в веществе рабочего тела, что падающий на него торец параллельный пучок света собирается в фокусе, положение которого на оси системы зависит от приложенного к конденсатору напряжения.
2.Система по п.1, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения хроматизма, линза выполнена в виде комбинации двух и более электрооптических сред.
Задачи
1) Для изучения быстропротекающих процессов (развитие электропробоя,
молнии и т.д.) применяют метод сверхскоростной фоторегистрации. При
этом тем или иным способом осуществляется развертка - фотоизображения
по времени с целью получить сведения как о суммарном времени
протекания процесса, так и о развитии процесса во времени. Измеряемые
интервалы времени лежат в пределах 10-6 – 10-8 сек. Обычно время
развития процесса определяется по скорости развертки (если интервалы
времени порядка 10-5 – 10-3сек, время развития процесса определяют по
времени экспозиции кинокадра). Такой способ дает большую погрешность
(до 20 %) из-за невозможности более точно определить скорость развертка
непосредственно во время протекания быстрого процесса. Стабилизация
скорости фоторазвертка связана с преодолением больших технических
трудностей.
Требуется найти способ определения времени протекания быстрых
процессов (10-8 – 10-7 сек) с точностью не хуже 3%.
Решение: Применение ячейки Керра в качестве датчика времени, питаемого
стабилизированным высокочастотным напряжением, при сверхскоростной
фоторегистрации быстропротекающих процессов.(А.с. 178905)
2)Заполненный нитробензолом сосуд, в котором расположена ячейка
Керра, при подаче на конденсатор электрического напряжения
приобретает свойства двоякопреломляющего кристалла с оптической осью,
параллельной напряженности поля в конденсаторе. Разность показателей
преломления необыкновенного и обыкновенного лучей пропорциональна
квадрату напряженности поля E. Поэтому при прохождении света через
ячейку между составляющей светового вектора, параллельной полю, и
составляющей, перпендикулярной к полю, возникает разность фаз σ,
пропорциональная E2 и длине l конденсатора по ходу луча, что принято
записывать в виде σ=2πBlE2, где B — характеристика вещества,
называемая постоянной Керра. Эта постоянная зависит от длины волны
света и от температуры. У нитробензола при комнатной температуре для
λ=600 нм постоянная Керра B=2,2*10-12 м/В2.
Поместим ячейку Керра между скрещенными поляризаторами П1 и
П2, расположив ее так, что «оптическая ось» ячейки (т. е. направление
электрического поля в ней) образует с плоскостями поляризаторов угол
45°. Положив l=10,0 см, определить:
а) минимальное значение Emin напряженности поля, при котором система
будет пропускать максимальную долю падающего на нее света,
б) сколько просветлений и затемнений ячейки произойдет за время, в
течение которого напряженность поля возрастет от нуля до 3,38*106 В/м.
Решение:
 |
3)Несовершенный поляризатор пропускает в своей плоскости α1=0,90 часть интенсивности соответствующего колебания, а в перпендикулярной плоскости α2=0,10 часть интенсивности соответствующего колебания. Определить степень поляризации P света, прошедшего через поляризатор, если первоначально свет был естественным.
Примечание. Естественный свет может быть представлен как наложение двух некогерентных волн одинаковой интенсивности, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях. При таком представлении интенсивность естественного света равна сумме интенсивностей этих волн.
Решение: 
4)Плоскополяризованный свет интенсивности I0=100 лм/м2проходит последовательно через два совершенных поляризатора, плоскости которых образуют с плоскостью колебаний в исходном луче углы α1=20,0° и α2=50,0° (углы отсчитываются от плоскости колебаний по часовой стрелке, если смотреть вдоль луча). Определить интенсивность света I на выходе из второго поляризатора.
Решение: 
5)Чему равна степень поляризации P света, представляющего собой смесь естественного света с плоскополяризованным, если отношение интенсивности поляризованного света к интенсивности естественного равно: а) 1, б) 10?
Решение: 
Вопросы
1)Что называется поляризацией света?
2)Что такое линейно-поляризованная волна?
3)Суть эффекта Керра.
4)Что называют обыкновенным и необыкновенным лучами.
5)Роль сегнетоэлектриков в эффекте Керра.
6)Постоянная Керра. От чего зависит и как её вычислить.
Ответы
1)Интерференция волн — взаимное увеличение или уменьшение
результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн,
одновременно распространяющихся в пространстве. Сопровождается
чередованием максимумов и минимумов интенсивности в пространстве.
Результат интерференции (интерференционная картина) зависит от разности фаз накладывающихся волн.
2)Линейно поляризованная волна - волна, в любой точке которой вектор E всегда лежит в одной плоскости (плоскости поляризации).
3)Обыкновенная волна(луч) - линейно поляризованная волна, распространяющаяся в одноосном кристалле, и поляризованная в плоскости, перпендикулярной к главному сечению кристалла. Обыкновенная волна распространяется в кристалле во всех направлениях с одинаковой скоростью и характеризуется постянным значением показателя преломления, обозначаемым n0.
Необыкновенная волна(луч) - линейно поляризованная волна, распространяющаяся в одноосном кристалле, и поляризованная в плоскости, совпадающей с главным сечением кристалла. Для необыкновенной волны скорость распространения зависит от направления распространения6 для нее значение показателя преломления, максимально отличающееся от n0, обозначается ne.
4)Наибольшим квадратичным электрооптическим эффектом среди жидкостей обладают нитробензол и сероуглерод. Эти среды изотропны (жидкости) и электрооптический эффект для них не зависит от направления. Однако доказано, что сегнетоэлектрики обладают вдвое большим электрооптическим эффектом нежели самый распространённый материал для получения этого эффекта — нитробензол. Сегнетоэлектрики выполняют функцию изолятора в ячейке Керра и двоякопреломляющего кристалла.
5) 
, где δ - разность фаз между ортогонально поляризованными составляющими волны Exи Ey, l – длина среды, E- электрическое поле приложенное к ячейке Керра. Постоянная Керра зависит от вещества, длины волны, температуры, агрегатного состояния.