Анализатор поля излучения - RU2155356C2

Чертежи

Показать все 13 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится к анализаторам поля излучения.

При освещении объекта когерентным излучением лазерного источника поле, отраженное от объекта, содержит большое количество информации о его трехмерной структуре и характере его поверхности. Анализ таких полей представляет важную основу для поиска целей, слежения и некооперативных методов распознавания. Гетеродинные системы, имеющие один детектор с одной апертурой и локальные генераторы основной моды, могут обнаруживать только составляющую основной моды поля, отраженного из объекта, что приводит в результате к значительным потерям потенциально полезной информации. В микроволновой области эта проблема решается за счет использования антенной решетки с субапертурами. Излучение, падающее на каждую субапертуру, когерентным способом обнаруживается с помощью отдельного локального генератора и детектора. В этом случае поле, падающее на антенную решетку, измеряется методом кусочной аппроксимации. Вследствие того что длина волны оптического излучения является короткой и существуют существенные технологические различия, реализация концепции приемной решетки с субапертурами при анализе поля, которое отражается от объектов, освещаемых лазерным излучением, на практике оказывается достаточно трудной.

В патенте США N US-A-4340304 описана интерферометрическая система, в которой два когерентных и ортогонально поляризованных луча по отдельности направляют в проверяемую область и в опорное плечо, и после их возвращения суммируют и фильтруют по поляризации так, что они интерферируют, получая при этом интерференционную картину. Интерференционная картина детектируется в плоскости с множеством отдельных точек детектирования, таким образом получая электрический сигнал для каждой точки. Сигналы обрабатывают и получают информацию о разности оптического пути при разрешающей способности выше, чем длина волны используемых лучей. Система предназначена для работы с одномодовым излучением.

Задача изобретения заключается в том, чтобы выполнить в альтернативном виде анализатор поля излучения.

Настоящее изобретение предусматривает анализатор поля излучения для анализа по меньшей мере частично когерентного излучения, которое поступает от объекта, при этом анализатор включает в себя сумматор излучения для получения интерференционных сигналов и средство для обнаружения интерференционных сигналов, отличающийся тем, что:
(1) сумматор размещается для сложения принимаемого от объекта излучения, с каждым из множества полей ортогональных пространственных мод излучения для того, чтобы получить интерференционные сигналы, и
(2) средство для обнаружения располагается так, чтобы обеспечить анализ излучения от объекта в форме спектра пространственных мод.

Для того чтобы вырабатывать интерференционные сигналы, между принимаемым излучением и сигналами с ортогональными пространственными модами излучения должна существовать определенная степень когерентности. Термин "объект" ("сцена") используется в общем смысле для обозначения любого объекта, находящегося в поле зрения, включая наземные объекты и отдельные цели или объекты, такие как пролетающий в небе самолет. Излучение, отраженное от объекта, можно классифицировать в терминах ортогонального набора свободных пространственных мод (например, Эрмита-Гаусса) или ортогонального набора свободных пространственных мод многомодового волновода (например, смешанные EH_mn моды волновода с квадратным сечением, где m и n - целые числа, которые больше или равны 1). В терминах анализа волноводных мод поле, распространяющееся от объекта, E_вх отображается на входной апертуре волновода и возбуждает спектр мод. Этот процесс может быть выражен как
E_input = ∑ A_mnexp{iφ_mn}EH_mn,
где A_mn и φ_mn - модуль и фаза сложной амплитуды mn-й моды EH_mn волновода, соответственно.

Например, в общем случае прямоугольных волноводов без потерь с поперечным сечением 2а х 2b амплитуда поля моды EH_mn имеет вид

При смешивании спектра мод, возбуждаемых в волноводе излучением, которое поступает от объекта, с известными модами, которые возбуждает настраиваемый генератор мод и которые также имеют сдвиг по частоте относительно излучения от объекта, можно определить относительные амплитуды и фазы мод, возбуждаемых в волноводе излучением от объекта, с помощью соответствующих измерений сигналов биений, полученных с использованием детектора.

Преимущество изобретения заключается в том, что моды, возбуждаемые излучением, отраженным от объекта, используются для классификации объектов. Следовательно, системы, основанные на анализаторе изобретения, можно устанавливать для того, чтобы регистрировать, когда обнаруживаются определенные моды излучения, и, следовательно, когда присутствуют определенные конкретные цели или объекты, без использования оператора. Кроме того, так как объект классифицируется с помощью мод, информация об объектах может быть представлена в виде перечня мод, присутствующих в излучении объекта, вместе с амплитудами и фазами этих мод.

Предпочтительным является то, что возбуждаемые моды вырабатываются с помощью генератора (или преобразователя мод), который основан на вводе двух плоских волн (или двух волн, которые с максимально возможной степенью точности аппроксимируются двумя идеальными плоскими волнами) под соответствующими углами и с соответствующими фазами в многомодовый волновод.

С другой стороны, возбуждение мод можно получить с помощью лазерного источника при вводе лазерного излучения в многомодовую волноводную структуру. В этом случае лазерный источник можно засинхронизировать по частоте и отстроить по частоте от другого лазера, который используется для освещения объекта.

Анализатор поля излучения может представлять собой один или несколько анализаторов, установленных в последовательной или параллельной решетке. Каждый анализатор можно затем разместить для анализа данной волноводной моды или ряда мод. Питание анализатора можно выполнить от одного настраиваемого преобразователя мод. С другой стороны, каждый расположенный в решетке анализатор может иметь свой собственный генератор мод или преобразователь мод.

В анализаторе поля излучения преимущественно предусмотрена компьютерная система для управления модами, которые генерируются при помощи настраиваемого генератора мод или преобразователя мод, а также для анализа спектра мод, измеренного с помощью анализатора.

В дополнительном аспекте, анализатор поля излучения можно установить как часть лазерной локационной системы.

Сущность изобретения иллюстрируется ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает в схематическом виде сечение в горизонтальной проекции анализатора поля излучения изобретения;
фиг. 2 изображает общий вид многомодовой волноводной структуры, включенной в анализатор поля излучения (фиг. 1);
фиг. 3 изображает общий вид настраиваемого преобразователя мод (фиг. 1);
фиг. 4 изображает зависимость излучения, имеющего связь с модами прямоугольного волновода, от направления ввода излучения;
фиг. 5 изображает относительный сдвиг фаз между модами (фиг. 4);
фиг. 6 изображает в схематическом виде распространение излучения через расщепитель луча анализатора поля излучения (фиг. 1);
фиг. 7 изображает ряд волноводных мод, полученных с помощью преобразователя мод (фиг. 3);
фиг. 8 изображает профили мод излучения, полученных с помощью преобразователя мод (фиг. 3);
фиг. 9 и 10 изображают теоретические расчеты характеристик анализатора поля излучения (фиг. 1);
фиг. 11 изображает экспериментальные измерения, соответствующие теоретическим расчетам (фиг. 9);
фиг. 12 изображает экспериментальные измерения, соответствующие теоретическим расчетам (фиг. 10);
фиг. 13 изображает структурную оптическую схему анализатора изобретения, который входит в состав лазерной локационной системы.

На фиг. 1 изображен в схематическом виде анализатор поля излучения, обозначенный позицией 10. В его состав входит многомодовая волноводная структура 12, которая имеет по существу четыре идентичных многомодовых волновода: входной волновод 14, волновод 16 для преобразования мод, волновод 18 для передачи/приема излучения и детекторный волновод 20.

Входной волновод 14 имеет входную апертуру 22. Источник 24 излучения на основе CO₂-лазера размещается для ввода излучения во входную апертуру 22. Волновод 16 для преобразования мод имеет апертуру 26. Настраиваемый преобразователь 28 мод расположен в апертуре 26. Преобразователь 28 мод будет более подробно описан ниже. Он размещается для приема излучения с основной модой из волновода 16 для преобразования мод и преобразования его в излучение с любым требуемым номером моды. Вместе с излучением с требуемой модой оно затем поступает обратно в преобразовательный волновод 16. Кроме преобразования излучения в излучение с требуемой модой, в преобразователе мод также получают излучение с фазовой модуляцией или со сдвигом по частоте.

Волновод 18 для передачи/приема излучения имеет апертуру 30. Излучение, выходящее из волновода 18, связывается с модами свободного пространства вне многомодовой волноводной структуры 12 через апертуру 30 и линзовую систему 31. К тому же излучение в модах свободного пространства от внешних объектов связывается с волноводом 18 для передачи/приема излучения в моде волновода через линзовую систему 31 и апертуру 30.

Детекторный волновод 20 имеет апертуру 32. Детекторная система 34 размещается для детектирования излучения, выходящего из детекторного волновода 20 через апертуру 32. Детекторная система 34 подсоединяется к компьютерной системе 36 для регистрации и анализа излучения, выходящего из детекторного волновода 20.

Многомодовая волноводная структура 12 содержит расщепитель 38 луча, расположенный на концах волноводов 14 - 20 напротив апертур 22, 26, 30 и 32. Расщепитель 38 луча устанавливают по существу для отражения и пропускания в равной степени падающего излучения (то есть расщепитель луча имеет коэффициент деления 50%). Его устанавливают для отражения излучения, выходящего из входного волновода 14, в преобразовательный волновод 16 и для пропускания излучения из входного волновода 14 в волновод 18 для передачи/приема излучения. Аналогично, излучение из преобразовательного волновода 16 передается в детекторный волновод 20, а также отражается во входном волноводе 14. Также излучение из волновода 18 для передачи/приема излучения отражается и поступает в детекторный волновод 20, а также передается во входной волновод 14.

Ниже в общих терминах описывается работа анализатора 10 поля излучения, при этом более подробный теоретический анализ будет проведен ниже.

Основная мода излучения от источника 24 лазерного излучения образуется, чтобы соединиться во входном волноводе 14 в моду EH₁₁, т.е. в основную моду излучения. Основная мода излучения распространяется вдоль входного волновода 14 к расщепителю 38 луча. По существу 50% излучения проходит через расщепитель 38 луча к волноводу 18 для передачи/приема излучения. Оставшаяся часть (50%) излучения отражается в направлении преобразовательного волновода 16. Излучение в обоих волноводах 16 и 18 распространяется на основной моде к соответствующим апертурам 26 и 30.

Излучение, которое выходит из апертуры 30, связывается по существу с модой ТЕМ₀₀ излучения свободного пространства. Она освещает объект (не показан), и излучение, отраженное от объекта, связывается с волноводом 18 для передачи/приема излучения через апертуру 30. Излучение связывается в ряд мод волновода вида EH_mn, где m и n больше или равны единице.

Излучение с основной модой, которое выходит из апертуры 26, вводится в настраиваемый преобразователь 28 мод. Преобразователь 28 преобразовывает излучение с основной модой EH₁₁ в моды EH_mn волновода более высокого порядка. Преобразователь 28 выполняет преобразование мод с помощью возбуждения мод в управляемой последовательности. Преобразователем 28 управляют с помощью компьютера 36, через канал 40 управления. Преобразователь 28 возбуждает все моды в диапазоне EH₁₁ - EH_mn. При любой определенной установке преобразователь мод только возбуждает одиночную моду. При m = n = 10 разрешающая способность будет эквивалентна анализатору поля излучения предшествующего уровня техники с решеткой субапертур размером 10 х 10.

Моды, возбуждаемые с помощью преобразователя, передаются в преобразовательный волновод 16 через апертуру 26. Фазовый модулятор в преобразователе мод накладывает синусоидальную фазовую модуляцию на генерируемые моды. В одном варианте осуществления фазовый модулятор принимает вид полностью отражающего зеркала, установленного на пьезоэлектрическую стопу. Стопа возбуждается синусоидальным переменным напряжением, которое производит осевое перемещение зеркала, зависящее от времени в виде cos(ωt), где ω - частота возбуждения, амплитуда напряжения возбуждения устанавливается так, чтобы граница линейного перемещения была равна λ/2, где λ - длина плоской волны в середине волновода. Это перемещение зеркала накладывает на луч, отражаемый от зеркала, синусоидально изменяющийся сдвиг фаз (О ---> 360^o).

Фазово-модулированное излучение, выходящее из настраиваемого преобразователя 28, распространяется по преобразовательному волноводу 16 по направлению к расщепителю 38 луча. Излучение от объекта или объекта, который связан в волноводе 18 для передачи/приема излучения, распространяется по волноводу 18 в направлении к расщепителю 38 луча. Излучение, выходящее из преобразователя 28, и излучение, приходящее от объекта наблюдения или объекта смешиваются, проходя через расщепитель 38 луча и затем передается к детектору 34.

Из-за ортогональности мод волновода полный размах амплитуды изменения мощности, измеренный с помощью детектора, не будет равен нулю только в случае, когда мода EH_mn, приходящая от объекта наблюдения или объекта, приравнивается моде EH_mn, которая возбуждается с помощью настраиваемого преобразователя. Например, когда преобразователь 28 мод вырабатывает мод EH₃₁, будет ограничение изменения мощности в волноводе 18 для передачи/приема, и излучение от объекта проистекает от возбуждения моды EH₃₁. Результирующие синусоидальные изменения мощности записываются компьютером 36 и используются для вывода модуля и фазы составляющей EH₃₁ в поле, отраженном от объекта. Следовательно, исходя из знания установленных значений мод и относительных амплитуд и фаз мод, вырабатываемых с помощью настраиваемого преобразователя 28 мод и измерений синусоидальной мощности, выполненных с помощью детектора 34, можно определить комплексные амплитуды всех мод EH_mn излучения, присутствующих в излучении, принимаемом от объекта.

Это позволяет характеризовать поле излучения, отраженного от объекта, в соответствии с модами EH_mn возбужденным в волноводе для передачи/приема излучения. Чем выше порядок мод, используемый при анализе, тем больше разрешающая способность, с помощью которой можно характеризовать поле излучения от объекта. Более низкий порядок мод может нести информацию о пространственных характеристиках объекта, например, наличие моды EH₂₁ с двумя пиками интенсивности указывает на присутствие двух основных вертикальных составляющих в объекте. Наоборот, моды с более высоким порядком, такие как мода EH_10,10, несут информацию о более малых по объему деталях объекта. Следовательно, поля излучений от объекта можно классифицировать в терминах мод EH_mn, которые он возбуждает. Поля излучения от объекта можно калибровать, то есть известное поле объекта можно классифицировать в терминах мод EH_mn, которые он производит, и анализатор 10 можно затем разместить для того, чтобы регистрировать, когда моды EH_mn, соответствующие тому объекту, принимаются с помощью детектора 34. Анализатор 10 можно затем использовать как основу системы слежения, в которой объекты будут обнаруживать с помощью анализатора 10, первоначально откалиброванного в терминах мод EH_mn, которые они возбуждают.

На фиг. 2 изображен общий вид многомодовой волноводной структуры 12 (фиг. 1). Многомодовая волноводная структура 12 изготовлена из окиси алюминия. В ее состав входит три слоя: слой 210 подложки, образующий нижние стенки полых волноводов, волноводный слой 212, содержащий размещенные плитки 213, образующие вертикальные стенки полого волновода, и верхний слой 214, обозначенный пунктирными линиями и образующий верхние стенки полых волноводов.

Волноводный слой 212 определяет форму входного волновода 14, волновода 16 для преобразования мод, волновода 18 для передачи/приема излучения и детекторного волновода 20, показанного на фиг.1. Каждый из полученных в результате волноводов 14 - 20 имеет постоянное квадратное сечение со стороной 2а, где a равно одному миллиметру.

Ниже следует описание расположения волноводов 14-20 в системе отсчета 216. Волновод 16 для преобразователя мод и детекторный волновод 20 имеют соответствующие центральные продольные оси 218 и 220, проходящие в направлении x. Ось 220 смещена относительно оси 218 на 0,93 мм в положительном направлении y. Аналогично, входной волновод 14 и волновод 18 для передачи/приема излучения имеют центральные продольные оси 222 и 224, проходящие, соответственно, в направлении y. Ось 222 смещена относительно оси 224 на 0,93 мм в положительном направлении х.

Волноводный слой 212 имеет также 2 прорези. Это расположено между волноводами 14 и 20 и волноводами 16 и 18, соответственно. Расщепитель 38 луча расположен в прорезях 226 и 228 у общего пересечения 232 волноводов от 14 до 20. Расщепитель луча сделан из селенида цинка и имеет толщину 1,9 мм. Диэлектрическое покрытие напыляется на его поверхность, обеспечивая 50% пропускания и 50% отражения для падающего светового пучка.

Волноводы 14-20 имеют соответствующие апертуры 22, 26, 30 и 32 на конце волноводного слоя 212. Лазерный источник 24 размещается по центру на продольной оси 222. Настраиваемый преобразователь 28 мод размещается по центру на оси 218 в отдалении от апертуры 26 и на расстоянии 1,0 миллиметр от преобразовательного волновода 16. Детектор 34 представляет собой охлаждаемый квадратный кристалл размером 4,0 мм из кадмий-ртуть-теллурида (КРТ), который размещается по центру на оси 220, при этом он позиционируется таким способом, чтобы захватывать все излучение, выходящее из апертуры 32.

На фиг. 3 показан общий вид настраиваемого преобразователя 28 (фиг. 1). В его состав входит многомодовая волноводная структура 310, содержащая четыре полых волновода. Структура 310 содержит три слоя 312, 314 и 316. Слой 312 состоит из пластины 313 подложки, которая образует нижние стенки полых волноводов, слой 314 содержит расположенные в определенном порядке плитки 315, которые образуют вертикальные стенки полых волноводов, и слой 316, показанный пунктирными линиями, является верхней пластиной 317, которая образует верхние стенки полых волноводов.

Расположение плиток 315 образует четыре многомодовых волновода 318, 320, 322 и 324. Волновод 318 представляет собой входной волновод, волновод 320 - волновод для первого преобразования мод, волновод 322 - волновод для второго преобразования мод и волновод 324 - волновод для проверки мод. Каждый волновод имеет квадратное поперечное сечение со стороной 2,0 мм. Каждый волновод 318 - 324 имеет соответствующую апертуру 326, 328, 330 и 332 на соответствующем крае слоя 314.

Волноводы 318 - 324 имеют соответствующие центральные продольные оси 334, 338, 340 и 336. Ось 338 смещена относительно оси 334 на 0,93 мм в положительном направлении y, как показано с помощью оси 342. Аналогично, ось 336 смещена относительно оси 340 на 0,93 мм в положительном направлении x. При работе, ось 334 параллельна и соосна оси 218 (фиг. 2).

Слой 314 имеет две прорези 344 и 346, проходящие через все ее толщину. Прорезь 334 расположена на пересечении волноводов 318 и 324, и прорезь 346 - на пересечении волноводов 320 и 322. Каждая прорезь 334 и 346 поддерживает расщепитель 348 луча из селенида цинка толщиной 1,96 мм. Волноводы 320 и 322 для первого и второго преобразования мод имеют соответствующие зеркала 350 и 352 для связанного преобразования мод. Они размещены по центру вдоль осей 336 и 338 и на расстоянии приблизительно 1,0 мм от апертур 328 и 330. Зеркала 350 и 352 установлены на соответствующих моторизованных креплениях (не показаны). Крепления дают возможность зеркалам 350 и 352 поворачиваться относительно выбранных осей. Зеркало 350 поворачивается относительно центральных осей 354 и 356, которые являются, соответственно, вертикальной осью, параллельной направлению z, и горизонтальной оси, параллельной направлению y. Зеркало 352 поворачивается относительно центральных осей 358 и 360, которые, соответственно, параллельны направлению z и направлению x. Кроме того, расстояние между зеркалами 350 и 352 и их волноводные апертуры 328 и 330 могут меняться линейными моторами. Движение зеркал контролируется компьютером 36 фиг. 1.

Преобразователь 28 мод размещается рядом с многомодовой волноводной структурой 12 так, чтобы световой пучок, выходящий из апертуры 26, связывался в апертуре 326 из входного волновода 318 преобразователя 28.

Ниже следует описание работы преобразователя 28 мод. Излучение с основной модой, которое вводится в апертуру 326, распространяется по входному волноводу 318 к расщепителю 348 луча. Так как расщепитель 348 луча является делителем луча с коэффициентом деления 50%, то по существу половина падающего излучения проходит через него к первому волноводу 320 для преобразования мод. Существенная часть оставшейся части отражается во второй волновод 322 для преобразования мод. Излучение распространяется по волноводам 320 и 322 и выходит из апертур 328 и 330. Излучение падает на зеркала 350 и 352 и отражается обратно по направлению к апертурам 328 и 330.

Связь отраженного от зеркал 350 и 352 излучения в волноводах 320 и 322 зависит от углов наклона зеркал 350 и 352. На фиг. 4 показан график изменения значения моды, связанной в волноводе 320 после отражения от зеркала 350. Тот же самый график используется для излучения, которое связано от зеркала 352 до волновода 322. Видно, что модули волноводных мод, связанных в волноводах, изменяются с углом наклона соответствующего зеркала. Положительные наклоны относятся к поворотам зеркал 350 и 352 по часовой стрелке относительно соответствующей вертикальной оси (то есть оси z) 358 и 360. Отрицательные наклоны относятся к поворотам против часовой стрелки. На графике (фиг. 4) представлены моды EH_mn, где n равно 1.

Из графика следует, что при нулевом наклоне только мода EH₁₁ излучения связывается с соответствующими волноводами. Однако при увеличении положительного наклона модуль моды EH₁₁ уменьшается до тех пор, пока он не станет по существу равным нулю при наклоне 11,0 миллирадиан. Наоборот, модуль моды EH₂₁ быстро увеличивается при положительных наклонах до максимального значения приблизительно 2,5 миллирадиан. Однако максимальная амплитуда модуля моды EH₂₁ не достигает значения, которое будет эквивалентно значению моды EH₁₁, скорее всего оно будет ограничено приблизительно двумя третями этого значения.

При более высоких положительных наклонах другие моды более высокого порядка EH₃₁, EH₄₁, EH₅₁ и т.д. также начнут связываться с соответствующими волноводами. Эти моды имеют максимальные амплитуды при наклонах зеркала приблизительно 4,0, 5,5 и 7,0 миллирадиан, соответственно. Их максимумы по существу те же самые, как и у моды EH₂₁. Для отрицательных наклонов зеркала модули всех мод остаются теми же самыми, как и для положительных наклонов, однако их фазы имеют различные значения. Наклон зеркала, который требуется для получения максимальной амплитуды любой заданной моды, за исключением моды EH₁₁ (для которой максимум достигается при нулевом наклоне), можно предсказать с хорошей степенью точности с помощью формулы: θ = mλ_c/8a, , где θ - наклон в радианах, m - номер моды EH_ml^th-й моды, λ_c- длина плоской волны в середине волновода (в случае полых волноводов и длины плоской волны в свободном пространстве), и а - половина ширины волновода. Например, если m = 3, λ = 10,6 мкм и а = 1,0 мм, то θ = 0,003975 радиан, то есть приблизительно 4 миллирадиан при хорошем соответствии с численными расчетами (фиг. 4). В то время как фиг. 4 обозначает, что модуль возбужденных мод меняется, как функция наклона зеркала, фиг. 5 показывает, как, в дополнение, фазовые сдвиги между модами являются еще и функциями наклона зеркала. Можно видеть, что для положительных наклонов зеркала антисимметричные моды EH₂₁ и EH₂₁ имеют сдвиг на 90^o (или π/2) относительно симметричных мод EH₁₁, EH₃₁ и EH₅₁. Наоборот, для отрицательных наклонов зеркала антисимметричные моды имеют сдвиг на 270^o (3π/2).
Из фиг. 4 и 5 видно, что для любого конкретного угла наклона зеркала кратность мод связана с соответствующим волноводом. Например, для положительного наклона 4 миллирадиан дают вклад моды EH₁₁, EH₂₁, EH₃₁, EH₄₁ и EH₅₁. Однако значения модулей мод являются различными. Модуль основной моды равен приблизительно 0,05, как и у EH₅₁, модули мод EH₂₁ и EH₄₁ составляют приблизительно 0,25, несмотря на то, что модуль EH₄₁ имеет максимальное значение при 0, 4.

Для анализа излучения, падающего от объекта, с помощью метода, позволяющего получать очертания объекта, необходимо, чтобы преобразователь 28 мод возбуждал по существу в любой момент одиночные моды EH_mn. Если он возбуждает многочисленные моды, то у них могут возникать биения с многочисленными модами анализируемого поля излучения объекта, вызывая многочисленные сигналы биений. Более сложные методы обработки сигналов необходимы будут для того, чтобы определить, какие моды присутствовали бы в обнаруженном с помощью детектора 34 излучении. Если с помощью преобразователя мод будут возбуждаться одиночные моды, то анализ будет намного проще.

Для возбуждения по существу чистых мод, симметричные и антисимметричные моды можно отделить таким способом, чтобы приблизительно только одна мода выходила из преобразователя 28 мод в любой момент времени для любого данного наклона зеркала. Моды отделяются благодаря процессу когерентного смешивания на расщепителе 348 луча.

На фиг. 6 изображено в схематическом виде распространение излучения через расщепитель луча. Расщепитель 348 луча имеет две поверхности 600 и 602. Поверхность 600 имеет антиотражающее покрытие, в то время как поверхность 602 имеет многослойное диэлектрическое покрытие с коэффициентом передачи 50% и коэффициентом отражения 50%. Следовательно, излучение, распространяющееся по направлению к расщепителю 348 луча, передается через и отражается от поверхности 602 в волноводы 320 и 322, соответственно, при равном соотношении коэффициентов. Отражение фактически происходит на границе перехода между расщепителем 348 луча, который имеет высокий коэффициент преломления, и воздушной средой, которая имеет низкий коэффициент преломления. Излучение, которое падает на эту границу перехода со стороны зеркала 352, проходит в среду с низким коэффициентом преломления и отражается на границе перехода между воздушной средой и средой с высоким коэффициентом преломления расщепителя 348 луча. В этом случае отраженное излучение не меняет свою фазу. Наоборот, излучение, достигающее границы перехода со стороны зеркала 350, проходит в среду расщепителя луча с высоким коэффициентом преломления и отражается от границы перехода со средой с низким коэффициентом преломления, то есть с воздушной средой, которая окружает расщепитель 348 луча. Отраженное излучение приобретает сдвиг по фазе на π радиан (или на 180^o).

Следующее связывание излучения в волноводах 320 и 322, отражение от зеркал 350 и 352 еще раз суммируется в излучение, отраженное от и переданное через точку 604. Следовательно, излучение от зеркал 350 и 352 можно комбинировать в точке 604 и можно выполнить связь мод в каждом из волноводов 318 или 324. Для интенсивности данной моды EH_mn, которая будет иметь максимальное значение в выходном волноводе 318, разность фаз между излучениями, которые отражаются от зеркал 350 и 352, проходят через волноводы 320 и 322 и границу 604 перехода, должна удовлетворять следующему условию:
φ_mn350-φ_mn352 = p2π,
где p - целое число, φ_mn350 - фаза моды EH_mn, которая вводится в волновод 318 и отражается от зеркала 350, и φ_mn352 - фаза моды EH_mn, которая вводится в волновод 318 и отражается от зеркала 352.

Для того чтобы выполнить это условие для данной моды, зеркало 350 размещается с возможностью бокового перемещения в направлении x (осевое перемещение вдоль оси волновода) на расстояние x. Это перемещение приводит к изменению фазы φ_c в φ_mn350, которое приводится в виде:

Так как лазерным источником 24 является CO₂-лазер, то длина волны излучения свободного пространства составляет 10,6 мкм. Чтобы получить изменение фазы φ_c, необходимо перемещение на расстоянии x = λ_mn φ_c/4π . На практике для того чтобы одинаковые моды находились в фазе, φ_c необходимо регулировать так, чтобы разность φ_mn350-φ_mn352 была кратна 2π радиан на целое значение.

Из фиг. 5 видно, что для положительных наклонов зеркала 350 относительно оси z (см. фиг. 3) антисимметричные моды EH₂₁, EH₄₁, EH₆₁ и т.д. имеют сдвиг на 90^o относительно симметричных мод, в то время как для отрицательных наклонов зеркала 350 относительно оси z антисимметричные моды EH₂₁, EH₄₁, EH₆₁ и т.д. имеют сдвиг на 270^o относительно симметричных мод. Рассмотрим ситуацию, где зеркало 350 имеет положительный наклон и зеркало 352 имеет положительный наклон (который после отражения от расщепителя 348 луча равен эффективному значению отрицательного наклона в выходном волноводе 318, насколько соотносятся относительные фазы мод). Если с помощью приложения соответствующего сдвига фаз, прикладываемого через управляемое пьезоэлектрическим способом смещение зеркала 350, оно устанавливается таким образом, что симметричные моды, пропускаемые расщепителем 348 луча от зеркала 350 в выходной волновод 318, находятся в фазе с симметричными модами, которые отражаются расщепителем 348 луча от зеркала 352 в выходной волновод 318, то эти симметричные моды будут конструктивно интерферировать в точке 604 и производить луч с симметричными модами, которые будут связаны в волноводе 318. Наоборот, с теми же самыми наклонами зеркала прошедшие и отраженные антисимметричные моды от зеркал 350 и 352 будут находиться не в фазе в точке 604, и будут деструктивно интерферировать в поле, выходящем из волновода 318. Одновременно эти антисимметричные моды будут в фазе в поле, которое выходит из волновода 324, и будут конструктивно интерферировать, в то время как симметричные моды в выходном поле волновода 324 будут вне фазы интерферировать деструктивно. Следовательно, где зеркало 350 смещается, там достигается деструктивная интерференция между симметричными модами в выходном поле в волноводе 318, антисимметричные моды будут в фазе и будут интерферировать конструктивно. Одновременно в волноводе 324 выходящие симметричные моды будут интерферировать конструктивно и антисимметричные моды будут отсутствовать.

В приведенной выше ситуации набор мод, который связан с волноводом 324, можно использовать в качестве проверки на моды, которые образуются в выходном поле волновода 318, то есть на выходе преобразователя 28 мод. Например, если антисимметричные моды необходимо выводить через волновод 318, то волновод 324 должен содержать симметричные моды и наоборот. Волновод 324 может иметь детекторную решетку (не показано) напротив своей выходной апертуры 322 для анализа мод.

Предыдущий аргумент показывает, как выходное излучение преобразователя 28 мод можно выбрать так, чтобы иметь либо симметричную, либо антисимметричную моду, и как спектральную чистоту данной моды можно максимизировать с помощью выбора значений наклонов зеркал 350 и 352 в соответствии с выражением θ = mλ_c/8a. Однако если входная волна в преобразователе мод не является идеально плоской, то выходная волна в каждой из этих установок может содержать многочисленные моды, и поэтому возникнет дополнительное требование для подавления эффектов, связанных с появлением нежелательных мод. Это достигается следующим образом.

Из графика (фиг. 4) видно, что для нулевого наклона зеркала будет возбуждаться только основная мода EH₁₁. При наклоне зеркала 4.0 миллирадиан EH₃₁ является основной полученной модой, но имеются также небольшие вклады из мод EH₅₁ и EH₁₁. В этом случае антисимметричные моды игнорируются, поскольку их можно удалить, так как описано выше. Измеряя выходной сигнал анализатора с помощью преобразователя 28 мод при нулевом наклоне зеркал 350 и 352, можно точно установить амплитуду основной моды EH₁₁, так как только эта мода возбуждается при нулевом наклоне.

Амплитуду моды EH₃₁ можно определить путем измерения выходного сигнала анализатора при наклоне зеркал, установленных в преобразователе мод, равном +2,5 миллирадиан. Из фиг. 4 следует, что вклад мод EH₃₁ и EH₁₁ по существу тот же самый и все другие симметричные моды имеют очень низкие значения. Амплитуду моды EH₁₁ при наклоне зеркала 2,5 миллирадиан можно определить, исходя из предыдущего измерения при нулевом наклоне. Из графика фиг. 4 видно, что амплитуда моды EH₁₁ изменяется с наклоном зеркал известным способом и амплитуду при любом наклоне можно найти из амплитуды при нулевом наклоне. Так как амплитуда EH₁₁ при наклоне 2,5 миллирадиан известна, то можно вычислить вклад в сигнал моды EH₃₁. Аналогично, при наклоне зеркала 5,5 миллирадиан можно определить амплитуду моды EH₅₁, исходя из полученных ранее значений мод EH₁₁ и EH₃₁ и выходного сигнала анализатора с зеркалами преобразователя мод 28, установленными с таким наклоном.

Аналогично из фиг. 4 следует, что, когда антисимметричные моды выбираются с помощью соответствующей установки PZT, амплитуду моды EH₂₁ можно найти путем измерения выходного сигнала анализатора, когда зеркала в преобразователе мод установлены с наклоном +1,5 миллирадиан. В этом случае выходной сигнал в преобразователе мод большей частью из-за моды EH₂₁, с EH₄₁, имеющий только маленький вклад. Вклады +4.0 миллирадиан от EH₂₁ и EH₄₁ являются теми же самыми с амплитудами всех других антисимметричных мод, которые чрезвычайно малы. Измерением выхода от анализатора в этом случае и компенсацией за вклад моды EH₂₁ амплитуду (т.е. модули) моды EH₄₁ можно вычислить.

Из предыдущего описания видно, что поле излучения, принимаемое от объекта с помощью анализатора, можно классифицировать с точки зрения наличия отдельных мод, с помощью только классификации принятых симметричные или антисимметричных мод и с помощью знания мод, возбуждаемых при различных углах наклона зеркал 350 и 352.

Предыдущее описание касается возбуждения мод EH_ml. Это достигается с помощью наклона зеркала 350 и 352 относительно их вертикальной оси и в том же самом смысле. Моды EH_1n можно возбуждать с помощью поворота зеркал 350 и 352 относительно их горизонтальных осей (x или y) и в том же самом направлении (требование для поворотов, которое основано на том, что при отражении от расщепителя луча изображение инвертируется). Графики полученных в результате мод по существу идентичны модам, которые представлены на фиг. 4 и 5, но с изменяющимися номерами "n", в то время как номер "m" остается фиксированным и равным 1.

Моды более высокого порядка с m и n больше 1 можно также получать с помощью преобразователя мод 28. Это можно достигнуть при одновременном наклоне зеркал 350 и 352 относительно их горизонтальной и вертикальной осей. EH_mn -я мода получается с помощью необходимого наклона зеркал 350 и 352 относительно вертикальной оси m-й моды, как было показано со ссылкой на фиг. 4, и относительно горизонтальной оси для соответствующего наклона для n-й моды. Для этих мод более высокого порядка зеркала 350 и 352 должны иметь наклон относительно их горизонтальной оси с противоположным знаком направления, в то время как наклоны относительно их вертикальной оси должны иметь тот же самый знак направления.

На фиг. 7а и 7b изображены выходные моды, полученные с помощью преобразователя 28 мод при различных установочных параметрах. На фиг. 7а показаны картины интенсивности излучения на выходе волновода 316 в случае, когда преобразователь 28 мод был установлен для получения мод от EH₁₁ вплоть до EH_10,1. Например, картина интенсивности EH₄₁ имеет горизонтальную строку из четырех пиков интенсивности. На фиг. 7b представлены картины излучения на выходе волновода 316 для случая, когда преобразователь 28 мод был установлен для получения мод от EH₁₁ вплоть до EH_{1, 10}. Например, картина EH₁₇ имеет вертикальный столбец из семи пиков интенсивности. Основная мода EH₁₁ состоит из одиночного центрального пика интенсивности. В общем, промежуточные картины мод имеют различные комбинации столбцов и строк пиков интенсивности. EH_mn-я мода имеет максимальные пики m х n интенсивности.

На фиг. 8 показаны квазитрехмерные профили четырех мод EH₁₁, EH₂₁, EH₃₁ и EH₄₁, полученных с помощью преобразователя 28 мод. Видно, что эти моды имеют соответственно один, два, три и четыре пика интенсивности.

Излучение, выходящее из преобразователя 28 мод, связывается в преобразовательном волноводе 16 через апертуру 26. Многомодовое излучение от объекта связывается в волноводе 18 для передачи/приема излучения через апертуру 30. Излучение в соответствующем преобразовательном волноводе 16 и в волноводе 18 для передачи/приема распространяется по направлению к расщепителю 38 луча в соотношении 50:50. Излучение от источника создается линейной комбинацией мод EH_pq с соответствующей сложной амплитудой A_pqexp(iφ_pq). Моды EH_pq создаются входом оптического поля EH_input, соединяющиеся с волноводом 18 у апертуры 26. Следовательно, EH_input можно представить EH_pq модой как:
E_input = ∑ A_pqexp(iφ_pq)EH_pq.
По существу волновод 18 выполняет Фурье-анализ оптического поля E_вх на его входной апертуре 26. Комплексные амплитуды являются затем коэффициентами ряда Фурье, и моды, возбуждаемые в волноводе 18, представляют собой модовое представление поля от объекта.

Затем моды излучения в волноводах 16 и 18 смешиваются вместе на расщепителе 38 луча. Перемещая зеркала 350 и 352 преобразователя мод при одновременном изменении по синусоидальному закону смещения максимальной амплитуды Y, на детекторе возникает сигнал биений для каждой установленной моды EH_rs преобразователя мод. Смещение по меньшей мере на 2,65 мкм, которое вызывается с помощью подачи синусоидального переменного напряжения, прикладываемого на пьезоэлектрические преобразователи, необходимо для того, чтобы гарантировать, что фаза моды EH_rs, преобразователя изменяется на π/ радиан.

Когерентное биение моды EH_rs, полученной на выходе
преобразователя, и спектр мод излучения, приходящего от объекта, приводит в результате к полю биения, которое распространяется вдоль детекторного волновода 20. Оно выходит из апертуры 32 и обнаруживается в детекторе 34. При этих условиях, профиль интенсивности 2D, изменяющийся от времени и получаемый на детекторе 34, представлен в виде:

На практике точное измерение относительных фаз мод во входном поле основано на двух важных предположениях.

(1) Длина оптическая пути волновода между входной апертурой волновода (в котором отображается поле, которое необходимо анализировать) и детектором равна длине оптического пути волновода между выходом преобразователя мод и детектором. Если это условие не выполняется, то необходимо проводить корректировку измерений, основанных на уравнении для дисперсии мод.

(2) Все отдельные моды, полученные в выходной плоскости преобразователя мод, имеют ту же самую относительную фазу. Если это условие не выполняется, то в начальной процедуре установки необходимо установить относительные сдвиги фаз. Это может быть основано на введении известного входного поля, например, поля EH₁₁, отраженного из наклоненного зеркала. Значения сдвигов фаз, полученные этим способом, можно использовать для корректировки измеренных данных на этапе вычисления в процессе анализа поля. С другой стороны, данные сдвига фаз можно использовать для установления нулевых сдвигов фаз между возбуждаемыми модами, подавая соответствующие уровни постоянного напряжения смещения к фазовому модулятору, который находится в преобразователе мод, для каждой возбуждаемой моды. Этот процесс является аналогом метода "преобразования фазы вверх", который используется в приемниках с фазированной антенной решеткой для того, чтобы гарантировать, что фазы сигналов локального генератора, которые имеются в точках смешивания, расположенных позади каждой субапертуры, являются теми же самыми.

Анализатор 10 можно откалибровать непосредственно перед локацией зеркала цели (не показано) на апертуре 30 волновода 18 для передачи/приема излучения. Зеркало может иметь наклон для того, чтобы получать моды, аналогичные тем, которые изображены на фиг. 4. Следовательно, относительные фазы мод, распространяющихся в волноводе 18, можно получить из выходного сигнала детектора 34 с помощью анализа биения мод EH_mn, выходящих из преобразователя 28, с модами, которые образуются с помощью зеркала цели. Амплитуда и фаза мод, вырабатываемых преобразователем 28, известны, и также известна амплитуда мод, получаемая с помощью зеркала цели. Это позволяет получить относительные фазы мод.

Ниже более подробно рассмотрен метод калибровки, который учитывает сдвиги фаз между модами, образующимися с помощью преобразователя мод. На фиг. 1 рассмотрена ситуация, где зеркало цели, размещенное на апертуре 30, имеет наклон, равный 4,0 миллирадиан относительно оси z. Как следует из фиг. 4, это приводит в результате к возбуждению мод EH₁₁, EH₂₁, EH₃₁, EH₄₁ и EH₅₁. Преобразователь мод настраивают на моду EH₁₁ и измеряют разность фаз χ₁ между образцом сигнала возбуждения, прикладываемого к фазовому модулятору в преобразователе мод, и выходным сигналом детектора. Практически это можно выполнить с помощью осциллографа. Затем настраивают преобразователь мод, чтобы получить моду EH₂₁, и повторяют измерение разности фаз. Результатом в этот момент является значение χ₂. Из фиг. 5 следует, что разность χ₁-χ₂ должна равняться 270^o, при этом коррекция χ₂ обозначается как χ_2c и оценивается так: χ₂+χ_2c-χ₁ = 270^o. Значение χ_2c записывается. Аналогичным образом фазовая коррекция для других мод, возбужденных этим значением величины наклона. оценивается. Угол зеркала сейчас наклоняется на 9.0 миллирадиан, что приводит в результате к возбуждению мод EH₅₁, EH₆₁, EH₇₁, EH₈₁ и EH₉₁. Это значение наклона выбирают для того, чтобы включить в состав моду EH₅₁, которая появляется в первом наборе данных. Измерения относительных сдвигов фазы относительно EH₁₁ из начального набора размеров, который включает моды EH₁₁ и EH₅₁. Стратегия перекрытия наборов мод, для которых проводятся измерения, важна, потому что при переходе от одного значения наклона зеркала к другому, если ось поворота не проходит точно по оси волновода, что маловероятно на практике, также происходит осевой сдвиг поверхности зеркала, который приводит к дополнительному неизвестному сдвигу фазы.

Наклон зеркала цели относительно ортогональной оси x и составные наклоны относительно горизонтальной и вертикальной осей позволяют получить доступ к большому спектру мод. В этом контексте, как описано ранее, значение наклона зеркала, которое требуется для возбуждения заданного набора мод, определяется с помощью достаточно точного приближения выражением θ = nλ/8a, где n - номер, который относится к моде в центре набора, и а - половина ширины волновода. Например, если необходимо, чтобы мода EH₃₁ была центральной модой набора, то n = 3, λ = 10,6 мкм и а = 1,0 мм, что дает θ = 4 миллирадиан, как использовалось ранее. Если требуется, чтобы мода EH₃₃ находилась в центре набора возбужденных мод, зеркало должно иметь наклон 4,0 миллирадиан относительно осей x и z. С помощью установки зеркала с компьютерным управлением и соответствующей электроникой интерфейса можно автоматизировать весь процесс установки.

В случае, если требуется анализировать наклонное входное поле при любом значении величины наклона (фиг. 4), то необходим локальный настраиваемый генератор, который будет по меньшей мере возбуждать моды EH₅₁. Это требуется в свою очередь для того, чтобы обеспечить модули и измерения фаз для каждой из пяти мод. Вследствие уникальной природы входного поля интересно отметить, что в любой точке диапазона максимальное число одновременно возбуждаемых мод равно пяти. В спектре изображения реальных объектов будет, вероятно, намного больше комплексных мод, рассматриваемых в терминах номеров и порядков возбужденных мод. Разрешающая способность, при которой можно анализировать такие изображения, зависит от ряда факторов:
(1) мода высшего порядка доступна локальному настраиваемому генератору,
(2) чистота мод, которые он вырабатывает, и
(3) точность, с которой можно провести измерения амплитуды и фазы моды. С учетом изменяющихся во времени полей, другим важным фактором будет время, выбранное для проведения измерения, которое будет зависеть от числа мод, учитываемых при анализе, и от времени, которое выбрано для каждого измерения. Последнее само будет зависеть от того, как быстро можно оценить значение полного размаха P_b, и что, в свою очередь, будет зависеть от частоты модуляции фазы. Результаты отношения сигнал/шум также, вероятно, будут влиять в целом на измерение разрешающей способности и на время измерения.

Так как ноу-хау к полю описываемых анализов аналогичны представленной последовательности измерений на каждой из мод, то локальный генератор может быть настроен хотя потенциально очень быстро, это медленнее, чем при фазированной антенной решетке, которая, в основном, находится в реальном времени. Однако есть преимущества метода мод по сравнению с методом фазированной антенной решетки, в котором требуется только одна апертура и одиночный детектор для формирования очень сложной системы измерения когерентного поля. Как таковой метод можно использовать для наращивания возможностей существующей одиночной апертуры и одиночных обнаружительных систем путем добавления локального настраиваемого генератора. Кроме того, фактом является то, что выходные моды с комплексной амплитудой, генерируемые на выходе системы, которая выполняет прямое Фурье преобразование поля объекта, будут иметь значительные преимущества, поскольку предусматривают обработку изображения, распознавание образов и хранение данных. В контексте повышения скорости измерений можно предусмотреть системы, где используется несколько локальных генераторов, которые генерируют различные моды, для проведения одновременных измерений из различных пространственных составляющих поля. Метод модового анализа можно также использовать в системах с фазированной антенной решеткой для того, чтобы получить более высокую разрешающую способность позади каждой субапертуры. Гибридные системы, основанные на комбинации методов фазированной антенной решетки и методов модового анализа, могут привести к новым методам построения когерентных приемников.

На фиг. 9 и 10 приведены расчетные характеристики, на которых полный размах амплитуды сигнала биений, получаемого с помощью детектора 34, изменяется в случае, если объектом является само зеркало, размещенное на выходе волновода 18 под наклоном, который изменяется от -10 миллирадиан до +10 миллирадиан. Фиг. 9 относится к случаю, где преобразователь мод устанавливают так, чтобы получить основную моду ЕН₁₁, а фиг. 10 к случаю, где преобразователь мод устанавливают так, чтобы получить моду EH₁₂. Видно, что максимумы сигнала регистрируются при углах наклона зеркала цели, которые обеспечивают максимальную связь с модой, на которую настроен преобразователь мод. На фиг. 11 и 12 представлены результаты сравнения теоретических расчетов (фиг. 9 и 10) с экспериментально полученными результатами для случая, где преобразователь мод настроен на моды EH₁₁ и EH₂₁, соответственно.

Возможны различные конструкции преобразователя мод, основанного на многомодовых волноводах. По существу, принцип построения преобразователя мод, описанный здесь, представляет собой вариант многомодового волновода на основе интерферометра Майкельсона. Интерферометр используется для разделения входного поля основной моды на две составляющие, которые перед повторным сложением приобретают заданную величину наклона в противоположных направлениях. Вариант многомодового волновода на основе интерферометра Маха-Цендера может выполнить подобную функцию. В вариантах преобразователя мод на основе интерферометров Майкельсона и Маха-Цендера можно достигнуть более высокую чистоту мод с помощью увеличения размера перетяжки входного луча с модой ТЕМ₀₀. Образованные моды будут совершенными, если входное поле является плоской волной. Однако, в случае входного поля ТЕМ₀₀, где ширина входного луча, w, больше чем 0,7а, длина оптической части волновода между входной плоскостью и полностью отражающими наклонными зеркалами может быть целым числом, кратным длине многомодового волновода, необходимой для обеспечения входного поля регенерации. Эта длина многомодового волновода равна L = (2a)²/λ, для полых диэлектрических волноводов.

Наиболее общий вариант осуществления процесса генерации мод достигается с помощью возбуждения двух плоских волн с противоположными наклонами и с соответствующим сдвигом фаз между ними в многомодовом волноводе. Волновод может иметь нулевую длину, то есть апертуру. Наклоненные пучки можно получить с помощью акустооптических или электрооптических модуляторов. В этих вариантах осуществления процессы освещения объекта, генерации мод и анализа поля можно упростить, если они выполняются независимо. В таких вариантах осуществления из выходного луча лазерного источника можно выделить основные и второстепенные составляющие. Основная составляющая может использоваться для освещения объекта, в то время как второстепенная составляющая будет действовать как входной сигнал в генераторе мод. Выходной сигнал генератора мод затем смешивается с полем, которое возвращается от объекта, в разделительном многомодовом интерферометре так, чтобы можно было выполнить анализ.

Возможны также и другие способы генерации излучения с требуемым спектром мод для локального настраиваемого генератора. Например, настраиваемый преобразователь 28 мод можно заменить волноводным лазером с квадратным поперечным сечением, на выходе которого формируется управляемый многомодовый пучок. Моды высшего порядка можно генерировать при помощи изменения способа накачки усилительной среды, наклона зеркал резонатора, изменения длины резонатора и расположения перемещаемой проволочной сетки над зеркалами резонатора. В этой конфигурации для освещения объекта можно использовать отдельный лазерный источник 24, работающий на основной квазигауссовой моде.

Если лазерный источник 24 и лазер с подстройкой мод являются стабилизированными по частоте, чтобы предотвратить относительный дрейф их частот, то они могут иметь сдвиг по частоте относительно друг друга, чтобы генерировать заданный сигнал биений высокой частоты. Тот факт, что разные моды лазера с подстройкой мод имеют разную частоту колебаний, также означает, что моду, генерируемую с помощью лазера с подстройкой мод, можно идентифицировать по частоте биений. Этот факт можно использовать как дискриминант для того, чтобы выполнить синхронизацию лазера с подстройкой мод с данной модой. Например, если мода на выходе лазера изменяется в зависимости от напряжения, подаваемого на контроллер длины пьезоэлектрического резонатора, то можно разработать электрическую схему обратной связи, чтобы сохранить длину резонатора на таком значении, при котором можно получить заданную частоту биений и, следовательно, данную поперечную моду.

Концепция описана в контексте смешивания мод, генерируемых с помощью генератора/преобразователя мод вместе с полем, которое будет анализироваться в многомодовой волноводной структуре и последующего детектирования полученного в результате поля, падающего на детектор, который размещен на выходе многомодового волновода. Процесс смешивания не обязательно проводить в многомодовом волноводе. Смешивание можно выполнить на многослойном диэлектрическом эталоне, установленном в свободном пространстве с результирующим полем, определенным на лицевой стороне детектора, смонтированного в свободном пространстве. Чтобы это осуществление работало правильно, моды, генерируемые с помощью генератора/преобразователя мод, нуждаются в точном отображении на детекторе. Для понимания этого осуществления полезно представить детектор в виде многомодового волновода с нулевой длиной.

До сих пор в описанных вариантах осуществления рассматривался только анализ поля в контексте ортогональных мод волноводов с квадратным сечением. Анализ можно провести для более общего класса мод волноводов с прямоугольным сечением или мод Бесселя волноводов с круглым поперечным сечением. Любой волновод, который поддерживает набор мощных ортогональных мод, можно использовать в качестве анализатора.

До сих пор в описанных вариантах осуществления рассматривался только анализ поля в контексте мощных ортогональных мод волновода. Анализ можно провести в терминах любого набора функций мощного ортогонального оптического поля, которые можно получить на практике. Они могут представлять собой моды Эрмита-Гаусса, заданные относительно прямоугольной системы координат свободного пространства, или моды Лаггера-Гаусса цилиндрической системы координат свободного пространства. В этих вариантах осуществления поперечный размер мод меняется с изменением их порядка. Чем выше порядок мод, тем больше их ширина. В этом случае детектор должен быть достаточно большим, чтобы захватывать моды высшего порядка, которые необходимы для анализа. Это отличается от вариантов осуществления волноводных мод, где поперечный размер всех мод определяется с помощью поперечного сечения волновода.

До сих пор в описанных вариантах осуществления рассматривался только анализ поля, где анализ поля проводился в многомодовом волноводе или в варианте свободного пространства с широко используемым интерферометром Майкельсона. Другие типы интерферометров можно использовать для выполнения процесса анализа поля, включая многомодовый волновод и варианты свободного пространства с интерферометром Маха-Цендера. Также возможно использование интерферометров типа Маха-Цендлера, основанных исключительно на многомодовых волноводах. В этом случае многомодовый волновод с подходящей конструкцией заменяет эталон в описанном здесь варианте осуществления. Представленный в результате всеволновой волноводный интерферометр имеет два многомодовых входных волновода для передачи: (1) поле, которое будут анализировать, и (2) выходного сигнала преобразователя/генератора мод. Эти входные волноводы подводятся к другой более широкой секции многомодового волновода, который предусматривает функцию смешивания. Поля, полученные в процессе смешивания, направляются в два многомодовых выходных волновода. Детектор, размещенный на выходе одного волновода, используется для измерений сигнала биений. Интерферометр всеволнового волноводного типа можно также использовать в качестве основы генератора/преобразователя мод. В интегрально-оптическом исполнении всеволнового волновода для получения линейных фазовых сдвигов с помощью наклоненных зеркал в варианте осуществления, который подробно описан здесь, можно использовать генератор/преобразователь мод, электрооптические модуляторы фазы и устройства ПАВ. Такие модуляторы можно также использовать для обеспечения частотной разности между выходом из преобразователя мод и полем объекта, используемой для анализа.

Анализатор 10 можно включить в решетку подобных анализаторов. Решетка может располагаться для получения отраженного от объекта излучения. Каждый индивидуальный анализатор, такой как 10, может располагаться, чтобы возбуждать набор мод в своем преобразователе мод, таком как преобразователь 28. Например, анализатор 10 можно разместить для обнаружения мод EH₁₁ - EH₁₀, тогда как второй анализатор можно разместить для обнаружения мод EH₂₁ - EH_2,10 и т. д. Это позволяет повысить скорость проведения анализа мод, отраженных от объекта. Такое применение может быть особенно полезно в процессе обнаружения, где необходимо быстро анализировать характер объекта.

Решетка анализаторов, в которой каждый анализатор устанавливается для обнаружения полного спектра мод, может также действовать как альтернативный тип приемника с фазированной антенной решеткой. При таком расположении разрешающая способность поля на любой субапертуре, и следовательно, разрешающая способность всей антенной решетки, будет значительно лучше, чем это достигается с помощью известной фазированной решетки приемника, основанной только на использовании локальных генераторов основной моды на каждой субапертуре.

В вариантах осуществления многомодового волновода с концепцией, описанной выше, многомодовые волноводы были по своему характеру полыми и имели поперечное сечение несколько миллиметров. Такие волноводы имеют воздушную сердцевину, окруженную диэлектрической оболочкой. Для излучения CO₂-лазерного источника с длиной волны 10,6 мкм хорошим материалом оболочки с точки зрения создания волноводов с низкими потерями за счет комплексного характера коэффициента преломления (то есть n < 1 при длине волны 10,6 мкм) является поликристаллическая окись алюминия. При использовании таких диэлектрических материалов многомодовый волновод с полой структурой можно изготовить из ряда пластин из диэлектрического материала. С другой стороны, ее можно сформировать из бруска диэлектрического материала, причем волноводную структуру в бруске получают с помощью травления или механической обработки.

Полые волноводы в интегрально-оптическом исполнении изготавливают на основе твердотельных подложек из поликристаллической окиси алюминия, поставляемых фирмой Куакера Лтд. Япония (Kyocera Ltd of Japan), используя процесс механической обработки с автоматизированной системой управления (АСУ) для получения полых волноводов и прорезей под установку оптических элементов, таких как расщепитель 38 луча и расщепитель 348 луча. Процесс механической обработки с использованием АСУ выполняется в два этапа. На первом этапе, используя процесс грубой фрезеровки, удаляют большую часть избыточной окиси алюминия. На втором этапе используют шлифовальный станок с зажимным приспособлением для выполнения конечной чистовой обработки. Используя этот двухэтапный процесс, можно выполнить прорези для выравнивания оптических элементов с угловым допуском на выравнивание ± 0,5 мрад и можно изготовить полые волноводы, которые обеспечивают точность основной моды со степенью более 98% (определенный с точки зрения связи волновода с волноводом) для ширины волновода 2,0 мм.

Многомодовые волноводы не обязательно должны быть полыми волноводами, они могут иметь твердую сердцевину волноводов и твердую оболочку. В таких волноводах отношение индекса отражения между сердечником и оболочкой располагается так, чтобы позволить волноводу поддержать много мод. GaAs/AIGaAs волноводы могут быть сделаны как многомодные. Структура волновода вытравливается в подходящем слое, используя ионный луч с помощью техники травления. GaAs/AIGaAs волноводы с поперечным сечением несколько микрометров, чтобы поддерживать много мод. В этом контексте интересно отметить, что так как разрешающая способность поля, достигнутая с помощью описанной здесь концепции анализатора, зависит от мод высшего порядка, для которых можно провести измерение, не используя поперечный размер детектора, системы, основанные на волноводах с малым размером, которые поддерживают хороший спектр мод высшего порядка, могут обеспечить очень высокие характеристики анализа поля с высоким разрешением. Такие анализаторы могут быть полезны для когерентной микроскопии и могут быть также очень полезны при проведении измерений поля в точках электромагнитного спектра, где не пригодны детекторные решетки малых размеров.

В описанных ранее вариантах осуществления использовалось излучение CO₂-лазерного источника с длиной волны 10,6 мкм. В принципе, с развитием оптических/волноводных технологий и лазерных/мазерных источников излучения основные концепции можно будет использовать во всем диапазоне электромагнитного спектра.

Осуществление основных концепций не основывается исключительно на использовании лазерных источников. Вместо лазера можно использовать и другие источники квазикогерентного светового излучения с узкой шириной спектральной линии. В этом контексте можно также анализировать свет, поступающий и от удаленных астрономических объектов, в подходящем варианте осуществления анализатора. В таком варианте необходимо иметь две апертуры приемника. Принимаемый световой пучок должен подвергаться модовой фильтрации для того, чтобы получить основную моду на входе преобразователя мод. Выходной сигнал преобразователя мод будет смешиваться с полем, которое поступает из другой апертуры. Так как объем основной моды на входе в преобразователь мод будет меняться в зависимости от изменений составляющей основной моды принимаемого поля, этот факт необходимо контролировать и использовать для внесения соответствующей коррекции в измерение амплитуды моды.

В дополнительном варианте осуществления анализатор можно разместить таким способом, чтобы он действовал как передатчик. С помощью подходящего управления относительными амплитудами и фазами мод на выходах анализатора передаваемый луч можно получить из определенной суммы независимо генерируемых EH_mn мод.

На фиг. 13 изображена лазерная локационная система, показанная в общем позицией 700 и включающая в себя анализатор поля излучения изобретения. Направления поляризации лучей излучения внутри системы 700 показаны стрелками 702 и кружками 704, которые обозначают, соответственно, линейную поляризацию в плоскости чертежа и перпендикулярно к нему. Система 700 содержит CO₂- лазерный источник 706 с выходным лучом 708 излучения с мощностью приблизительно 5 Вт, длиной волны в свободном пространстве 10,6 мкм и диаметром луча 2 мм. Расщепитель 710 луча, изготовленный из селенид-цинковой пластины, на которую с помощью вакуумного напыления наносят диэлектрическое покрытие, лежит в части луча 708 и определяет переданный и отраженный лучи 712 и 714 с соответствующей интенсивностью при отношении 9 к 1. В части передаваемого луча лежат селенид-цинковая пластина 716, наклоненная к части под углом Бревстера, четвертьволновая пластина 718 и телескоп с размещенными вогнутой и выпуклой линзами 720 и 722.

На пути распространения отраженного луча 714 расположены полуволновая пластина 724, акустооптический модулятор 726 и настраиваемый преобразователь 728 мод, который по существу является таким же, как и описанный ранее настраиваемый преобразователь 28. Модулятор 726 производит модуляцию фазы падающего светового пучка с частотой модуляции фазы 60 МГц и с модуляцией в пределах +π и -π радиан. Преобразователь 728 мод имеет выходной луч 730 с управляемой модой, направленный на пластину 732 для совмещения световых пучков, и детектор 734 на основе кадмий-ртуть-теллурида, охлаждаемый жидким азотом и имеющий ширину полосы 500 МГц. Детектор 734 подсоединяется к узлу 736 обработки сигнала, в состав которого входит компьютер (не показан), который подсоединяется, в свою очередь, к входу 738 управления модой преобразователя 728 мод.

Локационная система 700 работает следующим образом. Лазерный луч 708 с линейной поляризацией в плоскости чертежа частично проходит через и частично отражается от расщепителя 710 луча. Прошедший луч 712 падает на селенид-цинковую пластину 716, через которую он эффективно проходит, благодаря своему направлению поляризации, для образования луча, направленного наружу в область 742, расположенную между пластиной 716 и четвертьволновой пластиной 718. Луч, направленный наружу в область 742, по существу проходит через четвертьволновую пластину 718, которая превращает линейно поляризованный луч, направленный наружу, в луч с круговой поляризацией, направленный наружу в область 744, расположенную между четвертьволновой пластиной 718 и вогнутой линзой 720. Луч с круговой поляризацией, направленный наружу в область 744, затем увеличивается с помощью вогнутой и выпуклой линз 720 и 722, для образования коллимированного когерентного увеличенного луча 740. Луч 740 освещает удаленный объект (не показан) на расстоянии, которое может иметь порядок 5 км. Когда луч 740 падает на объект, удаленный на расстояние 5 км, его диаметр равен приблизительно 1 метру в результате расходимости луча. Падающее когерентное излучение отражается или рассеивается из удаленного объекта, и часть отраженного или рассеянного излучения повторно вводится в локационную систему 700 через линзы 720 и 722 для того, чтобы сформировать обратный луч в области 744, при этом интенсивность когерентного излучения, которое повторно вводится в локационную систему 700, составляет приблизительно несколько фемтоватт. Обратный луч из области 744 передается затем через четвертьволновую пластину 718, которая изменяет поляризацию обратного луча с круговой поляризацией в области 744, в обратный луч с линейной поляризацией в области 742. Линейно поляризованный обратный луч в области 742 затем падает на селенид-цинковую пластину 716, которая эффективно отражает составляющие обратного луча в области 742 для того, чтобы сформировать отраженный луч 746, который является ортогонально поляризованным относительно луча, направленного наружу в области 742. Отраженный луч 746, падающий на пластину 732, оттуда отражается на детектор 734 вдоль части 748. Отраженный луч 714 передается через полволновую пластину 724, обеспечивая поляризационную ротацию в π/2 радиан, после которой это передается через акустооптический модулятор в преобразователь 728 мод, который преобразует входное излучение, содержащееся в луче 714, в ряд различных мод, которые индивидуально выделяются с помощью сигнала управления, подаваемого на вход 738 управления мод. Эти моды выводятся в виде луча 730. Луч 730 проходит через пластину 732 для совмещения световых пучков, после чего падает на детектор 734, где он создает интерференционную картину с лучом 746, отраженным от пластины 732, для совмещения световых пучков, при этом излучение, падающее на детектор 734, создает выходной сигнал, который поступает в модуль 736 обработки сигнала. Действие акустооптического модулятора 726, в котором происходит наложение сигнала модуляции фазы с частотой 60 МГц на отраженный луч 714, заключается в создании периодических изменений с частотой 60 МГц в выходном сигнале детектора 734, при этом разность между максимальными и минимальными значениями интенсивности в выходном сигнале детектора 734 обеспечивает показание величины лазерного излучения, отраженного от удаленного объекта, для конкретно выбранный моды излучения, возбуждаемой с помощью настраиваемого преобразователя 728, и для данной выходной мощности лазера 706. Выходной сигнал, вырабатываемый детектором 734, подается в узел 736 обработки, который анализирует сигнал для того, чтобы получить выходные данные, соответствующие разности между максимальными и минимальными значениями интенсивности излучения для каждой моды, которая выбирается посредством сигнала управления, подаваемого на вход 738 управления модами преобразователя 728 мод.

Преимущество этого способа анализа сигналов, как описано выше, заключается в том, что игнорируется средний уровень излучения, которое падает на детектор 734, хотя любые случайные флуктуации этого среднего уровня, возникающие, например, из любых случайных флуктуаций мощности излучения, которые имеет луч 708, излучаемый из лазера 706, будут приводить к эффекту снижения отношения сигнал/шум для выходных данных, который описан. Таким образом, было бы полезным минимизировать связь излучения с лучом 746, который не является результатом отражения когерентного излучения от удаленного объекта, при этом, однако, необходимо гарантировать, чтобы мощность луча 730, выходящего из преобразователя 728 мод, по меньшей мере была бы больше, чем максимальная мощность, ожидаемая в принимаемом излучении, которое отражается от удаленного объекта и которое повторно вводится в лазерную локационную систему 700 для того, чтобы гарантировать, что разность между максимумами и минимумами в сигнале детектора 734 пропорциональна величине отраженного от удаленного объекта излучения и не ограничена имеющейся мощностью луча 730, выходящего из настраиваемого преобразователя 728 мод. Мощность луча 730 может быть порядка одного милливатта, которая гарантирует, что шум в сигнале детектора 734 возникает скорее преимущественно из-за случайных флуктуаций мощности луча 730, чем из шума, образующегося в самом детекторе 734. Удовлетворительное разделение излучения в луче 708 достигается с помощью выбора подходящего коэффициента деления 9:1 для расщепителя 710 луча и тем, что в состав лазерной локационной системы 700 входит пластина 716 и четвертьволновая пластина 718, чтобы изолировать компоненты излучения, выходящие к и возвращающиеся от удаленного объекта. Настраиваемый преобразователь мод 728 разрешает особое пространственное присутствие мод в излучении, отраженном от удаленного объекта при выборочном измерении, влияние сигналов не происходит у детектора 734, если моды выходящего излучения в лучах 746 и 730 различны. Таким образом, лазерная локационная система 700 допускает присутствие в отраженном от объекта излучении типа мод и энергии, содержащейся внутри каждой моды, которые будут в дальнейшем измеряться.

Две линзы 720 и 722 обеспечивают приблизительно 20-кратное увеличение диаметра луча 712, при этом луч 740 имеет приблизительно диаметр 5 см с учетом уменьшения эффектов дифракции, которые возникают, если использовать узкий луч, направляемый на удаленный объект, с диаметром, например, несколько миллиметров.

Лазерная локационная система 700, как описано выше, позволяет проводить идентификацию признаков, присутствующих в удаленном объекте, на который направляют луч 740, на основании мощности излучения и мод, содержащихся в отраженном или рассеянном излучении, которое повторно вводится в локационную систему 700 от удаленного объекта, классифицируя при этом признаки удаленного объекта.

В модифицированном варианте осуществления лазерной локационной системы 700 настраиваемый преобразователь 728 мод скорее выводит одновременно ряд мод в выходном луче 730, чем отдельные чистые моды, как описано выше. В этом дополнительном варианте осуществления модовый состав луча 730 изменяется посредством сигнала управления, подаваемого на вход 738 управления модами преобразователя 728 мод. Вклад, который дает каждая мода, присутствующая в луче 730, одновременно с интерференционным сигналом, который измеряется в детекторе 734, определяется затем с помощью проведения ряда измерений, где относительные интенсивности мод, присутствующие в луче 730, изменяются для каждого из измерений. Посредством вычисления матрицы вместе с априорным знанием модового состава луча 730 для данного сигнала управления, подаваемого на вход 738 управления модами, можно определить интенсивность отдельной моды, присутствующей в отраженном излучении удаленного объекта.

В другом модифицированном варианте осуществления лазерной локационной системы 700, между линзой 722 и удаленным объектом можно добавить узел сканирования луча, содержащий приводные наклоняемые зеркала для того, чтобы обеспечить сканирование луча 740 в зоне удаленного объекта, которая больше, чем диаметр луча 740 на удаленном объекте. Кроме того, переменный аттенюатор можно установить между преобразователем 728 мод и пластиной 732 для совмещения световых пучков для того, чтобы обеспечить работу лазерной локационной системы 700 в большом диапазоне мощности от фемтоватт до милливатт, которую имеет отраженное или рассеянное излучение, которое повторно вводится в лазерную локационную систему 700 через линзы 720 и 722.

Основную концепцию, описанную здесь, можно также использовать как основу системы связи, в которой отдельные моды модулируются по фазе, частоте или амплитуде перед мультиплексированием и передачей через многомодовую среду распространения. Информацию, которая переносится каждой модой, можно затем извлечь средствами когерентного смешивания с соответствующим выходом генератора мод.

Реферат

Анализатор поля излучения предусматривает средство для анализа спектра пространственных мод излучения, принимаемого от объекта. В варианте осуществления многомодового волновода световой пучок, выходящий из лазера, направляют непосредственно на объект через волноводную структуру из окиси алюминия. Часть опорного лазерного пучка направляют непосредственно на генератор мод, который выборочно преобразовывает лазерное излучение в одну из ряда мод. Лазерный пучок, отраженный от объекта, смешивают со световым пучком, выходящим из генератора мод, для получения интерференционных сигналов. Эти сигналы измеряют с помощью детектора и анализируют с помощью программируемого компьютера. Путем последовательного изменения моды, которая вырабатывается с помощью генератора и анализа полученных в результате сигналов, получают спектр мод излучения, отраженного от объекта. Техническим результатом является создание анализатора поля излучения, используемого для классификации объектов. 2 с. и 14 з.п.ф-лы, 13 ил.

Формула