Анотація до роботи:

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 = 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 = 0,95.

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 = 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 ;

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 -хвиля, в електрооптичному кристалі - -хвиля;

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

- електричні компоненти і 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:

- для ЕОМ з міді М1 при = 950: ;

- для ЕОМ з латуні Л-62 при = 650: ;

- для ЕОМ з інвару 36H+Ag при = 950: ,

де і вимірюється в градусах Цельсія, - у ватах.

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

- установити залежності резонансної частоти ЕОМ від потужності мікрохвильового накачування:

при -10 ⁰C 40 ⁰C і

при 40 ⁰C 90 ⁰C,

де вимірюється в градусах Цельсія, - у кілогерцах;

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

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

,

де вимірюється в градусах Цельсія, - безрозмірна величина;

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

- для ЕОМ з міді М1 та інвару 36H+Ag: = 1,3 Вт, = 4,5 Вт;

- для ЕОМ з латуні Л-62: = 2 Вт, = 7,0 Вт.

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 = 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.

Публікації автора:

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.