Акустооптические модуляторы света

Принцип действия акустооптических модуляторов света. Дифракция света на акустооптических волнах. Основы осуществления питания акустооптических модуляторов
Мосалев Владислав
Борисов Михаил
Группа B3430

Акустооптический модулятор света
Принцип действия
Тонкий модулятор
Брэгговский режим
Характеристики АОМ
Материалы, используемые для изготовления АОМ
Конструкция прибора
Применение

Акустооптический модулятор света
Устройство для изменения интенсивности пропускаемого света, вследствие его дифракции на решётке, образуемой в стекле в результате пространственной модуляции показателя преломления акустической волной.

Принцип действия
Принцип действия АОМ основан на дифракции света на бегущей ультразвуковой волне в оптически прозрачном материале (стекле). Бегущую ультразвуковую волну создает пьезоэлектрический преобразователь, присоединённый к стеклянной пластине.

Благодаря появлению участков сжатия и растяжения, возникающих в стекле и различающихся показателем преломления, в среде формируется дифракционная решётка. Световой пучок, дифрагируя на решётке, образует несколько выходных пучков (дифракционных порядков), разнесённых в пространстве под равными углами относительно друг друга.

При помощи апертуры из всех выходных лучей выделяется первый максимум, который существует только при наличии звуковой волны в модуляторе, и блокируются все остальные

В толстом модуляторе при правильном выборе угла падения входного луча и благодаря условию синхронизма можно возбудить в основном первый (или минус первый) порядок дифракции. Промышленность выпускает толстые модуляторы, так как они требуют звуковую волну меньшей мощности. Высокая эффективность дифракции в толстых модуляторах достигается из-за более широкой дифракционной решётки.

Тонкий модулятор (дифракция Рамана-Ната)

Брэгговский режим (толстый модулятор)
Практический интерес представляет случай, когда свет (лазерный пучок) направляется на стекло под углом Брэгга. При этом наблюдается дифракция Брэгга, при которой интенсивности всех дифракционных максимумов, кроме первого, становятся малыми.

Характеристики АОМ
Дифракционный угол
Интенсивность
Частота
Фаза
Поляризация
Быстродействие

Дифракционный угол

Интенсивность
Интенсивность дифрагированных лучей зависит от интенсивности звуковой волны и угла поворота модулятора (Брэгговского угла). Модулируя интенсивность звуковой волны можно менять (нелинейно) интенсивность дифрагированных лучей. Как правило, интенсивность луча нулевого порядка меняется в пределах 15—99 %, а интенсивность первого порядка — 0—80 %. Контрастность модуляции часто превышает 1000 и может легко достигать 10 000 (40 дБ).

Частота

Фаза
Фаза дифрагированных лучей также смещается на величину фазы звуковой волны.
Поляризация
Звуковая волна наводит двулучепреломление в стекле, поэтому поляризация света после прохождения модулятора может изменяться.

Быстродействие

Чем меньше пятно фокусировки, тем лучше быстродействие АОМ, поэтому обычно модулятор размещается в фокусе линзы, при этом выходные лучи коллимируются второй линзой. Толстый модулятор требует применения длиннофокусной линзы; при правильной компоновке и юстировке возможно достичь быстродействия в примерно 20 нс. АОМ может работать в режиме модулятора и дефлектора (т. е. также отклонять по углу падающий луч при изменении частоты звуковой волны).

Материалы, используемые для изготовления АОМ
Халькогенидное стекло
Флинт SF-6
Кварцевое стекло
Фосфит галлия
Германий
Фосфат индия
Ниобат лития
Диоксид теллура

Конструкция прибора
Оптически полированное стекло с помощью пайки под давлением соединяется с пьезопреобразователем, изготовленным из ниобата лития. Толщина пластины ниобата лития выбирается исходя из требуемой частоты модуляции (вплоть до 1 ГГц). Противоположная грань стеклянной пластины спиливается под углом, так что отраженная звуковая волна уходила в сторону, чтобы не возникала стоячая волна. Более того, на этой грани обычно размещается брусок из звукопоглощающего материала.

АОМ обычно размещается в металлическом корпусе с отверстиями для ввода-вывода света и РЧ-разъёмом для подачи модулирующего сигнала (обычно SMA или BNC). Возможно также исполнение прибора с волоконными входами и выходом, что позволяет его легко интегрировать в системы, работающие с оптоволокном.

Применение
АОМ используются для быстрой модуляции и отклонения лазерных лучей, поэтому они находят широкое применение в оптических лабораториях как простой способ модулирования лазерного луча (высокоскоростной затвор). Использование АОМ внутри резонатора лазера позволяет управлять потерями резонатора и осуществлять активную модуляцию добротности или синхронизацию мод лазера.

Дифракция света на акустооптических волнах

Акустооптический эффект
Акустооптический эффект, известный в научной литературе также как акустооптическое взаимодействие или дифракция света на акустических волнах, был впервые предсказан Бриллюеном в 1921 году и затем экспериментально обнаружен Люка, Бикаром и Дебаем, Сирсом в 1932 году.

Для падающего света среда с показателем преломления представляет собой дифракционную решетку, движущуюся со скоростью звука V. Проходя через такую среду, свет дифрагирует на неоднородностях показателя преломления, формируя в дальней зоне характерную дифракционную картину.

При рассмотрении дифракции света на монохроматической акустической волне в первую очередь выделяют два предельных режима: раман-натовский и брэгговский.

Четко выделенной границы между двумя описанными режимами дифракции не существует. С увеличением частоты ультразвука угловая селективность акустооптического взаимодействия возрастает, а число наблюдаемых дифракционных максимумов постепенно уменьшается. Традиционно раман-натовский и брэгговский режимы определяются условиями Q << 1 и Q >> 1 соответственно, где Q - параметр Кляйна-Кука. Поскольку только один дифракционный максимум используется в акустооптических устройствах (как правило, первый порядок), то брэгговский режим более предпочтителен из-за малых световых потерь. Но с другой стороны, акустооптическая селективность, присущая брэгговскому режиму, ограничивает частотный диапазон акустооптического взаимодействия и, как следствие, быстродействие акустооптических устройств и их информационную емкость.

Но с другой стороны, акустооптическая селективность, присущая брэгговскому режиму, ограничивает частотный диапазон акустооптического взаимодействия и, как следствие, быстродействие акустооптических устройств и их информационную емкость.