Общие принципы управления лазерным излучением

Под модуляцией обычно понимается управление временными параметрами излучения (частотой, амплитудой, фазой, характеристиками импульсов), а под сканированием — пространственными (отклонение направления распространения излучения от первоначального положения оптической оси). Поскольку методы управления — как теми, так и другими характеристиками — имеют много общего, не будем их разделять и объединим под общим названием «пространственно-временная модуляция лазерного излучения» (ПВМЛИ). Гостированным термином является ПВМС (пространственно-временная модуляция света), однако по возможности не будем его употреблять, имея в виду, что, во-первых, слово «свет» малопригодно за пределами видимого диапазона, во-вторых, наше внимание будет в основном уделяться управлению параметрами именно лазерногоизлучения, хотя для ПВМС наличие высокой степени когерентности в исходном излучении не является обязательным.

Методы ПВМЛИ претерпели особенно бурное развитие в 60-е годы минувшего века, обозначив новое направление в оптоэлектронике. К середине 80-х годов ПВМЛИ из атрибута научных лабораторий превратились в предмет промышленного производства, пользующийся обширным спросом. Исследования и разработки ПВМЛИ шли параллельно с развитием квантовой электроники и с развитием оптоэлектронных методов преобразования и обработки больших массивов информации; все эти процессы оказывали друг на друга взаимное плодотворное влияние.

В принципе методы пространственно-временной модуляции излучения были известны и до появления лазеров. В большинстве случаев они основываются на применении механических устройств или изменении оптических характеристик среды, через которую проходит электромагнитная волна.

Перечислим наиболее употребительные из них:

— изменение интенсивности направления распространения излучения с помощью отклонения зеркал и шторок;

— модуляция фазы или поляризации на основе изменения показателя преломления оптической среды в результате электрооптических или акустооптических эффектов в кристаллах или керамике, переориентации молекул жидкого кристалла;

— модуляция поляризации либо вращение плоскости поляризации в результате магнитооптических эффектов;

— фазовая модуляция излучения при изменении показателя преломления в случае фазовых переходов второго рода в оптических средах, температурных изменений, фотовозбуждения полупроводниковых материалов;

— фазовая модуляция в результате изменения геометрических характеристик материала при деформациях (электрострикционного или пьезоэлектрического эффектов, наведенных статических зарядов);

— модуляция или отклонение излучение с использование акусто-оптических эффектов;

— амплитудная модуляция на основе изменения характеристик поглощения или рассеяния среды.

Рассмотрим кратко физические принципы, заложенные в основу перечисленных методов ПВМЛИ.

Прежде всего, необходимо задать требования к рабочему материалу. Несмотря на то, что для каждого из перечисленных выше методов выбор материала должен основываться на конкретном предназначении модулятора, можно сформулировать общие требования, обязательные для всех методов [1]. Именно:

1) Максимальная эффективность преобразования , где — интенсивность управляющего сигнала на входе модулятора, — переменная составляющая интенсивности выходного сигнала, при максимальной глубине модуляции, реализуемая в возможно более широком спектральном диапазоне. Величина η выражается в процентах или относительных единицах.

2) Максимальная глубина модуляции и высокое значение оптического контраста (или отношения сигнал/шум на выходе).

3) Высокая чувствительность по отношению к управляющему сигналу, необходимая для уменьшения энергетических затрат при переключении элементов ПВМЛИ. Она характеризует энергию или мощность управляющего сигнала, необходимую для изменения оптических свойств элемента ПВМЛИ до определенного уровня, служащего в данном случае критерием измерения чувствительности.

Обычно при амплитудной модуляции указывается достижение определенного уровня отношения сигнал/шум, например, максимального, равного e (основание натуральных логарифмов) или единице (порог обнаружения); при фазовой модуляции чувствительность характеризуется по изменению фазы на π, что соответствует максимальной глубине модуляции при последующем его преобразовании в амплитудно-модулированный; в оптически управляемых ПВМЛИ чувствительность оценивают по энергии управляющего сигнала, необходимой для достижения 1% дифракционной эффективности и т.п.

4) Отсутствие усталости в течение периода эксплуатации ПВМЛИ, которая приводит к ухудшению модуляционной характеристики, неприемлемому для дальнейшего использования.

5) Быстродействие модулирующего элемента, обеспечивающее необходимую скорость ввода-вывода информации и преобразования всего массива данных. Требования быстродействия обычно вытекают из необходимости обеспечения заведомо большей пропускной способности оптических каналов по сравнению с электронными.

6) Высокая пространственная разрешающая способность, обеспечивающая формирование на единице площади материала максимальное число отдельно разрешимых элементов. Обычно является характеристикой первоочередной важности для оптически управляемых ПВМЛИ, где критериями измерения служит оптический контраст или дифракционная эффективность, и измеряется значением пространственной частоты (линий на миллиметр), при которой значения указанных параметров снижаются до определенного уровня (обычно 0,5 от максимума [2,3]).

Кроме перечисленных общих требований, имеется ряд специфических (эффект памяти, технологичность, пороговые свойства, оптическая чистота и т.п.), которые должны определяться количественно при выборе конструкции ПВМЛИ.

Остановимся теперь на принципиальных особенностях методов ПВМЛИ.