Акустооптические модуляторы

Деформация эллипсоида оптической индикатрисы возможна не только за счет электрооптического эффекта, но и за счет механических напряжений. Соответствующие изменения обратных показателей могут быть записаны в тензорном виде подобно (13.2):

, (13.17)

где — компоненты вектора упругой деформации, — упругооптические коэффициенты.

При одномерной деформации фотоупругая среда (кристалл, стекло, даже жидкость) становится подобной одноосному двулучепреломляющему кристаллу с оптической осью, направленной вдоль оси деформации, причем

, (13.18)

где — показатель преломления среды в отсутствие деформации, — эффективный упругооптический коэффициент.

Наибольшие значения упругооптических коэффициентов имеют монокристаллы (ниобат лития, сернистый мышьяк, парателлурид и ряд других; в промышленно выпускаемых модуляторах используется более 60 типов монокристаллов [6]).

Конструктивно акустооптический модулятор представляет собой пластину или кювету, которая одной из боковых сторон контактирует с пьезоэлектрической пленкой или пластинкой, возбуждающей акустические колебания при приложении к ней переменного электрического напряжения соответствующей частоты (рисунок 13.6).

Используются амплитудные акустооптические модуляторы двух типов: двулучепреломляющие и дифракционные. Более часто используемые дифракционные модуляторы работают на эффекте дифракции лазерного излучения на периодическом распределении показателя преломления, создаваемом в акустооптической ячейке бегущей или стоячей акустической волной. При этом образуется, очевидно, фазовая дифракционная решетка, условие главных максимумов которой

(13.19)

Здесь Λ — длина акустической волны, λ — длина волны оптического излучения в материале ячейки, m — номер максимума дифракции.

Вообще расчет распределения интенсивности на выходе акустооптической ячейки представляет довольно сложную с точки зрения математических выкладок задачу. С различными вариантами ее решения можно ознакомиться в соответствующей литературе (например, [11]), здесь же мы воспользуемся упрощенной формулой, полученной для дальней зоны пучка проходящего света [1]:

(13.20)

В (13.20) обозначено: — интенсивность оптического сигнала в m-м порядке дифракции, — интенсивность падающей световой волны, — функция Бесселя m-го порядка с аргументом, определяемым параметрами акустооптической ячейки:

, (13.21)

где — акустическая мощность, — плотность среды, — площадь поперечного сечения акустического столба, — скорость звука в среде.

Дифракционные модуляторы с нормальным падением пучка лазерного излучения на плоскость акустической ячейки применяются сравнительно редко из-за неудобств, связанных с наличием большого числа дифракционных максимумов и сильного фона недифрагированного излучения. Эффективность модуляции можно существенно улучшить, выполнив условие Брэгга (см. рисунок 13.6), когда интенсивности всех максимумов, кроме минус первого, становятся пренебрежимо малыми. В этом случае лазерный пучок следует направить на акустический столб под углом , а направление максимума минус первого порядка, по которому следует регистрировать амплитудно-модулированный сигнал, определяется из условия , т.е. . Физически это означает резонансное отражение лазерного излучения от решетки плоскостей с одинаковым показателем преломления. При изменении частоты акустического сигнала условие брэгговской дифракции выполняется для другой длины волны излучения, т.е. акустооптический модулятор может работать как перестраиваемый оптический фильтр. Для анизотропных кристаллов указанные соотношения выполняются при учете поляризации излучения.

Быстродействие дифракционных модуляторов ограничено конечным временем пробега акустической волной сечения лазерного пучка и составляет около 0,2 Ω. Акустическая частота, в свою очередь, определяется выбором типа пьезопреобразователя. Типичные параметры акустооптического преобразователя [1]: акустическая частота 750 Мгц, время оптического отклика 10 нс, эффективность (в брэгговском режиме) 70% на длине волны 632 нм при электрической мощности, вкачиваемой в преобразователь, около 0,5 Вт. Использование акустооптических модуляторов в резонаторе лазера целесообразно при работе в режиме накопления инверсной населенности, при импульсно-периодической модуляции добротности, в режиме разгрузки резонатора и т.п. Главным их достоинством является высокая эффективность преобразования энергии задающего генератора в энергию модулированного сигнала.

Обзор методов модуляции лазерного излучения можно развернуть в большой курс, включающий анализ влияния различных факторов на оптические характеристики модулирующих сред (изменение показателя преломления при изменении температуры; фазовая модуляция при изменении рельефа поверхности, иначе называемая мембранной модуляцией; модуляция на основе управления поглощением и рассеянием среды; модуляция на основе использования фоточувствительных материалов, таких, как фотохромные и халькогенидные стекла и т.п. [1]), но в данном случае целесообразно ограничиться наиболее распространенными вышеперечисленными методами.