Interested Article - Акустооптический модулятор
![](/images/008/282/8282878/1.jpg?rand=487562)
![](https://cdn.wafarin.com/avatars/fa27ef3ef6570e32a79e74deca7c1bc3.jpg)
- 2021-12-18
- 1
![](/images/008/282/8282878/1.jpg?rand=665177)
1 — входной луч.
2, 9 — фокусирующие линзы.
3 — оптический прозрачный твёрдый материал. Скошенная сторона препятствует отражению звука в обратном направлении и формированию стоячей волны .
4 — звукопоглощающий материал.
5 — бегущая звуковая волна и созданные ей периодические изменения показателя преломления среды.
6 — пьезоэлектрический излучатель, преобразующий электрический сигнал в ультразвуковую волну.
7 — проходящий луч (максимум нулевого порядка дифракции ).
8 — отклонённые лучи (максимумы прочих порядков дифракции), которые возникают только при наличии звуковой волны.
10 — выходной луч, существует только при подаче сигнала на излучатель 6 .
11 — апертура выделяющая только требуемый дифракционный максимум.
Акустоопти́ческий модуля́тор (АОМ) — 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 (см. рисунок сверху).
В зависимости от толщины стеклянного тела АОМ имеет некоторые отличия в работе. В тонком модуляторе принцип работы не отличается от того как это описано ранее, но в толстом — необходимо учитывать условия , , где — волновой вектор падающего излучения, и — волновые вектора звуковой и оптической, дифрагировавшей в первый порядок, волны. 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)
При ортогональном падении света на поверхность кристалла проходящий свет c длиной волны и звуковой волной — дифрагирует под углом в несколько дифракционных порядков :
![](/images/008/282/8282878/11.jpg?rand=107451)
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
Длина звуковой волны в стекле равна:
- где — скорость звука (см. таблицу ниже), — частота звука.
При частоте модуляции 80 МГц (самая распространенная частота АОМ) и скорости звука в стекле 3,2 км/с, длина волны звука в стекле составляет мкм, а угол отклонения дифрагированного луча первого порядка равен около 10 миллирадиан.
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
Частота дифрагированных лучей вследствие эффекта Доплера изменяется по формуле:
Такое смещение частоты обусловливается также законом сохранения энергии и импульса (фотонов и фононов). В некоторых АОМ акустические волны, распространяющиеся в противоположных направлениях, создают стоячую волну, в результате частоты дифракционных порядков не меняется.
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
Быстродействие АОМ ограничивается временем прохождения звуковой волны через сечение светового пучка где — поперечный размер лазерного луча, — скорость звука в материале ячейки) и составляет порядка 2—10 мкс для коллимированного лазерного луча диаметром несколько миллиметров. 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 (то есть также отклонять по углу падающий луч при изменении частоты звуковой волны).
Материалы, используемые для изготовления АОМ
Материал | Оптический диапазон, мкм | Показатель преломления | Скорость звуковой волны, км/с | Добротность 10 −15 м 2 /Вт |
---|---|---|---|---|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Конструкция прибора
![](/images/008/282/8282878/21.jpg?rand=172069)
Оптически полированное стекло с помощью пайки под давлением (metal pressure bonding) 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 выполняется под углом к распространению ультразвуковой волны, так что отраженная волна отклонялась в сторону, чтобы не возникала стоячая волна. Кроме того, на этой грани обычно размещается брусок из звукопоглощающего материала.
АОМ обычно размещается в металлическом корпусе с отверстиями для ввода-вывода пучка света и радиочастотным разъёмом для подачи модулирующего сигнала (обычно это разъём SMA или BNC ). Возможно также исполнение прибора с волоконными входами и выходом, что позволяет его легко применять в оптоволоконных системах .
Частота модуляции АОМ определяются упругооптическими свойствами акустической среды и может достигать 350 МГц (эффективность АОМ на такой частоте невелика — порядка 10—20 %).
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.
АОМ с коллинеарным пучком именуется AOPDF , он способен формировать спектральную фазу и амплитуду ультракоротких лазерных импульсов.
Изготовители
См. также
![](https://cdn.wafarin.com/avatars/fa27ef3ef6570e32a79e74deca7c1bc3.jpg)
- 2021-12-18
- 1