Акустооптические модуляторы — справочник студента

Так как фазовые скорости света ux' и uy' в электрооптических кристаллах (n=c/u) являются функциями напряженности поля Е, то, изменяя E можно осуществлять фазовую модуляцию света, поляризованного по осям OX' и OY'.

Пусть световой луч, поляризованный по оси OX' распространяется вдоль направления OZ’. Тогда свет, пройдя путь l вдоль оптической оси кристалла, относящегося к кристаллографическому классу 42m, приобретает с учетом (5.6а) фазовую задержку d:

d=2p (nx'-n0)l/l=(pn03r63El) /l=(pn03r63U) /l (5.7)

где l — длина волны света; U-приложенное к кристаллу напряжение. Как видно из (5.7) фазовая задержка d зависит от U, что позволяет осуществить фазовую модуляцию света прошедшего через кристалл.

Пусть падающий на кристалл свет поляризован линейно вдоль направления OX.

Пройдя путь l, эти компоненты приобретают разность фаз Г, равную разности соответствующих фазовых задержек:

Приобретенная в кристалле разность фаз определяет состояние поляризации вышедшего из кристалла излучения. При отсутствии напряжения (Г=0) поляризация света на выходе из кристалла совпадает с поляризацией исходной волны.

При достижении Г=p/2 свет обладает круговой поляризацией, а при Г=p поляризация света ортогональна поляризации с поляризацией исходной волны.

Зависимость характера поляризации света Р, прошедшего через кристалл, от фазовой задержки Г представлена на таблице. 5.1.

Таблица 5.1.

Напряжение, соответствующее значению Г=p, называется полуволновым напряжением: Ul/2=l/(2no3r63). (5.9)

Запишем выражение (5.9) в виде: no3r63 Ul/2=l/2, (5.10)

откуда следует, что полуволновое напряжение – это напряжение, необходимое для получения разности хода в кристалле равное l/2. Полуволновое напряжение является одним из основных характеристик электрооптических модуляторов.

Таким образом, при изменении напряжения осуществляется модуляция поляризации света. Для получения амплитудной модуляции необходимо модулированный по поляризации свет пропустить через анализатор.

Рис.5.3. Оптическая схема электрооптического модулятора. 1.поляризатор, 2.электрооптический кристалл, 3 анализатор.

Пусть плоско–поляризованный свет падает на систему кристалл-анализатор, показанной на рис.5.3. Если плоскости анализатора и поляризация падающего на кристалл света взаимно перпендикулярны, то интенсивность света на выходе системы будет равна: I=I0sin2G/2, (5.11)

где G — разность фаз, I0­­ –интенсивность падающего света. Зависимость (5.11) называется модуляционной характеристикой ЭОМ.

Режимы работы и конструктивные особенности электрооптических модуляторов

Рассмотрим схемы использования электрооптического эффекта для целей модуляции добротности резонатора лазера. В лазере ЭОЗ обычно перекрывает одно из зеркал резонатора, чаще всего зеркало (1) с коэффициентом отражения ~100 % (рис.5.4.).

Рис.5.4. Схема лазера с ЭОЗ в полуволновом режиме. 1,6 – зеркала резонатора; 2,4 – поляризатор и анализатор, соответственно; 3 – электрооптический кристалл(ячейка Поккельса); 5 – активный элемент.

Если оси поляризатора и анализатора параллельны, то затвор закрывается при подаче на ячейку Поккельса полуволнового напряжения (Ul/2), так как в этом случае вышедшей из электрооптического кристалла луч поляризован ортогонально оси анализатора. Затвор открывается при сбросе напряжения.

Если же оси скрещены, то затвор закрыт при отсутствии напряжения и открыт при наличии полуволнового напряжения на ячейке Поккельса. Чаще всего используется ЭОЗ в режиме сброса напряжения, ввиду не критичности к амплитуде управляющего импульса.

Это связано с тем, что для срыва генерации лазера не обязательно полностью зак­рывать затвор, а достаточно внести потери, превышающие усиление в резонаторе. Затем достаточно подать импульс напряжения, с амплитудой равной запирающему напряжению (с обратным знаком), которая может быть значительно меньше Ul/2.

Во втором режиме, для обеспечения минимальных потерь в момент генерации, необходимо на затвор подать импульс напряжения с амплитудой, точно равной Ul/2. На рис.5.4. показана схема подачи напряжения на электроды затвора.

Резистор R имеет сопротивление порядка единиц Mом, а емкость С выби­рается из условия С>>Сз, где Сз — емкость затвора (20-100 пФ). Обычно С»103 пФ. Электроды наносятся на грани модулирующего элемента токопроводящей пастой.

Управляющее напряжение можно уменьшить в два раза, если использовать электрооптический модулятор в четвертьволновом режиме. В этом случае на ячейку Поккельса (2) подается постоянное четвертьволновое напряжение (Ul/4), вследствие чего при однократном прохождении через кристалл луч приобретает круговую поляризацию (рис.5.5.).

Рис. 5.5. Схема использования электрооптического

кристалла в четвертьволновом режиме.

При обратном прохождении через кристалл отраженного от зеркала (1) луча с круговой поляризацией, луч приобретает поляризацию, ортогональную исходной и не пропускается поляризатором (3), т.е. затвор закрыт. Затвор открывается при подаче импульсного напряжения обратной полярности.

Модуляторы, основанные на ячейках Поккельса, обладают высокой контрастностью и позволяют модулировать оптическое излучение с частотой до нескольких гигагерц.

Однако они имеют относительно высокое полуволновое напряжение (единиц киловольт в ближней ИК-области спектра), что затрудняет их непосредственное использование в современных системах передачи информации. Ранее применялись модуляторы на основе ячейки Керра ( n=BnE2 – квадратичный электрооптический эффект), но при этом к ней приходилось прилагать еще большее напряжение – до 20 кВ.

Рис.5.6. Электрооптический модулятор с одномодовыми диффузными волноводами.

Модуляция, и переключение оптического излучения в системах волоконно-оптической связи осуществляется также электрооптическими модуляторами, но изготовленными применением современных микроэлектронных технологий. Для этого в электрооптическом материале образуют тонкопленочные и диффузные диэлектрические волноводы.

Тонкопленочные волноводы состоят из однородной пленки толщиной порядка длины световой волны, нанесенной методом катодного распыления на однородную подложку с более низким показателем преломления.

Диффузные волноводы изготавливают методом обратной диффузии Li2O из монокристаллов LiNbO3 и LiTaO3, а также диффузией некоторых элементов в подложку, например атомов Ti (титан) в монокристалл LiNbO3. В этих волноводах в отличие от тонкопленочных волноводов отсутствует четко выраженная граница между волноводным слоем и подложкой, т.е.

Электрооптический модулятор, представленный на рис.5.6 (а) имеет две ветви оптического пути. В данной конструкции силовые линии приложенного электрического поля (рис.5.6.

б) в волноводах имеют противоположные направления, что позволяет увеличивать скорость распространения световой волны в одной ветви и уменьшать во второй ветви волновода.

Таким образом можно уменьшить управляющее напряжение модулятора до 8 В на 1 см длины пути луча.

Акустооптические модуляторы

Принцип действия акустооптического модулятора основан на зависимости показателя преломления оптической среды от внешнего давления (эффект фотоупругости).

Под действием ультразвуковых волн (f»104¸1013 Гц) благодаря фотоупругости происходит модуляция показателя преломления среды, вследствие чего среда приобретает свойства оптической фазовой решетки, период которой равен длине акустической волны.

Примером таких материалов являются кристаллы ТеО2 (диоксид теллура), LiNbO3 (ниобат лития), PbMoO4 (молибдат свинца) и т.д. В этих кристаллах давление создается акустическими волнами, генерируемыми пьезоэлектрическим преобразователем.

Рис.5.7. Ход лучей в акустооптическом модуляторе.

Ход лучей в акустооптическом модуляторе имеет вид, показанный на рис. 5.7.

Акустические волны созданные генератором (пьезоэлектрический кристалл) образуют ряд горизонтальных линий с одинаковыми показателями преломления, так называемую решетку Брэгга.

Она перемещается со скоростью Uак и обеспечивает отражение входного луча.

Акустическая волна, распространяющаяся в оптически прозрачной среде, вызывает периодическое изменение его показателя преломления n:

• такую среду можно рассматривать как фазовую дифракционную решетку с периодом, равным длине ультразвуковой волны , где K=W/Uак -волновое число, W-циклическая частота, Uак — скорость акустической волны .
• Характер дифракции света на акустических волнах существенно зависит от параметра .

В случае наблюдается дифракция Брэгга. Дифракционная картина Брэгга состоит из двух максимумов: нулевого и первого порядков дифракции. Отражение происходит при определенных углах, так называемых углах Брэгга.

Если шаг решетки 2s равен оптической длине волны света в материале, тогда: (5.12)

и происходит интерференция всех отраженных волн. Здесь L=Uак/ -длина акустической волны; — частота генератора акустических волн, -угол Брэгга в кристалле, m-дифракционный порядок; -длина оптической волны, n-показатель преломления материала.

Как видно из формулы (5.13) при Uак =const. угол Брэгга зависит только от частоты генератора акустических волн и оптической длины волны .

При модуляции мощности генератора акустических волн происходит модуляция интенсивности отклоненного светового луча. Интенсивность отклоненного светового луча в первом максимуме выражается как:

(5.14)

где — геометрические размеры акустического волнового пучка; -акустическое качество материала; Pак – акустическая мощность. Как видно из формулы (5.14), увеличивая Pак можно в принципедобиться 100% — ной эффективности модулятора. Акустическое качество зависит от следующих физических характеристик материала: , (5.15)

где — плотность среды; -компонента тензора наведенной анизотропии.

Соотношение (5.14) является модуляционной характеристической акустооптического модулятора света.

1. Акустооптический модулятор характеризуется следующими параметрами: 1) Нелинейная функция преобразования, которая позволяет определить рабочую точку для обеспечения необходимого значения контрастности и глубины модуляции лазерного излучения:
2. , (5.16)
3. где fM – частота модуляции; f0=0,35/t; t=0,85Vak/L – длительность фронта нарастания акустической волны.

Рис. 5.8. Примеры нелинейной функцией преобразования. 1- f0 = 80 MГц; 2 – f0 = 200 MГц; 3 – f0 = 800 МГц.

2) Контрастность модуляции лазерного излучения, определяемая отношением его максимальной интенсивности, прошедшего через модулятор к минимальному значению: , (5.17)

3) Глубина модуляции оптического излучения, которая определяется как: . (5.18)



Источник: https://infopedia.su/10x411b.html

акустооптический модулятор света

Изобретение относится к акустооптическим модуляторам света (АОМ) на стоячих упругих волнах, предназначенным для осуществления амплитудной модуляции непрерывного когерентного оптического излучения, и может быть использовано для синхронизации мод лазеров, модуляции добротности.

Техническим результатом изобретения является обеспечение работы в СВЧ диапазоне, с расширенной полосой частот управляющего сигнала, а также исключение температурной стабилизации.

Акустооптический модулятор света включает звукопровод, выполненный в виде тела с фотоупругими свойствами в форме трапециевидной призмы и пьезопреобразователь, нанесенный на боковую грань призмы, ребро которой является боковой стороной трапеции.

При этом вход пьезопреобразователя подключен к источнику управляющего напряжения, а боковая грань призмы, противоположная грани с нанесенным пьезопреобразователем, выполнена полированной.

Пьезопреобразователь представляет собой многоэлектродную периодическую замедляющую систему, последовательность геометрических центров электродов которой расположена в плоскости распространения звука и света, при этом вход пьезопреобразователя расположен со стороны большого основания трапеции, а величина угла между гранью с нанесенным пьезопреобразователем и противолежащей полированной гранью определена из условия обеспечения отражения звуковой волны от полированной грани с последующим ее распространением навстречу падающей звуковой волне, излученной пьезопреобразователем. 2 ил.

Изобретение относится к акустооптическим модуляторам света (АОМ) на стоячих упругих волнах (на встречных акустических потоках), предназначенным для осуществления амплитудной модуляции непрерывного когерентного оптического излучения. Оно также может быть использовано для синхронизации мод лазеров, модуляции добротности.

Известен акустооптический модулятор света на стоячих объемных упругих волнах, образующихся в высокодобротном акустическом резонаторе, состоящем из кристалла прямоугольной формы с отполированными, параллельными друг другу акустическими гранями [Физические основы акустооптики / В.И.Балакший, В.Н.Парыгин, Л.Е.Чирков. — М.: Радио и Связь, 1985].

На одну из акустических граней нанесен одноэлементный пьезопреобразователь для возбуждения акустической волны.

В результате интерференции акустической волны, излученной одноэлементным пьезопреобразователем, с волнами, многократно отраженными от акустических граней, на определенных частотах, совпадающих с собственными частотами акустического резонатора, происходит возбуждение стоячей волны.

Падающий световой поток взаимодействует с этой стоячей волной и в результате интенсивность прошедшего и дифрагированного света изменяется. Поэтому частотная характеристика АОМ представляет собой ряд эквидистантно расположенных резонансных пиков, ширина которых определяется добротностью акустического резонатора.

Однако данный АОМ является узкополосным устройством и допускает небольшую плавную перестройку частоты в пределах каждого резонансного пика, а также дискретную перестройку при переходе с одного резонансного пика на другой. Это является основным недостатком указанного модулятора, ограничивающим область его применения.

Для стабильной работы АОМ необходима температурная стабилизация, что приводит к усложнению конструкции.

Известен также резонансный акустооптический модулятор со сферическими акустическими поверхностями, расположенными на противоположных торцах кристалла фотоупругой среды, в котором стоячая волна формируется двумя встречными акустическими потоками, возбуждаемыми сферическими пьезопреобразователями [Патент США № 365606, кл. G02F 1/28, 1972]. Резонатор данного модулятора обладает большей добротностью по сравнению с резонатором предыдущего модулятора и, следовательно, большей глубиной модуляции. Однако ему также присущи недостатки, характерные для первого аналога: очень узкая полоса частот и высокая температурная нестабильность. Для устранения последней также требуется применение термостабилизатора, что усложняет конструкцию модулятора и приводит к увеличению его габаритных размеров и цены.

В качестве прототипа предлагаемого изобретения может послужить АОМ с непараллельными акустическими гранями (трапецеидальная ячейка) с одноэлементным пьезопреобразователем, работающий в Раман-Натовском режиме дифракции [Терентьев В.Е. Исследование дифракционных модуляторов на стоячих ультразвуковых волнах в ниобате лития / В.Е.

Терентьев // Оптика и спектроскопия, 1977, Т.42, № 2, С.345-350].

В данном модуляторе в средней области акустического столба между гранями излучения и отражения акустических волн возникает стоячая волна, использование которой позволяет за счет снижения добротности акустического резонатора расширить частотный и температурный диапазоны АОМ.

Однако наличие угла между акустическими гранями приводит к уменьшению глубины модуляции при сохранении уровня мощности управляющего сигнала и повышению расходимости дифракционных порядков.

Кроме того, данная схема модулятора не позволяет реализовать более эффективный брэгговский режим дифракции света из-за невозможности одновременного выполнения условий дифракции Брэгга на излученной и отраженной акустических волнах, что также ограничивает использование подобного АОМ на высоких частотах.

Задачей изобретения является реализация конструкции акустооптического модулятора, работающего в СВЧ диапазоне, с расширенной полосой частот управляющего сигнала и нетребующего температурной стабилизации.

Поставленная задача решается тем, что в акустооптическом модуляторе света, включающем звукопровод, выполненный в виде тела с фотоупругими свойствами в форме трапециевидной призмы, пьезопреобразователь, нанесенный на боковую грань кристалла, ребро которой является боковой стороной трапеции, при этом вход пьезопреобразователя подключен к источнику управляющего напряжения, а боковая грань кристалла, противоположная грани с нанесенным пьезопреобразователем, выполнена полированной, согласно предлагаемому техническому решению пьезопреобразователь представляет собой многоэлектродную периодическую замедляющую систему, последовательность геометрических центров электродов которой расположена в плоскости распространения звука и света, при этом вход пьезопреобразователя расположен со стороны большого основания трапеции, а величина угла между гранью с нанесенным пьезопреобразователем и противолежащей полированной гранью определена из условия обеспечения отражения звуковой волны от полированной грани с последующим ее распространением навстречу падающей звуковой волне, излученной пьезопреобразователем.

Акустооптический модулятор включает звукопровод 1, представляющий собой тело в форме трапециевидной призмы, выполненное из материала, обладающего акустооптическим эффектом, например, ниобата лития, титаната бария, бастрона и др.

При этом две боковые грани призмы, ребра которых являются основаниями трапеции (опирающиеся на основания трапеции), являются оптическими гранями 2, служащими для ввода и вывода пучков света, а две другие боковые грани, ребра которых являются боковыми сторонами трапеции (опирающиеся на боковые стороны трапеции) — акустическими гранями 3.

На одну из акустических граней 3 призмы нанесен пьезопреобразователь 4, вход которого расположен со стороны большого основания трапеции, а другая акустическая боковая грань призмы выполнена полированной.

Пьезопреобразователь 4 представляет собой многоэлектродную периодическую замедляющую систему и возбуждает в звукопроводе многопотоковое состояние упругих волн с угловым спектром в форме веера плоских волн.

Пьезопреобразователь нанесен на боковую грань призмы таким образом, что последовательность геометрических центров электродов пьезопреобразователя расположена в плоскости распространения звука и света. При этом угол между акустическими гранями призмы выбирают из условия обеспечения отражения звуковой волны от полированной грани с последующим ее распространением навстречу излученной пьезопреобразователем звуковой волны и определяют в зависимости от электродинамических свойств многоэлементной периодической замедляющей системы пьезопреобразователя в соответствии с формулой , зв — скорость упругой волны в звукопроводе, c — скорость электромагнитной волны в вакууме, b — геометрическое замедление многоэлектродной периодической системы.

Акустооптический модулятор работает следующим образом.

Монохроматический световой поток 5, попавший в акустооптическую среду, дифрагирует на суперпозиции акустической волны 6, излученной пьезопреобразователем 4 после подачи на него управляющего сигнала, и акустической волны 7, отраженной от противоположной акустической грани, изменяя при этом свою интенсивность. При условии выбора коэффициента заполнения пьезопреобразователя, близким к единице, основная часть акустической энергии распределяется в нулевой лепесток диаграммы направленности пьезопреобразователя. Распространяющаяся вдоль пьезопреобразователя электромагнитная волна испытывает обусловленный замедлением системы фазовый сдвиг 0(| 0|

Источник: http://www.freepatent.ru/patents/2448353

1 АКУСТООПТИЧЕСКИЕ МОДУЛЯТОРЫ ДОБРОТНОСТИ

ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

Акустооптический модулятор представляет собой участок оптически про­зрачной среды (например, плавленого кварца для видимой области или гер­мания для среднего и дальнего ИК-диапазона), в котором с помощью прикре­пленного с одной стороны пьезоэлектрического преобразователя, подклю­ченного к ВЧ-генератору, возбуждается ультразвуковая волна (рис. 8.7а). I Если противоположная преобразователю сторона участка прозрачной среды срезана под некоторым углом и на нее нанесен поглотитель для акустиче — 1 ской волны, то отражения назад не будет и в среде возникнет бегущая аку — | стическая волна (рис. 8.76). Механическое напряжение, наведенное ультра — 1 звуковой волной, вызовет локальные изменения показателя преломления I среды (фотоупругий эффект). Это периодическое изменение показателя пре — ' ломления можно рассматривать как фазовую дифракционную решетку, пе­риод которой равен длине акустической волны, а амплитуда пропорциональна амплитуде звука, и которая передвигается в среде со скоростью звука (фазо­вая решетка бегущей волны). Таким образом, это приводит к тому, что часть падающего пучка отклоняется от направления распространения и выходит из резонатора [10]. Если аку стооптическую ячейку поместить в резонатор лазера (см. рис. 8.7б), то до тех пор, пока к преобразователю приложено электриче­ское напряжение, в резонаторе существуют дополнительные потери (из-за ди­фракции). Если приложенное напряжение достаточно велико, то дополни­тельные потери приведут к прекращению лазерной генерации. Возвращение лазера в состояние с высокой добротностью происходит при выключении электрического напряжения на преобразователе.

Чтобы получить более глубокое представление о работе аку стооптического модулятора, рассмотрим случай, когда длина I/ оптической среды достаточно велика и поэтому решетка действует как толстая фазовая решетка. Для реали­зации этого случая необходимо, чтобы выполнялось следующее условие:

Выходное Излучение Рис. 8.7 А) Падающий, прошедший и дифрагированный пучки в акустооптическом модуляторе (брэгговский режим). 6) Устройство лазера с модуляцией добротности на акустооптическом модуляторе

Шая доля г) падающего пучка (обычно эффективность дифракции составляет 1-2% на каждый ватт мощности ВЧ-сигнала). Следует отметить, что усло­вие (8.4.4) может быть записано и в виде неравенства (XI//яА, а) » Ха.

Данное условие говорит о том, что волна малой длительности, дифрагировавшая на апертуре Ха (при входе в кристалл), распространяется в направлении выход­ной плоскости кристалла на величину оптического пути ХЬ'/пХа9 которое должно быть намного больше апертуры Ха.

Действительно, при таком усло­вии каждая волна малой длительности, дифрагировавшая при входе в кри­сталл, будет суммироваться (до выхода из кристалла) с такими же волнами, распространяющимися в пределах других апертур Ха кристалла, формируя таким образом объемную дифракцию.[38]

Пример 8.3. Условия для режима дифракции Брэгга в кварцевом аку­стооптическом модуляторе. Рассмотрим акустооптическую ячейку, ко­торая возбуждается на частоте уа = 50 МГц и положим, что скорость попе­речной (сдвиговой) волны в кварце равна V = 3,76 • 105 см/с. Длина звуко­вой волны в этом случае равна Ха = и/уа = 75 мкм.

Учитывая, что показатель преломления для кварца равен п = 1,45 (при X = 1,06 мкм), из выражения (8.4.4) находим, что I/ 1,3 мм. Таким образом, если длина кристалла составляет, например, около 5 см, то условие режима дифракции Брэгга полностью удовлетворяется.

Заметим, что в этом примере пучок дифраги­рует под углом 0' = Х/Ха = 0,8° по отношению к падающему пучку, и угол падения пучка на модулятор должен быть равен вв = Х/2Ха = 0,4°.

Однако они имеют весьма ограничен­ную величину потерь, вносимых в случае низкой добротности и, кроме того, небольшую скорость переключения добротности (что в основном обуслов­лено временем распространения звуковой волны, пересекающей лазерный пучок).

Поэтому такие модуляторы применяются преимущественно в лазе­рах с малым усилением и непрерывной накачкой (например, в Nd:YAG или Ar ионных лазерах).

Гравировка по металлу проводится на профессиональном оборудовании. Гравировка с высокой детализацией применяется для оформления подарков, памятных вещей.

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ И ВРЕМЕННАЯ КОГЕРЕНТНОСТЬ ТЕПЛОВЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

В данном разделе приводится краткое описание когерентных свойств света, который излучается обычной лампой (лампой накаливания или га­зонаполненной лампой). Поскольку свет в этом случае обусловлен спон­танным излучением многих атомов, по существу …

УРАВНЕНИЕ ИОНИЗАЦИОННОГО БАЛАНСА

В результате соударений частиц с электронами в объеме электрического разряда происходит постоянное образование электронов и ионов. Ударная ио­низация осуществляется присутствующими в разряде горячими электронами, т. е. теми, энергия которых больше …

Источник: https://msd.com.ua/principy-lazerov/1-akustoopticheskie-modulyatory-dobrotnosti/

Акустооптические модуляторы

Для акустооптической модуляции света обычно применяют режим Бэгга, так как модуляторы Рамана — Ната не дают широкой полосы частот, следовательно ограничены в применении. Вид дифракции определяют, используя параметр $Q$, равный:

где $L$ — длина звукового столба. Приближенно считают, что при $Qll 1$ имеет место дифракция Рамана — Ната, при $Qgg 1$ — дифракция Брэгга.

Один и тот же акустический модулятор можно применять в разных системах модуляции.

Диксон и Гордон описали гетеродинный способ модуляции, Хендерсон предложил частотные и импульсные параметры для удаленного на большое расстояние приемника, который регулирует некоторую часть отклоненного излучения. Чаще всего встречается случай амплитудной модуляции.

Данный случай исследован Майданом. В его работах исследовались искажения импульсов света, которые возникают при прохождении акустических фронтов через конечную апертуру падающего пучка.

Амплитудный модулятор

Рассмотрим слабое акустическое поле и передачу модулятором акустических импульсов. Частотная характеристика модулятора определена суммарным влиянием частотной характеристики системы возбуждения звука и собственной частотной характеристикой модулятора. Пусть акустическая мощность не зависит от частоты.

Пусть акустическое поле с частотой $f_0 $смодулировано по амплитуде частотой $f_m=frac{Omega }{2pi }$. Спектр акустического сигнала — спектр модулированного сигнала, имеющего спектральные составляющие на частотах: $f_1=f_0-f_m и f_2=f_0+f_m .

$В таком случае поле света, прошедшего дифракцию разложится в пространстве на 3 составляющие:

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

которые распространяются под разными углами. Оптические частоты компонент поля, подвергшегося дифракции отличаются от начальной частоты $
u$ на $f_0-f_m и f_0+f_m$.

• В том случае, если свет после дифракции направить на квадратичный фотоприемник, то фототок ($I_f$) содержит сигнал модулирующей частоты $f_m$:
• Чаще всего встречается случай, когда $f_mll f_{0.}$ Тогда пространственные распределения полей $E_1и E_2$ считают одинаковыми и записывают:
• Выражение (4) — формула для частотной характеристики всякого акустооптического устройства, применимое для слабого акустического поля.
• Акустические модуляторы часто работают при близких значениях расходимости светового и акустического полей.
• Рассмотрим случай, когда поле подающей волны распределяется в плоскости дифракции по закону Гаусса:

где $r_m$ — радиус пучка света, а его минимальном сечении (перетяжке). Пучок света падает под углом $ heta $ к фронту акустической волны. Пусть для центральной частоты ($f_0$) угол падения является Брэгговским ($ heta $=${ heta }_B(f_0)$). В таком случае распределение амплитуды поля после дифракции имеет вид:

1. Тогда выражение (4) представится как:
2. Для случая $alpha ll 1$ получим:
3. Полоса модулирующих частот на уровне $0,5$ определена формулой:
4. полоса модулятора при $alpha ll 1$ связана с конечным временем ($ au $) пробега звуковой волны сквозь падающий пучок света.
5. При $alpha gg 1$ получают выражение:
6. Полоса моделирующих частот на уровне $0,5$ будет равна:
7. Компромисс между полосой и эффективностью модулятора достигается при близких соотношениях расходимости света и звука.

Пример 1

• Задание: Покажите, что полоса моделирующих частот амплитудного модулятора при $alpha gg 1$ не зависит от величины перетяжки падающего света.
• Решение:
• Полоса моделирующих частот на уровне $0,5$ определяются выражением:
• где величина $Lleft(frac{lambda }{Lambda }
  ight)$ — проекция светового пучка, который пересекает акустический столб, на направление распространения волны звука. Следовательно, полосу модулирующих частот можно определить временем пробега звуковой волны через пучок падающего на нее света ($ au $):
• В данном случае полоса модулятора не зависит от размера перетяжки падающего света, она определяется длиной преобразователя, выражение (1.1) можно представить в виде:
• где видно, что полоса модулятора обратно пропорциональна центральной рабочей частоте.

[ riangle f_m=1,2frac{v}{Lleft(frac{lambda }{Lambda }
ight)}left(1.1
ight),]
[ au =frac{Lleft(frac{л}{Л}
ight)}{2v}left(1.2
ight).]
[ riangle f_m=1,2frac{v^2}{Llambda f_0}left(1.3
ight),]

Пример 2

1. Задание: В чем преимущества акустооптических модуляторов перед электрооптическими модуляторами и наоборот.
2. Решение:
3. Акустооптические модуляторы могут применяться в тех же приборах, где использовались электрооптические модуляторы. Преимуществами акустооптических модуляторов служат:

• Высокая контрастность (порядка ${10}^3-{10}^4 против {10}^2 $у электрооптических модуляторов), которая определяется как отношение максимальной мощности света после дифракции к минимальной.
• Невысокая управляющая мощность ($approx 1 Вт$) и низковольтный вход.
• Несложная оптическая схема. Отсутствие склеек элементов.
• Температурная стабильность характеристик модуляции.

Единственным преимуществом электрооптических модуляторов перед акустооптическими является принципиальная возможность получить более широкую полосу модуляции.

Акустооптические модуляторы могут располагаться вне лазерного резонатора и внутри него. Внешние и внутренние модуляторы отличны по конструкции и параметрам.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/optika/akustoopticheskie_modulyatory/

3.2 Акустооптические модуляторы

Устройство,
механизм работы акустооптических
модуляторов на основе дифракции
Рамана–Ната и дифрации Брега

В
предыдущем разделе было показано, что
модуляторы и переключатели можно
выполнить на основе использования
электрооптического эффекта для получения
периодических изменений показателя
преломления материала внутри волновода

Акустические
волны можно также использовать для
получения желаемого периодического
распределения показателя преломления.
Акустооптический эффект заключается
в изменении показателя преломления,
которое вызывается механическими
напряжениями, возникающими при прохождении
упругих акустических волн по материалу.

Принцип действия акустооптического
модулятора (АОМ) основан на зависимости
показателя преломления некоторых
оптически прозрачных материалов, (таких
как, ниобат лития LiNb03),
диоксид теллура (TeO2),
молибдат свинца (PbMoO4)
от давления.

Это давление может быть
создано ультразвуковыми акустическими
волнами, генерируемыми пьезоэлектрическим
преобразователем-пьезокристаллом
(ПК), наклеенным на образец
акустооптического материала для создания
акустооптической ячейки (АОЯ),
являющейся основным элементом модулятора).
Акустическая волна создает в оптической
среде структуру с периодически
изменяющимся показателем преломления,
играющую роль дифракционной решетки.

В
работе [ ] показано, что изменение в
показателе преломления ∆n связано
с акустической мощностью Ра следующим
выражением:

где
п — показатель преломления среды
в отсутствие напряжения, р —
соответствующий элемент тензора
фотоупругости, Рa— полная акустическая мощность
(в ваттах), ρ- плотность материала, υa— скорость звуковых волн и А —
площадь поперечного сечения образца,
через которую проходит волна. Все
величины, входящие в выражение (3.9),
приведены в единицах системы СГС, за
исключением Рa.
Если применить обычно используемый
акустооптический критерий качества
М2, то выражение (3.9) можно переписать
следующим образом:

где
М2 определяется формулой

В
кристаллических твердых телах, которые
в основном используются в качестве
подложек для оптических интегральных
схем (ОИС), акустооптический эффект
обладает ярко выраженной зависимостью
от ориентации, т. е. от р. Однако этот
эффект сравнительно слаб даже для
оптимальных случаев подбора материала
и ориентации.

Например, при длине волны
излучения 632,8 нм для плавленого кварца
величина М2 составляет 1,51*10 -18
с3/см, а для LiNb03 она составляет
6,9*10-18 с3/см. Таким образом,
из выражения (3.10) следует, что величина
Δn для этих материалов имеет порядок
10-4 даже в случае использования
акустического излучения с плотностью
мощности 100 Вт/см2.

Несмотря на
столь малую величину Δn, которую можно
достичь с помощью акустических волн,
полное их воздействие на пучок света
может быть весьма существенным, поскольку
каждая пусть небольшая разница Δn,
создаваемая пиком напряжения акустической
волны, приводит к оптическим взаимодействиям,
которые могут накапливаться, если
обеспечено подходящее согласование
фаз. Таким образом, можно получить
значительные дифракционные эффекты.

Однако такое движение
оказывает незначительное воздействие
на работу большинства устройств. Среднее
воздействие, связанное с таким движением
решетки, идентично воздействию решетки,
находящейся в стационарном состоянии,
за исключением того, что спектр m-го
порядка дифракции сдвинут по частоте
на величину ±mf0, где f0 —
частота акустических волн.

Так как
звуковые частоты, как правило, по величине
на 10 порядков меньше оптических, то
данный эффект вообще ничтожен.

Дифракции
оптических волн можно достичь за счет
взаимодействия с объемными акустическими
волнами, которые проходят через объем
среды, либо с поверхностными акустическими
волнами (ПАВ), которые распространяются,
грубо говоря, в приповерхностном слое,
равном длине волны звука. Так как
оптические волноводы обычно имеют
толщину всего несколько микрометров,
то ПАВ-модуляторы и переключатели
совместимы с большинством приложений
оптических интегральных схем.

Независимо
от типа используемых акустических волн
(объемных или поверхностных) возможны
два основных типа модуляции. В модуляторах
типа Рамана-Ната луч света падает
перпендикулярно акустическому пучку
и длина взаимодействия между ними (т.
е.

ширина акустического пучка) относительно
мала, поэтому оптические волны испытывают
лишь простую дифракцию на фазовой
решетке, что приводит к получению ряда
интерференционных пиков в картине
дальнего поля.

Если акустический пучок
настолько широк, что оптические волны
испытывают многократную дифракцию,
прежде чем покинут акустический пучок,
то в этом случае получается существенно
иная дифракционная картина.

В таком
случае дифракция во многом подобна
объемной дифракции рентгеновского
излучения на большом количестве атомных
плоскостей в кристалле, которую впервые
наблюдал Брэгг. В акустических модуляторах
типа Брэгга оптический пучок направляют
под определенным углом (углом Брэгга)
к штрихам получаемой с помощью звука
решеточной структуры, и при этом
наблюдается лишь один дифракционный
максимум в картине излучения в дальнем
поле (см. рис. 3.7 и 3.8).

Основная
схема модулятора Рамана-Ната представлена
на рис.3.5. Свет проходит через это
устройство в направлении оси z и испытывает
сдвиг фазы, определяемый выражением

где
Δn — изменение показателя преломления,
вызываемое акустическими волнами; I —
длина акустического взаимодействия, а
Λ — длина волны звука. Нулевая точка
оси у соответствует центру падающего
луча. Комбинируя выражения (3.12) и (3.10),
приходим к уравнению

в
котором используется тот факт, что
площадь А равна l,
умноженному на ширину акустического
пучка а.

Рис.
3.7. Схема построения и принцип работы
акустооптического оптического модулятора
типа Рамана-Ната

Для
получения дифракции типа Рамана-Ната
длина взаимодействия должна быть
настолько короткой, чтобы не возникало
многократной дифракции. Это обеспечивается
при выполнении условия

где λ — длина волны света внутри материала,
из которого изготовлен модулятор. При
этом падающий свет дифрагирует на ряд
дифракционных пучков разных порядков,
причем порядок связан с углом θ следующим
образом:

,
m=0,1,
2,
… . (3.15)

Интенсивность
излучения в дифракционном пучке
соответствующего порядка задается
соотношением

Выходным
каналом в модуляторах Рамана-Ната обычно
берут дифракционный пучок света нулевого
порядка. В таком случае глубина модуляции
равна части света, которая уходит за
счет дифракции из дифракционного пучка
нулевого порядка и задается соотношением

Модуляторы
Рамана-Ната, как правило, имеют меньшую
глубину модуляции по сравнению с
модуляторами Брэгга.

Кроме того,
модуляторы Рамана-Ната нельзя должным
образом использовать в качестве
оптических переключателей, так как
дифрагированный свет распределен в
большое число порядков, расположенных
под разными углами.

По этим причинам
модуляторы Рамана-Ната в интегральных
оптических схемах используются
сравнительно редко. В противоположность
этому модуляторы Брэгга достаточно
широко используются в качестве модуляторов
интенсивности пучка, дефлекторов и
переключателей оптических пучков.

3.2.2
Количественный анализ механизма работы
акустооптического модулятора типа
Брегга

Для
осуществления дифракции типа Брэгга
длина взаимодействия между оптическим
и акустическим пучками излучения должна
быть сравнительно большой, поэтому
оптический пучок испытывает многократную
дифракцию. Количественное
соотношение, которое выражает такое
условие, имеет вид

Сравнивая
выражения (3.13) и (3.19),
можно увидеть, что существует некоторая
переходная область, в
которой имеют место дифракции Рамана-Ната
и Брэгга. Однако обычно желательно
разработать такой модулятор, чтобы он
надежно действовал в режиме Рамана-Ната
или в режиме Брэгга, давая возможность
путем подбора входных и выходных углов
достичь максимальной эффективности
модуляции.

Рис.
3.8. Принцип работы акустооптического
оптического модулятора типа Брегга

Максимальной
глубины или степени модуляции можно
достичь, если скомбинировать выражения
(3.21) и (3.17),
что приводит к выражению

Структуры,
представленные на рис.3.7 и 3.8 можно
использовать в качестве объемного или
волноводного модулятора в зависимости
от отношения толщины а к длине волны
света λ0 в
материале. Если отношение а/λ>>1,
то это объемный модулятор.

Объемные
акустооптические модуляторы достаточно
широко использовались еще до развития
интегральной оптики и продолжают
использоваться до сих пор. Обзор наиболее
характерных применений модуляторов
такого типа дается, например, в работах
[9.6—9.8].

Волноводные акустооптические
модуляторы, используемые в составе ОИС,
действуют в принципе таким же образом,
как и объемные.

Но они имеют существенное
преимущество, связанное с меньшей
потребляемой мощностью, что обусловлено
тем, что оптические и акустические волны
ограничены одним и тем же сравнительно
небольшим объемом.

Оценку
параметров объемных и волноводных
модуляторов можно провести на основе
выражений (3.21) и (3.18).

Однако расчет сдвига фазы более сложен
в случае волноводного модулятора, что
связано с тем, что оптическое и акустическое
поля неоднородны в рабочем объеме. В
случае неоднородных полей выражение
(3.

Источник: https://studfile.net/preview/8100078/page:12/

Акустооптика

• Акустооптическое взаимодействие
• Акусто-оптические модуляторы света (АОМ)
• Применения акустооптических явлений
• Типы акустооптических приборов
• Акустооптика – научная область на стыке физики и техники, охватывающая исследования взаимодействия электромагнитных и звуковых волн и закладывающая основы применения таких явлений на практике.

На современном этапе развития лазерной техники, оптики и оптоэлектроники взаимодействие звука и луча света используется, чтобы управлять когерентным световым излучением. Акустооптические устройства дают возможность специалистам руководить амплитудой, частотой, поляризацией сигнала, спектральным составом и последующим направлением распространения вектора света.

Акустооптические взаимосвязи выступают только как рефракционные и дифракционные эффекты лишь при крайне низком по интенсивности световом излучении.

При повышении мощности света всё большее значение начинают приобретать нелинейные явления воздействия лучей света на среду.

В силу явления нагревания среды и электрострикации преломления (оптического) в среде возникают упругие переменные напряжения и появляется звук частотой от слышимых до сверхзвуковых.

На нынешнем этапе развития наука признаёт основными акустооптическими явлениями:

• Акустооптическую дифракцию – дифракцию вектора света на ультразвуке.
• Акустооптическую рефракцию – рефракцию света при помощи ультразвуковых волн.
• Оптоакустические явления – усиление маломощных звуковых волн, также их возникновение в силу воздействия оптического поля высокой мощности.

На практике важной областью применения эффектов акустооптики выступают комплексные системы обработки информации. В них такие устройства обрабатывают постоянные СВЧ-сигналы в режиме реального времени.

Акустооптическое взаимодействие

Такое взаимодействие рассматривается в физике как явления дифракции и рефракции только при невысокой интенсивности светопреломления. Электрострикация вызывает нелинейные эффекты, воздействующие светом на среду.

В число оптоакустических эффектов входит и общая генерация акустических колебаний.

Акустооптическая дифракция делает возможным измерять некоторые показатели вещества:

• Скорость поглощения звука;
• Коэффициент поглощения звука;
• Упруго-оптические постоянные величины;
• Модули упругости второго и выше порядков.

Модули упругости высших порядков также получают, измерив показатели с использованием брэгговской дифракции. Это свойственно при распространении в определённой среде звука и интенсивности света.

Как результат в волне появляются мощные амплитуды. Они имеют прямую пропорциональность нелинейным процессам упругости.

Акустооптическая взаимосвязь достаточно часто применяется в научных исследованиях и технике. Точные измерения УЗ-полей позволяет осуществить дифракция света. Разбор и отслеживание эффективности этого явления в разнообразным наименьших материальных объектах образца обеспечивает относительно лёгкое восстановление схемы распространения интенсивности звуковой волны в пространстве.

Акусто-оптические модуляторы света (АОМ)

Акустооптический модулятор (АОМ) – прибор для отклонения пучка света при помощи дифракции на создаваемой в стекле из-за пространственной модуляции показателя преломления акустической волной решётке.

Применения акустооптических явлений

Сделать видимыми электромагнитные поля и отслеживать качество физических материалов позволяет использование акустооптического метода. Акустооптические фильтры помогают дистанционно анализировать среду (химический анализ). Помимо этого, применяемые в акустооптике приборы крайне эффективны при анализе сверхвысоких радиосигналов.

Идеи оптического изменения и преобразования данных, оптические процессоры и концепции оптического взаимодействия – главная научная область использования акустооптических процессов.

Широкое применения приборов, построенных на принципах акустооптики, обуславливается разнообразности того эффекта, который позволяет управлять показателями волны световых частиц.

Акустооптические устройства обеспечивают возможность управлять силой и интенсивностью лазерного излучения, спектральными свойствами и пространственным составом оптических пучков, поляризацией электромагнитной волны, фазой электромагнитной волны, формой оптического вектора.

Типы акустооптических приборов

В основе этих приборов находится акустооптическая ячейка. Она состоит из излучателя и материального (рабочего) тела, где и взаимодействует свет и УЗ-волна.

Базируясь на эффектах рефракции и дифракции луча света, происходит создание оптических элементов, которые ведают параметрами оптического вектора, анализируют поступающие сведения (их источником или, вернее сказать, носителем является волна – звуковая или световая).

В настоящее время созданы следующие акустооптические устройства:

• Акустооптические процессоры. Они – основа для проектирования и создания высокоскоростных приборов анализа СВЧ-сигналов. Выполняют обработку сведений в реальном масштабе времени.
• Акустооптические фильтры. Эти приспособления обеспечивают возможность выявить всецело соответствующий условия Брэгга узкий интервал длин световых волн из спектра излучения.
• Компрессоры радиоимпульсов. С их помощью выполняется сжатие внутренних и электрических импульсов.
• Акустооптические дефлекторы, сканеры. Такой вид акустооптических приборов применяются для манипуляции конечным направлением луча света в пространстве. Сканерами обеспечивается постоянная развёртка луча; дефлектор содержит совокупность установленных показателей, исходя из которых возможно отклонение вектора света.
• Акустооптические модуляторы. Подобные устройства были созданы для совокупного управления интенсивностью и итоговым созданием световых пучков на основе перераспределения энергии между световыми лучами – проходящим и дифрагированным. Чаще используется модуляция дифрагированного света. Акустооптические модуляторы, будучи очень простыми по своей конструкции, обеспечивают проведение сложнейших действий, например, параллельный анализ информации в сверхскоростных процессах.

Важно знать, что нередко акустооптику представляют самостоятельной дисциплиной. Акустооптиканаших дней имеет сильную связь не только с заложившими её основы разделами физики – оптикой, акустикой – но и с кристаллофизикой и иными прикладными дисциплинами (оптоэлектроника, а также радиофизика и др.).

Источник: https://sciterm.ru/spravochnik/akustooptika/

Авеста-Проект — DA AOM. Драйвер акустооптического модулятора

Основные характеристики
Обознач.	Параметр	Условия	Мин.	Типичное	Макс.	Ед. изм.
fN	Диапазон частот выходного сигнала*	65,0	400,0	МГц
Стабильность частоты выходного сигнала	в диапазоне температур 0 до + 40 °С	50	ppm
Pвых	Выходная мощность	При Uпит > 16 В	4	6	Вт
Глубина импульсной модуляции выходного сигнала	60	дБ
tON/OFF	Время нарастания/спада выходного сигнала	fN = 80 МГц	12,5	нс
fN = 200 МГц	5	нс
Выходное сопротивление	50	Ом

Сигнал импульсной модуляции MOD
Обознач.	Параметр	Условия	Мин.	Типичное	Макс.	Ед. изм.
UH	Высокий уровень	4,5	5,0	5,5	В
UL	Низкий уровень			0,5	В
Входное сопротивление	50	Ом

Регулировка выходного уровня REF (опционально)
Обознач.	Параметр	Условия	Мин.	Типичное	Макс.	Ед. изм.
Диапазон регулировки выходной мощности	-50		дБ
Диапазон регулирующего напряжения	0,8	4,8	В
Чувствительность регулирования	12,5	дБ/В
Время установления уровня мощности выходного сигнала	Полный диапазон	380	нс
Шаг 3 дБ	20	нс
Входное сопротивление	1	кОм

Прочие характеристики
Обознач.	Параметр	Условия	Мин.	Типичное	Макс.	Ед. изм.
Uпит	Напряжение питания	11,0	12,0	28,0	B
Потребляемая мощность	Uпит = 12 В	30,0	Вт
Iпит	Потребляемый ток	Uпит = 12 В	1,7	А
Входной разъем MOD	SMB
Входной разъем REF	SMB
Выходной разъем RF OUT	SMA
Разъем питания +12V DC	Пайка
Рассеиваемая мощность*	Uпит = 16 В, Pвых = 6 Вт	15,0	25,0	Вт
Рабочая температура окружающей среды	10	40	°С
Габаритные размеры	Д x Ш x В	100 x 28 x 80,5	мм
Масса	300	г

Стандартные модели
Модель	Максимальная выходная мощность, Вт	Частота выходного сигнала, МГц	Внешняя регулировка уровня мощности
AOMD-6W-80	6,0	80,0	Нет
AOMD-6W-80-ADJ	6,0	80,0	Да
AOMD-6W-200	6,0	200,0	Нет
AOMD-6W-200-ADJ	6,0	200,0	Да

Драйверы акустооптических модуляторов серии DA AOM представляют собой законченные устройства для управления различными моделями акустооптических модуляторов.

Серия DA AOM обеспечивает уровень выходной мощности до 6 Вт при напряжении питания более 16 В и до 4 Вт при напряжении питания 12 В. Частота выходного сигнала, фиксированная для конкретной модели, лежит в пределах от 65 до 400 МГц.

Максимальное значение выходной мощности радиочастотного сигнала задается встроенным потенциометром. При наличии опции регулировки уровня выходной мощности возможно, с помощью внешнего аналогового сигнала, регулировать выходную мощность в диапазоне от 0 до -50 дБ (время установления уровня мощности выходного сигнала 20 нс при шаге 3 дБ).

Алюминиевый корпус обеспечивает экранирование внутренних частей драйвера и механическую защиту. Основание корпуса выполняет функцию теплоотвода и имеет крепежные пазы. При эксплуатации драйвера необходимо обеспечить теплоотвод с мощностью до 25 Вт.

Источник: http://avesta.ru/product/da-aom-drajver-akustoopticheskogo-modulyatora/