Автореферат (Кристаллы семейства калий-редкоземельных вольфраматов как материалы для акустооптики), страница 4

Рис.3б), на одной и той жеультразвуковой волне K, распространяющейся в направлении оси Ng диэлектрическойсистемы координат в ограниченном пространстве, возможна изотропная (без изменения-- 16 --поляризации) дифракция обеих световых волн поляризаций Nm и Np. Важно, чтоэффективность АО дифракции на продольной моде ультразвука в выбранной геометрииоказалась для обеих поляризационных составляющих примерно одинаковой.

Такимобразом, после дифракции соотношение этих компонент не изменится. Для практикиважно также, что акустическая волна, распространяющаяся в указанном направлении, неиспытывает сноса в плоскости NpNg, и незначительно, не более чем на 1○, отклоняется вплоскости NmNg из-за анизотропии.(а)(б)Рис.3. Диаграммаволновыхвекторовакустооптическоговзаимодействияполяризационно нечувствительного модулятора (а), и акустооптическиймодулятор, изготовленный на кристалле KGd(WO4)2 (б).

Прямоугольникомсхематично обозначена АО ячейка.Эффективность акустооптической модуляции (АОМ) испытанного устройствадостигала 80% на длине волны света 532 нм при 1 Вт управляющей мощности на частотеультразвука около 85 МГц, поданной на пъезопреобразователь шириной не более 1.5 мми длиной АО взаимодействия 22 мм. Эффективность АОМ достигала 98% на 633 нм при2.5 Вт при тех же условиях. В ближнем ИК-диапазоне эффективность оказалась ниже:64% на 4 Вт при 1.06 мкм. Таким образом, по эффективности дифракции модулятор наKGW примерно втрое уступает существующим устройствам на кристалле TeO2 , которыеиспользуют дифракцию на продольной L-моде ультразвука в направлении [001] света споляризацией вдоль [100] и коэффициентом АО качества M = 34.5∙10-15 c3/кг.

При этоммодулятор на KGW имеет на несколько порядков более высокую оптическую стойкость,-- 17 --а по сравнению с модуляторами на кварце требует заметно меньшую управляющуюмощность.Аналогичное устройство предложено на кристалле KLu(WO4)2, коэффициенты АОкачества которого больше, чем значения M KGW, из которого изготовлен модулятор.Практически важный спектральный диапазон такого устройства лежит от 0.8 до 3 мкм,где кристалл KLuW, легированный ионами редкоземельных металлов (Nd, Er, Ho, Yb,Tm), можно использовать для генерации лазерного излучения с длинами волн λ от ~0.85до 2.9445 мкм, в зависимости от используемого источника света для накачки. На длиневолны 2.9 мкм управляющая мощность, обеспечивающая коэффициент дифракции более80%, составит примерно 4 Вт, при длине пьезопреобразователя 4 см и ширине 0.5 мм.Таким образом, по эффективности дифракции модулятор на KLuW примерно вдвоеуступает существующим на кристалле TeO2.Сочетание лазерных и акустооптических свойств в одном материале открываетвозможность объединить функции генерации излучения и модуляции добротностилазера в одном функциональном элементе.

На Рис.4 показана ориентация осей такогоэлемента на кристалле KLu(WO4)2.Рис.4. Схема активного лазерного элемента на основе кристалла KLuW с совмещеннымАО модулятором добротностиНакачка лазерного элемента внешним излучением осуществляется в вертикальнойплоскости, а дифракция происходит в горизонтальной, регулируя условия длясуществования генерации света. Таким образом, осуществляется модуляция добротностилазера.-- 18 --Благодаря реализации двух функций в одном кристаллическом образце возможноуменьшить оптические потери и упростить конструкция лазера. Благодаря более высокойАО эффективности кристалла KLuW, чем у используемого сейчас кварца, можноотказаться от активного охлаждения этого элемента.Оптическая двуосность кристаллов также позволяет создать на их основе новыевиды АО устройств, которые нереализуемы в одноосных материалах, как правило,используемых в акустооптике.

Например, возможно создание дефлектора созначительной полосой перестройки и большой угловой апертурой, которая позволяет,в частности, осуществлять эффективную модуляцию гауссового пучка в его перетяжке.Рис.5. Диаграммаволновыхвекторовакустооптическоговзаимодействияширокоапертурного дефлектора на кристалле KLu(WO4)2. Прямоугольникомсхематично обозначена АО ячейка.Такая геометрия (см. Рис.5) минимизирует поперечные размеры пучка и,соответственно, время переключения модулятора  = d/Vac  1/1, которое можетдостигать 20 нс и менее. Большая угловая апертура позволяет также проводить операциинад пучками, переносящими изображения.

При этом режим дефлектора позволяетосуществлять наряду с амплитудной модуляцией еще и пространственное управлениепучком, существенно расширяя возможные виды управления лазерным излучением.Эту геометрию (см. Рис.5) отличают еще два важных для практической реализациисвойства: это ортогональность падающего светового пучка акустическому столбу (kinc K),чтообеспечиваетудобнуюконфигурациюибольшойуголотклонения-- 19 --дифрагированного пучка, что, впрочем, делает необходимым использование весьмавысоких частот ультразвука.

Для кристалла KLuW частота управляющего сигнала придлинах волн света 1.064 мкм и 1.55 мкм составит соответственно 1.1 и 0.8 ГГц.Используется геометрия дифракции, предусматривающая трансформацию направленияполяризации света из Nm в плоскость NpNg, для чего используется медленная сдвиговаяакустическая волна.Коллинеарные акустооптические фильтры традиционно представляют особыйинтерес, поскольку позволяют получить высокое спектральное разрешение при малоймощности управляющего сигнала.

Для применений в спектроскопии и для фильтрацииизображений необходима широкая угловая апертура, которая достигается в приосевыхнаправлениях взаимодействия, т.е. вдоль диэлектрических осей Nm, Np и Ng.Анализ показал, что АО взаимодействие вдоль оси Ng характеризуется наиболеереалистичными параметрами, один из которых – частота, необходимая для фазовогосинхронизма. Перестраиваемый АО фильтр в этой геометрии (см. Рис.6) имеет сносакустического пучка, как и коллинеарный фильтр на α-SiO2. Среди трех исследованныхматериалов, на кристалле KYbW возможно получить лучшее спектральное разрешение  1/n за счет большей оптической анизотропии n = np – nm.

Ширина полосыпропускания такого фильтра при длине взаимодействия 1 см может составить  = 0.7 нмпри  = 632.8 нм.Рис.6. Схематическое изображение (эскиз) перестраиваемого акустооптического фильтрана KYb(WO4)2В Главе 3 приведены результаты испытания нового акустооптическогомодулятора для неполяризованного излучения на кристалле KGd(WO4)2, показавшегоблизкую к 100% эффективность модуляции, и способного выдерживать оптическоеизлучение высокой мощности. Показано, что кристаллы KGd(WO4)2 , KYb(WO4)2 и-- 20 --KLu(WO4)2 позволяют создать классические АО устройства, обеспечивающие высокуюлучевой стойкость, а также новые виды, обеспечивающие большую угловую апертуру(~ 2○), малое время переключения (до 20 нс), слабую чувствительность к поляризации.Это позволит заменить кварц SiO2 во многих областях акустооптики, где он используется.ЗАКЛЮЧЕНИЕ1.

Для кристаллов семейства KRE(WO4)2 , где RE = Gd, Yb и Lu, измерены скоростираспространения всех акустических мод в различных направлениях. По этим даннымопределеныупругиехарактеристикиматериалов.Исследованаанизотропияакустических свойств каждого кристалла. Проведено сравнение материалов ипоказано, что KLu(WO4)2 имеет наибольший диапазон скоростей распространения, от1711 м/с для сдвиговых волн до 5242 м/с для продольных. Также показано, чтонаибольшее отличие поверхности медленности от сферы характерно для того жематериала. Традиционно, выраженная анизотропия акустических свойств характернадля эффективных акустооптических материалов.2.

Фотоупругие свойства кристаллов KRE(WO4)2 изучены для случая изотропнойдифракции(ссохранениемполяризацииоптическогоизлучения)впервые.Определены все характеристики, необходимые для численного определенияпараметров акустооптического взаимодействия в случае изотропной дифракции, идля качественной оценки – в случае анизотропной дифракции (с поворотом плоскостиполяризации света). Максимальное значение коэффициента акустооптическогокачества составило 19∙10-15 с3/кг для кристалла KGd(WO4)2 при дифракции света споляризацией вдоль оси Ng и сдвиговой моды звука, распространяющейся вдоль осиNg с поляризацией вдоль Nm.

Величина более чем на порядок превосходиткоэффициент качества кварца, и менее чем в два раза уступает акустооптическомукачеству парателлурита (оксида теллура) при изотропной дифракции.3. Показано, что кристаллы KRE(WO4)2 являются материалами, подходящими длясоздания эффективных акустооптических устройств. Предложен, создан и испытанновый акустооптический модулятор для неполяризованного излучения на кристаллеKGd(WO4)2, показавший близкую к 100% эффективность модуляции, и способныйуправлять оптическим излучением высокой мощности.