Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 62
Текст из файла (страница 62)
С механическими модуляторами достигается время переключения в области миллисекунд, а частоты обычно составляют несколько крц. Более высокие частоты и более быстрые срабатывания вряд ли реальны, поскольку для ускорения массы прерывателя требуются достаточно большие усилия. В качестве механических дефлекторов привлекают, например, вращающиеся призмы с несколькими фацетами, а также зеркала, перемешаюшиеся по принципу гальванометра. К преимуществам механических дефлекторов можно отнести сравнительно небольшие потери на поверхностях с зеркальным отражением и высокую разрешаюшую способность.
Дефлекторы коммерческого назначения обладают разрешением от 10' до 1О' точек на линию, причем время доступа составляет от 0,1 до 1 мс. Такие устройства обычно обеспечивают отклонение только в одной размерности, но путем последовательного включения двух дефлекторов может быть достигнуто и двухмерное отклонение. Специально для твердотельных лазеров с высокими средними мощностями или достаточно большими длинами волн, например, порядка 3 мкм, для модуляции добротности были разработаны модуляторы по принципу нарушенного полного внутреннего отражения. Расстояние между двумя призмами по рис.
16.1 может изменяться пьезоэлектрическим способом. Если этот интервал достаточно мал, полное внутреннее отражение практически исключается, чем и обеспечивается прохождение луча. Данный процесс известен под условным обозначением РТ1В от англ. Гпззггагед гога1 1пгегпа1 гейесг!оп — нарушенное полное внутреннее отражение.
При большем интервале (в единицах микрометров) как раз имеет место полное внутреннее отражение, при котором траектория светового пучка оказывается блокированной. НУ.!«тд у ду у 29«ууг а) Призма из алюмоиттриеаого Пьезоэлемент тем Рис. 16.1. Модулятор добротности по принципу нарушенного полного внутреннего отражения (РТ!й). (а) Конструкция и принцип действия; падающий световой луч при большой ширине щели 0 полностью отражается от первой границы раздела. Прн меньшей ширине щели полное внутреннее отражение нарушается оптическим «туннельныма эффектом. Ширину щели можно регулировать на основе импульсов напряжения с помощью подходящею пьезоэлемента и образующихся прн этом волн давления в призмах нз алюмоитгриевого граната либо других материалов.
(б) Вычисленный коэффициент пропускания как функция ширины щели у) - 500 нм 6) 1 зля ющая ляющая Ф б у с о О. (зФ мзе Ширина щели д)уь 16.2. Акустооптические модуляторы Ультразвуковые волны есть периодические флуктуации плотности. В той среде, где они распространяются, ультразвуковые волны вызывают пространственно- периодическое изменение показателя преломления, которое воздействует на воздух по типу днфракционной решетки, вследствие чего возникает акустооптнческнй эффект.
Дифракция на тонкой и толстой решетках протекает по-разному. На тонкой решетке (Рамана — Ната) для угла дифракции 8 по рис. 16.2 имеет силу: з(пйс —, )ь (16.1) Лл где )./и есть длина световой волны в среде с показателем преломления и, а Л = р// означает длину волны или, соответственно, шаг (постоянную) дифракционной решетки ультразвука. Этот параметр зависит от частоты звуковых колебаний/' (обычно от 50 до 500 МГц) и звуковой скорости р (= 5.10' см/с). Максимальная дифракционная эффективность тонкой синусоидальной фазовой решетки составляет 33,8 %. Для решетки толзциной !в области комбинационного рассеяния (Рамана — Ната) с ты' < Л' обнаруживается несколько порядков дифракции. (296 Г к ив ц у нсгсап — мащ М<л 2 'г 1о Рис.
16.2. Дифракция на тонкой лифракционной решетке ультразвука (по теории комбинационного рассеяния Рамана — Ната) Схема Брэгга Если решетка обладает достаточной толщиной относительно постоянной Л, то дифрагированная интенсивность по рис.! 6 2 возрастает. Возникает деструктивная интерференция между дифрагированными волнами вдоль линии решетки. Для получения интерференций на пространственных решетках х1 > Л' потребуется геометрия по Брэггу ( рис. 16.3).
Конструктивная интерференция наступает при облучении под углом Брэгга О относительно плоскости решетки: Х з(пО = 2Ли (16.2) Т=Т, соз' (МРц'/Х), (16. 3) где Т, есть стандартное пропускание, М вЂ” геометрическая постоянная и постоянная вещества, а Р— входная акустическая мощность. При мощностях на уровне Р= 10 Вт пропусканне Т может упасть почти до нуля, то есть дифракционная эффективность возрастет до 100 %. Бегущие и стоячие ультразвуковые волны В схемах по рис. 16.2 и 16.3 ультразвуковая волна после прохождения через модулятор поглощается, так что стоячих волн не образуется.
При этом получают лнфракцию на подвижной решетке. В результате эффекта Доплера возникает сдвиг частоты дифрагированного света. В то время как проходящий свет сохраняет частоту Те, в первых порядках дифракции имеет место~; + Т, причем Тобозначает ультразвуковую частоту Прн направлении распространении звука согласно рис. 16.3 получается отрицательный знак, при обратном направлении — положительный.
Стоячие ультразвуковые волны возникают при отражении падающей волны. Проходящий свет является тогда амплитудно-модулированным с частотой 2Т, что используется, например, для синхронизации лазерных мод. Модуляторги стоячих волн применяют, прежде всего, в целях получения высокочастотной периодической модуляции Преимущество ультразвуковой решетки достаточной толщины состоит в том, что ее дифракционная эффективность может достигать 100 %, и тогда имеет место только один порядок дифракции. Пропускание акустооптического модулятора с толстой решеткой составляет: гбт. 162.А г дг р 29Д~г) света.
Для достижения модуляции света с любым амплитудным распределением используется в большинстве случаев дифракция на бегущих ультразвуковых волнах. По Вреггуг М > А' Акустическии поглотитель Рты. 16.3. Дифракция на акустооптическом модуляторе большой толщины в схеме Брэгге Модуляторы Устройства на рис. 16.3, функционирующие с бегущими звуковыми волнами, используются как в качестве модулятора, так и в качестве дефлектора. Для получения здесь амплитудной модуляции проходящего луча придется подключить акустическую мошность. Периоды включения ограничены преимущественно временем прохождения т=с!ггу ультразвуковой волны через диаметр светового луча с!. Поэтому ширина полосы модуляции обратно пропорциональна диаметру луча.
Для нормального луча с с!= 0,8 мм получают ширину полосы около 3 МГц, при ультразвуковых частотах — порядка 100 МГц. При фокусировке пучка ширина полосы увеличивается. Но так как при этом возрастает и дивергенция, условие Брэгга уже до конца не выполняется, так что дифракционная эффективность падает. Акустооптические модуляторы находят применение, например, в качестве модуляторов добротности в твердотельных лазерах.
По сравнению с электрооптическими модуляторами добротности, здесь требуются меньшие возбуждающие мощности, что позволяет модуляцию добротности с более высокими частотами повторения импульсов — например, до ! 00 кГц. Однако следует указать на довольно долгое время переключения, например, со ссылкой на приведенный выше пример — около 300 нс. Дефлекторы При акусгооптических дефлекторах согласно рис, ! б 3 ультразвуковая частота, то есть длина волны Л, должна варьироваться. Каждому значению Л соответствует свой угол (29В Г !бЮу ~ 1 дифракции О. Но поскольку условие Брэгга (уравнение 16.2) выполнено только ддя пары значений О и Л, то при изменении Л меняется и дифракционная эффективность. Этот эффект может быть устранен в дефлекторах лазеров за счет опрокидывания направления звуковой волны, в результате чего вновь будет иметь силу уравнение (16.2).
Это опрокидывание достигается с помощью нескольких расположенных вплотную ультразвуковых передатчиков с синфазным управлением. Число точек изображения У, которые могут быть созданы дефлектором, составляет от 100 до 1000 на линию с временем доступа в несколько микросекунд. Акустооптические материалы Для использования в качестве модулятора или дефлектора предлагаются как толстые и тонкие, так и бегущие и стоячие дифракционные решетки. С учетом слабого поглощения в видимой и соседних с ней областях спектра и высокой нагрузочной способностью кварцевого стекла этот материал часто используется в коммерческих модуляторах. Нередко выбирается и другое вещество — ТеО,, требующее меньших электрических мощностей возбуждения. В качестве пьезоэлектрического передатчика для генерации ультразвуковой волны ( рис.
16 3) служит в основном, Ь|ХЬОи причем здесь требуются напряжения на уровне 7 — 10 В при высокочастотных мощностях около 1 Вт. 16.3. Электрооптические модуляторы С помощью электрооптических модуляторовдостигаются частоты модуляции вплоть до микроволнового диапазона при коротком времени переключения в области 100 пикосекунд. К недостаткам же можно отнести то, что здесь требуются довольно высокие мощности в несколько киловольт. Электрооптические конструкционные элементы обеспечивают вращение плоскости поляризации света.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
