Диссертация (1103331), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Он показал, что на данных материалахвозможно создание всех типов классических акустооптических устройств. Итакже, благодаря тому, что KREW являются оптически двуосными кристаллами,возможно создание оригинальных устройств, в частности, широкоапертурногодефлектора. Другое оригинальное устройство – АО высокоэффективныймодулятор, практически нечувствительный к поляризации входящего излучения.Также рассмотрена возможность создания коллинеарного АО фильтра накристаллах KREW.-- 73 --3.2 Модулятор произвольно поляризованного излученияНовый акустооптический модулятор на кристалле KGW был предложен,создан и испытан [94] (см.
Рис. 3.1). В нем используется геометрия дифракции наквазипродольной QL волне, распространяющейся вдоль оси Ng диэлектрическойсистемыкоординат.ВэтойгеометрииАОвзаимодействиязначениякоэффициента качества M оказываются довольно близки для обеих оптическихмод (см Таблицу 2.2).Рис. 3.1. Общий вид акустооптического модулятора, изготовленного из кристаллаKGd(WO4)2, установленного на оптический столик.Как видно из диаграммы взаимодействия (см. Рис. 3.2), на одной и той жеультразвуковойволнеK,распространяющейсявнаправленииосиNgдиэлектрической системы координат, возможна изотропная (без измененияполяризации) дифракция обеих световых волн поляризаций Ng и Nm. Углы Брэггадля дифракции этих поляризаций определяются соответствующими показателямипреломленияKΘ mB =,2k nmKΘ Bg =,2 k ng(3.1)-- 74 --а потому обе поляризационные компоненты светового пучка, падающего снаружина кристалл под углом Θ0 = nm ΘmB = ng Θ Bg , после преломления распространятся подуглом Брэгга, т.е.
будут одновременно испытывать дифракцию.Таким образом, модулятор способен отклонять обе поляризационныекомпоненты света одновременно и может быть использован как двухполяризационное устройство. Очень важно, что эффективность АО дифракции напродольной моде ультразвука в выбранной геометрии оказалась для обеихполяризационныхсоставляющихотносительноблизкой(смТаблицу 2.3).mm( p ) = 6.1×10-15 с3/кгКоэффициенты АО качества для двух поляризаций равны M gggg( p ) = 10.5×10-15 с3/кг соответственно.
Это значит, что и после дифракциии M ggсоотношение этих компонент останется сравнительно близким к исходному.Рис. 3.2. Диаграмма волновых векторов акустооптического взаимодействияполяризационно нечувствительного модулятора, k – волновой векторсвета в вакууме, K – волновой вектор ультразвука. Прямоугольникомсхематично обозначена АО ячейка-- 75 --Для практики важно также, что акустическая волна, распространяющаяся вуказанном направлении, не испытывает сноса в плоскости NpNg, и незначительно,не более чем на 1○, отклоняется в плоскости NmNg из-за анизотропии.Рис.
3.3. Акустооптический модулятор со снятым кожухом, изготовленный наоснове кристалла KGd(WO4)2Эффективностьакустооптическоймодуляции(АОМ)испытанногоустройства достигала 80% на длине волны света 532 нм с поляризацией по оси Ngпри 1 Вт управляющей мощности на частоте около 85 МГц, поданной напъезопреобразователь шириной 1.5 мм и длиной АО взаимодействия 22 мм.Эффективность АОМ достигала 98% на 633 нм при 2.5 Вт. В ближнем ИКдиапазоне эффективность оказалась ниже: 64% на 4 Вт при 1.06 мкм.Разработанная конструкция и прежде всего размеры пъезопреобразователя былиоптимизированы для модуляции излучения с длиной волны 633 нм, чтоподтверждаютэкспериментальныеданные:эффективностьмодуляциимаксимальна именно при такой длине волны.
Аналогичным образом можнооптимизировать устройство для других длин волн.-- 76 --По эффективности дифракции модулятор на KGW примерно втрое уступаетсуществующим устройствам на кристалле TeO2 , которые используют дифракциюна продольной L-моде ультразвука в направлении [001] света с поляризациейвдоль [100], коэффициентом АО качества M = 34.5∙10-15 c3/кг, а для поляризации[001] M = 25.6∙10-15 c3/кг [60, 95]. Модулятор на TeO2 , реализующий такуюконфигурацию АО взаимодействия, называют поляризационно нечувствительным[96], несмотря на заметную разницу значений коэффициентов АО качества, как ив испытанном устройстве.
При этом модулятор на KGW имеет на несколькопорядков более высокую оптическую стойкость, а по сравнению с модуляторамина кварце требует заметно меньшую управляющую мощность.Diffraction efficiency , %100908070601.15 mkm50633 nm40532 nm30200123456Electric power HF signal, WРис. 3.4. Эффективность акустооптической модуляции (АОМ) как функциямощности сигнала, поданного на пъезопреобразователь, измеренная дляАО модулятора на кристалле KGd(WO4)2.АО модуляторы на кварце SiO2 используются в качестве акустооптическихзатворовдлятвердотельныхлазеров,причемиз-завысокоймощности-- 77 --управляющего сигнала, достигающей 55 Вт [64] и 80 Вт [65], устройство требуетпринудительного охлаждения.
Применение модулятора на кристалле KGWпозволит отказаться от принудительного охлаждения АО ячейки водой,ограничившись пассивным охлаждением через контакт с корпусом, что даствозможность упростить конструкцию лазера.Важной особенностью разработанного модулятора является высокаялучевая стойкость материала, из которого он изготовлен. Калий-гадолиниевыйвольфрамат KGd(WO4)2, обладает очень высокой лучевой стойкостью, котораядостигает 170 ГВт/см2 в направлении диэлектрической оси Ng при длительностиимпульса τ = 20 мс и составляет не менее 50 ГВт/см2 для других направлений [3].Оказалось, что созданная акустооптическая ячейка оставалась холодной (ненагревалась и сохраняла комнатную температуру) при просвечивании лазернымизлучением мощностью 2 кВт и диаметром 2 мм в непрерывном режиме, чтоэквивалентно 25 кВт/см2.
Тогда как АО ячейка из TeO2 в подобных условияхзаметно нагревается (не менее чем на 20○С).Изучена возможность создания аналогичного устройства на кристаллеKLu(WO4)2 , коэффициенты АО качества которого больше, чем значения Mмодулятора на KGW. Анализ показал, что для этого целесообразно использоватьнесколько иную конфигурацию АО взаимодействия, при которой свет идетвблизи оси Nm диэлектрической системы координат (см. Рис.
3.5). В таком случаепроисходит дифракция обеих световых волн поляризаций Np и Ng. Углы Брэггадля дифракции этих поляризаций определяются соответствующими показателямипреломленияKKgΘ Bp =, ΘB =,2 k ng2k n p(3.2)а потому обе поляризационные компоненты светового пучка, падающего снаружинакристаллподугломΘo = n p Θ Bp = ng Θ Bg ,послепреломлениябудутраспространяться под углом Брэгга. Угол разведения световых пучков причастоте ультразвука 50 МГц составит 0.76○, а при увеличении частоты до 150 МГцпропорционально увеличится до 2.30○. При этом параметр Q = 2πL(λ/Λ2),-- 78 --характеризующий режим АО взаимодействия, уже при частоте 50 МГц и длиневзаимодействия (пъезопреобразователя) L = 25 мм достигает величины 4π, чтоявляется достаточным условием для Брэгговского режима дифракции [97].Рис. 3.5. Диаграмма волновых векторов акустооптического взаимодействияполяризационнонечувствительногомодуляторанакристаллеKLu(WO4)2.
k – волновой вектор света в вакууме, K – волновойвектор ультразвука. Прямоугольником обозначена АО ячейка.Эффективность АО дифракции на продольной моде ультразвука ввыбранной геометрии оказалась для обеих поляризационных составляющихпрактически одинаковой (см Таблицу 2.3), и равной M ggpp (m) = 10.7×10-15 с3/кг иggggM gg(m) = M gg( p ) = 10.4×10-15 с3/кгдифракциинаоднойАОсоответственно.
Это значит, что послеячейкеэллиптическиполяризованногосветасоотношение его поляризационных компонент практически не изменятся. Тогдакак создание АО устройств не чувствительных к поляризации света обычнотребует использования двух АО ячеек [98, 99].Для практики важно также, что акустическая волна, распространяющаяся вуказанном направлении, не испытывает сноса в плоскости NpNg, и незначительно,не более чем на 1○, отклоняется в плоскости NmNg из-за анизотропии. Практическиважный спектральный диапазон такого модулятора лежит от 0.8 до 3 мкм,-- 79 --поскольку кристалл KLuW, легированный ионами редкоземельных металлов (Nd,Er, Ho, Yb, Tm), можно использовать для генерации лазерного излучения сдлинами волн λ от ~0.85 до 2.9445 мкм, в зависимости от используемогоисточника света для накачки [25].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
