Диссертация (1103331), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Анализ параметров модулятора позволяетутверждать, что для этого диапазона длин волн задача реализуема на практике.Расчет[97]показал,чтонадлиневолныλ = 0.85 мкмпридлинепъезопреобразователя 2 см и ширине 1 мм эффективность дифракции может бытьблизка к 100% при управляющей мощности 2 Вт. На длине волны 2.9 мкмуправляющая мощность, обеспечивающая коэффициент дифракции более 80%,составит примерно 4 Вт, при длине пьезопреобразователя 4 см и ширине 0.5 мм.Таким образом, по эффективности дифракции модулятор на KLuW всего лишьвдвое уступает существующим на кристалле TeO2 , при этом обеспечивая намногоболее высокую лучевую стойкость.-- 80 --3.3 Комбинированный элементБлагодаря сочетанию лазерных и акустооптических свойств одновременно вкаждом из рассмотренных материалов семейства KRE(WO4)2 открываютсявозможностиобъединитьфункциигенерацииизлученияимодуляциидобротности лазера в одном функциональном элементе [100, 27].
На Рис. 3.6показан эскиз такого устройства для кристалла KLu(WO4)2. Накачка лазерногоэлемента внешним излучением осуществляется в вертикальном направлении, агенерация излучения и дифракция происходят в горизонтальной плоскости.Модуляция добротности лазера осуществляется путем изменения коэффициентапотерь в резонаторе за счет управляемого вывода части света из резонатора.За счет реализации двух функций в одном кристаллическом образце,возможно уменьшить оптические потери и упростить конструкция лазера.Благодаря более высокой АО эффективности кристалла KLuW, чем уиспользуемого сейчас в модуляторах добротности кварца, можно отказаться отактивного охлаждения устройства и кристалла.Эффективность акустооптического взаимодействия сильно зависит оториентации кристаллического образца из-за выраженной анизотропии упругих ифотоупругих свойств.
А для целей генерации основополагающее значение имеетконцентрация легирующих элементов и ее равномерное по объему распределения,а ориентация направления генерации относительно кристаллофизических илидиэлектрических осей не имеет столь высокого значения. При этом легированиематериалов в том количестве, которые применяется в практике (до 7-10%), неприводит к заметному изменению упругих, фотоупругих и оптическиххарактеристик, несмотря на выраженную цветовую окраску кристаллическихобразцов. В большей степени легирование сказывается на механическихсвойствах материалов и оказывается заметным при обработке элементов.На приведенной схеме (Рис.
3.6) резонатор комбинированного устройствана кристалле KLuW ориентирован вдоль оси Nm, т.е. поперек кристаллическогонаправления роста кристалла, которой является ось симметрии второго порядка-- 81 --Y ≡ Np. Что вносит ограничение на длину резонатора, т.к. увеличение образца втаком направлении требует увеличения основания установки для ростакристаллов. В то же время на кристалле KGW аналогичная схема дифракцииможет быть реализована, хотя и с несколько меньшей эффективностьюдифракции, при распространении света вдоль оси Np (см. Главу 3.2).
В этомслучае размеры резонатора определяются длиной кристаллической заготовкивдоль оси симметрии, что может быть предпочтительнее с точки зренияпрактической реализации.Рис. 3.6. Схема активного лазерного элемента на основе кристалла KLuW ссовмещенным АО модулятором добротности.-- 82 --3.4 Дефлектор со значительной полосой перестройки и большой угловойапертуройОптическая двуосность кристалла KLuW позволяет создавать на его основеновые виды АО устройств, которые нереализуемы в одноосных кристаллах [48],как правило используемых в акустооптике. Например, возможно созданиеоднокоординатного дефлектора со значительной полосой перестройки и большойугловой апертурой [101], что перекликается с идеями из [102].
Для этого следуетиспользовать геометрию дифракции (см. Рис. 3.7), при которой волновой векторультразвука K параллелен касательной к волновым поверхностям обеихоптических мод, что с одной стороны обеспечивает выполнение условийдифракции для расходящихся пучков с достаточно широкой апертурой (∆Θ1), а сдругой – возможность перестройки направления дифрагированной волны вбольшом диапазоне углов (∆Θ2 ∼ ∆K ∼ ∆f) путем изменения частоты ультразвука f[103, 104]. Большая угловая апертура светового пучка позволяет, в частности,осуществлять эффективную модуляцию гауссового пучка в его перетяжке, т.е. вгеометрии, минимизирующей поперечные размеры пучка и соответственно времяпереключения модулятора.
Большая угловая апертура позволяет также проводитьоперации над пучками, переносящими изображения. При этом режим дефлекторапозволяетосуществлятьнарядусамплитудноймодуляциейещеипространственное управление пучком, существенно расширяя возможные видыуправления лазерным излучением.Эту геометрию отличают еще два важных для практической реализациисвойства:1. ортогональность падающего светового пучка акустическому столбуkinc ⊥ K, что обеспечивает удобную конфигурацию и большой уголотклонения дифрагированного пучка;2. какследствие,ультразвука.требуетиспользованиявесьмавысокихчастот-- 83 --Рис.
3.7. Диаграммаволновыхвектороввгеометрииширокоапертурногодефлектора. kinp – волновой вектор света вне кристалла, K – волновойвектор ультразвука. Прямоугольником обозначена АО ячейка.Требуемая частота ультразвука связана с длиной волны света λ следующимсоотношением [101]:1f=Vs λ(ng2 − nm2 )(nm2 − n 2p )nm,(3.3)где Vs – скорость звука. Имеющихся данных о характеристиках кристаллов KLuWдостаточно для определения основных характеристик такого АО дефлектора(см. Таблицу 3.2),вкоторомиспользуетсягеометриядифракции,предусматривающая взаимодействие двух мод световых волн с поляризациями внаправлении оси Nm и в плоскости NpNg, для чего используется медленнаясдвиговая акустическая волна с поляризацией около оси Nm. Скоростьраспространения такой волны в зависимости от направления лежит в диапазоне от2.080 до 2.086 км/с.
При дифракции в этой геометрии акустооптическоговзаимодействия будет происходить преобразование поляризаций света (повектору E) по оси Nm к плоскости NpNg, который обусловлен компонентами ∆B5 и∆B6. Как описано в Главе 2.2, такая акустическая волна производит следующую-- 84 --связь компонент деформации оптической индикатрисы и фотоупругимимодулями:∆B5 = S2∙p52 + S3∙p53 + S4∙p54 + S5∙p55 ;∆B6 = S4∙p64 + S6∙p66 .(3.4)Причем компонента матрицы деформации S2 мала и равна 0.02, тогда какостальные компоненты заметно больше: S3 = 0.14, S4 = 0.18 и S5 = 0.63, S6 = 0.75.Таким образом, основной вклад в компоненты деформации индикатрисы даютдиагональные фотоупругие модули p55 и p66.ДлясравнениявТаблице 3.2приведеныоценкихарактеристиканалогичного дефлектора на кристалле ванадата висмута BiVO4 [105], которыйявляется перспективным АО материалом с высоким коэффициентом качества ивыраженной оптической анизотропией.
Видно, что управляющая частота длядефлектора на KLuW во много раз ниже и реально достижима, особенно дляизлучения ИК диапазона.Таблица 3.2. Характеристики дефлектора с широкой угловой апертурой накристалле KLuWМатериалДлина волны λKLu(WO4)2BiVO40.633 мкм1.064 мкм1.55 мкм0.633 мкмЧастота, ГГц1.81.10.810Угол падающего света, Θ140.5○39.7○39.4○46.0○Угол выходящего света, Θ268.8○68.2○67.9○79.7○Отход от оптической оси не в плоскости NpNg , а в ортогональномнаправлении, также возможен и представляет интерес.
Подобный подходпозволит заметно снизить необходимую частоту ультразвука, необходимую дляфазового синхронизма.Допустимая угловая апертура падающего света может быть оценена изгеометрического фактора как ∆θполн ≈ �≈ 1○, при длине волны света-- 85 --λ = 0.633 мкм и длине взаимодействия L = 2 мм. С учетом значения показателейпреломления n ≈ 2, для падающего снаружи оптического излучения максимальнаяугловая апертура составляет до 2○. Что может позволить устройству работать снеколлимированными оптическим излучением, т.е.
отклонять пучки, переносящиеизображения, а также устанавливать устройство в перетяжке гауссового пучка. Всвою очередь, это позволит минимизировать поперечный размер оптическогопучкаисократитьраспространениявремяпереключенияуправляющегосигналадефлекторавкристалледосо20 нс,из-заскоростьюсоответствующей акустической моды. Причем, для реализации такой геометриине потребуется использовать длиннофокусную оптику, как в случае страдиционными АО дефлекторами.Аналогичный анализ был проведен и для дефлектора с широкой угловойапертурой на кристалле KGW [106, 107].
Таким образом, широкоапертурныйдефлектор на кристалле KLuW может использоваться для эффективногоуправления мощным лазерным излучением с высокой частотой переключения.-- 86 --3.5 Коллинеарный фильтрКоллинеарные акустооптические фильтры представляют особый интерес[108], поскольку позволяют получить высокое спектральное разрешение исравнительно более низкую мощность управляющего сигнала, благодарявозможностиувеличитьдлинувзаимодействиябезпропорциональногоувеличения длины пъезопреобразователя. Для применений в спектроскопии и дляфильтрации изображений необходима широкая угловая апертура, котораядостигаетсявприосевыхнаправленияхвзаимодействия,т.е.вдольдиэлектрических осей Nm, Np и Ng.Из простых геометрических соображений можно определить необходимуючастоту синхронизмаf (θ ) =V (θ )λδ n(θ ) , которая пропорциональна величинедвулучепреломления. В кристаллах KREW разность показателей преломлениянаиболее велика для коллинеарного взаимодействия вдоль оси Nm : емусоответствует практически в два раза более высокая частота ультразвука, чем длядвух остальных осевых направлений.
Особый интерес представляет коллинеарноевзаимодействие в плоскости оптических осей NpNg , в которой разностьпоказателей преломления выражается следующим образом:δ n(θ=) nm −n p ngng 2 cos 2 θ + n p 2 sin 2 θ.(3.5)Была исследована зависимость частоты коллинеарной дифракции отнаправления взаимодействия для красного света λ = 632.8 нм, где V - скоростьультразвука в выбранном направлении кристалла KLuW. Анализ показал, чтотребуемая частота фазового синхронизма наименьшая для этого материала всемействе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
