Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990) (1151950), страница 63
Текст из файла (страница 63)
В этом случае имеет место максимальное значение двойного лучепреломления (п~ — и,) в формуле (11,2). В используемых в модуляторах кристаллах двулучепреломление, а следовательно, набег фазы сильно зависят от изменения температуры окружающей среды. Для комяеисации этого эффекта используется каскадное включение двух кристаллов со сдвинутыми на 90 кристаллографнческимн осями. В качестве активного материала в электрооптических модуляторах используются ниобат лития, таиталат лития, арсеннд галлия, а также кристаллы дигидрофосфата калия, дигидрофосфата аммония и другие. С техническими и спектральными характеристиками электро- оптических модуляторов можно ознакомиться в справочной литературе по лазерной технике.
Акустоонтические модуляторы. Акустические волин также можно использовать для управления параметрами лазерного излучения. Акустооптнческнй эффект заключается в изменении показателя преломления, которое вызывается механическими напряжениями (фотоупругий эффект), возннкакзпимя прк прохождении упругих акустических волн по материалу. В результате этого имеет место периодическое изменение показателя преломления. Следует отметить два основных типа акустооптических модуляторов: конфигурации Брэгга и Рамана — Ната, отличающиеся друг от друга в основном длиной взаимодействия между оптическими и акустическими волнами. Изменение показателя преломления Лл связано с акустической мощностью выражением Ли = )/ и'р'1О'Р„/2ри,'А, (11.6) где л — показатель преломления материала в отсутствие напряжения; р — соответствующий элемент тензора фотоупругостн: Р, = полная акустическая мощность; р — плотность материала; о, — скорость звуковых волн; А — площадь поперечного сечения образца, через которую проходит волна.
Обозначим в формуле (11.6) е г/ д Для 11Х50, прн Х =- 0,6328 мкм значение л = 6,9 10эм сз/см, а для плавленного кварца й = 1,51 10 " с'/см. Таким образом, из выражения (11.6) следует, что значение Ли для зтнх материалов имеет порядок !О ' при плотности мощности акустической волны 100 Вт/см'. Несмотря на столь малое значение Лл, которое можно получить с помощью акустических волн, полное их воздействие на пучок света оказывается существеииым я, таким образом, оказывается возможным получать значительные днфракционные эффекты. В акустооптических модуляторах в основном используется бегущая акустическая волна, поэтому нндуцнруемая рщпеточная структура профиля показателя преломления материала фактически движется относительно лазерного луча.
Дифракция оптических волн достигается за счет взаимодействия с объемнымн либо с поверхкостпыми акустическими волнами. Последний эффект используется в оптических интегральных схемах. Возможны два основных вида акустооптической модуляции. В модуляторах типа Рамана †На лазерный луч падает перпендикулярно к акустическому пучку, и длина взаимодействия между ними относительно мала.
Оптические волны дифрагируют на фазовой решетке, что приводит к получению ряда интерфереиционных пиков в картине дальнего поля, В модуляторах типа Брэгга лазерный луч падает под определенным углом (углом Брэгга) к штрихам решеточной структуры, н при этом наблюдается лишь один дифракционный максимум в картине излучения в дальнем поле. Схема акусткческого модулятора Рамана †На представлена на рнс. 11.1, а, Вследствие взаимодействия луч испытывает сдвиг фазы Лч = (Лл2п//)4 з!и (2пу/Л), (! 1.7) где ),, — длина волны излучения лазера; Л вЂ” длина волны звука.
Лазерный луч распространяется вдоль осн г, а начало координат соответствует центру падающего луча. Из (11.6) и (11.7) следует, что Лйр = (2л/Хо) )/ (й10'Р, 1/2а) з!и (2ну/Л), зтв ларя лак "и л рярок В-и лорярак -й лорязак НалраВление еВукарао Валяю 2.й лорярок р' ~ и-и ларяВак 1кл4 Рпс. Ы Л. Схема ахустооптическом модулятора: а — Рамана — Ната; ив Брагга -д ларяуак вин лалризление езрказаи Валим Для получения дифракции Рамана — Ната длина взаимодействия должна быть малой, чтобы не возникло многократной дифракции, т. е. должно выполняться условие Е <( Лей, (11.8) где Х вЂ” длина волны луча внутри матерчала модулятора.
Лазерный луч дифрагирует на ряд пучков разных порядков, которые с углом О связаны следующим образом: з1п 8 = яйе/Л, тл = О, ~1, *2, .... (11.9) Интенсивность излучения в дифракцнониом пучке соответствующего порядка задается соотношением [У (Лч')53, ~яч)=: О; ~Па = 1,1о (ЛЧ~') 1'~ где е' — функция Бесселя; 1а — интенсивность лазерного луча, прошедшего через модулятор при отсутствии акустического поля; Лер' — максимальное значение Л~р, определяемое формулой ~11.7), кч=а 1и~~,-(2 ~1 )ттгаРД2 . (11.10) Выходным сигналом обычно берут дифракциоииый пучок света нулевого порядка. В таком случае глубина модуляции равна 279 части света, которая уходит нз нулевого в более высокие порядки," Ч = 1/о — /(ш = 0))//о = 1 — (/о (йр'))'. Модуляторы Рамана — Ната представляют интерес в большей мере с теоретической точки зрения.
Они имеют меньшую глубину модуляции, чем модуляторы Брэгга, и поэтому используются сравнительно редко. В модуляторах Брэгга (рис. 11.1, б) длина взаимодействия между лазерным лучом н акустическим полем должна быть значительно большей, удовлетворяющей условию 1 )~ Ло/А. (11.11) Из сравнения выражений (!1.8) и (11.11) можно увидеть, что существует некоторая промежуточная область 1Х, в которой имеют места н дифракция Рамана — Ната, и дифракция Брэгга. В случае реализации модулятора Брэгга угол падения лазерного луча должен равняться углу Брэгга 0з, ко~орый определяется соотношением з(п 0з = л/2Л.
Дифракционный пу~ок 1-го порядка выходит под углам 20з по отношению к пучку 0-га порядка. В таком случае глубину модуляции рассчитывают по формуле т) =- з(по (Ьч;/2). (11.12) Примем, что 1, — интенсивность излучения, прошедшая через модулятор, в отсутствие акустического поля; ! — интенсивность излучения в пучке нулевого порядка при наличии акустического поля. Глубина модуляции может быть определена с учетом выражений (11.10) н (11.12): т) = (/о — /)//о — Ып' ((и/Хо) Р 10ойР,//2а 3. Модуляторы Рамана — Ната и Брэгга могут быть изготовлены как в виде отдельного автономного прибора, так и в виде элемента оптической интегральной схемы. Обычно считают что если выполняется условие а/) '2 1, то это объемный модулятор. Таким образом, модуляция интенсивности осуществляется изменением акустической мощности, подводимой к электроакустическому преобразователю.
Предельное значение ширины полосы пропускання определяется временем пробега ультразвуковой волны сечения светового пучка. Длительность фронта ть днфрагированного светового пучка при подаче иа вход ультразвуковой ячейки импульса прямоугольной формы приблизительно равна те~1,3 го/о„ где го — радиус светового пучка на уровне 1/е интенсивности (при гауссовой форме сечения излучения). Так как полоса прапускания А/ = 0,35/тэ, полу~аем ц/ Мува/го' (Н.13) зво Поскольку обычно Х (( Л, то агсз1п Ъ~2Л ж И2Х =- Ц,Ц2по ), где 1, — акустическая частота. Для обеспечения качественного разделения дифрагированного и недифрагнрованного световых пучков необходимо выполнение условия ), = 4~,/(ю,).
(11.14) Сравнивая (11.1о) и (! 1.14), получаем )„ж бй~. Максимальная полоса пропускания существующих акустических модуляторов составляет десятки мегагерц, Особенностью модуляторов этого типа является хорошая температурная стабильность. В качестве оптического материала для модуляторов используются ннобат лития, арсенид галлия, фосфид галлия и другие.
11.2, ДБФЛЦКТОРЫ Эти устройства, как отмечалось ранее, позволяют изменять направление распространения луча по определенному закону илн осуществлять сканирование луча, К основным характеристикам дефлекторов можно отнести разрешающую способность, скорость сканирования, эффективность сканирования, удельную электрическую мощность. Разрешающая способность лазерного дефлектора равна количеству элементов разрешения в пределах угла сканирования ЬО; У - "ЬО/60, где 69 — угловая расходимость излучения лазера, Скорость сканирования характеризуется максимальным временем, в течение которого лазерный луч перебрасывается из одного крайнего положения в другое. Эффективность сканирования определяет потери света в дефлекторе. Оиа равна отношению интенсивности отклоненного луча к интенсивности падающего луча на дефлекгор.
Удельная мощность — это затраченная мощность для обеспечения отклонения луча на полный угол сканирования. В дефлекторах используются механический, электрооптическнй и акустооптический принципы сканирования, Наиболее простым принципом является механический. Однако он обладает ограниченным быстродействием н поэтому применяется весьма редко. Наиболее широкое применение нашли электрооптический и акустооптический принципы, которые позволяют осуществлять непрерывное или дискретное сканирование луча.
В дефлекторах непрерывного отклонения на основе электро- оптических материалов показатель преломления материала под действием приложенною напряжения изменяется на некоторую величину Ла. Если иа призму из электрооптнческого материала с углом при вершине и падает под углом ~р лазерный луч н под 281 углом О он выходит нз призмы, го изменение угла, под которым луч выходит из призмы, в зависимости от изменения показателя преломления определяется соотношением ЬО = (з(п а/(соз О соз ф) ) Ьл„ где ф — угол преломления лазерного луча. В том случае, если угловая расходимость лазерного луча зависит только от дифракционного предела Х/О, где 0 — диаметр луча, чо разрешающая способность призмеиного дефлектора будет равна /(/ = ЬО/ОО = с Ьп з)п а/(Х соз 0 соз ф).
(11.15) Анализируя формулу (11.15)„получим максимальную разрешающую способность /У, =)йий, которая зависит в основном от длины основания призмы 1, Обычно на практике используют нормальное падение луча на грань призмы. В этом случае прошедший через призму луч будет иметь начальное отклонение на угол Ою Для компенсации угла Оэ первую пркзму сопрягают со второй. При этом луч проходит через две призмы и сохраняет направление своего распространения. Если приложить электрическое поле (поперечный электро- оптический эффект), то после второй призмы луч отклонится на некоторый угол М. В качестве электрооптического материала для дефлекторов используют титанат бария, танталат ннобия, дигндрофосфат калия и др. Быстродействие дефлекторов определяется скоростью переключения управляющего напряжения, которое составляет несколько сотен вольт.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
