Magnich_L_N__Molchanov_V_Ya_-_Akustoopticheskie_u (1239102), страница 7
Текст из файла (страница 7)
§ 2.2)). Найдем частотную характеристикумодулятора при таком режиме работы.2. а>1. В этом случае при интегрировании (2.2) можно пренеоречь двумя первыми сомножителями, и для частотной характеристики получится выражение37лойПолоса модулирующих частот на уровне 0,5 определится форму*Легко видеть, что величина Ζ,(λ/Λ) есть проекция световоюпучка, пересекающего акустический столб, на направление распространения звуковой волны, и, следовательно, как и в предыдущемслучае, полоса модулирующих частот определяется временем пробегазвуковогофронтачерезЦХ/л).падающий пучок, τ1 =·—~-Нтеперь полоса модулятора не зависит от величины перетяжкипадающего света, а определяется длиной преобразователя.
Еслирассмотреть модуляцию света акустическими импульсами (2.6), то,выполняя действия, аналогичные тем, что производились в предыдущем случае, легко показать, что фронт светового импульса, переданного модулятором, является линейной функцией времени.Для времени нарастания светового импульса tr\ можно получить следующий результат:<„ -0.4^ = 0.*,.(Μ*)Итак, при а> 1 в отличие от предыдущего случая полоса модулирующих частот не зависит от величины перетяжки падающеюсвета. Она обратно пропорциональна времени пробега звука черездифрагированный свет. Иными словами, максимальная полоса, которую может в принципе иметь АОМ, определяется его центральнойрабочей частотой и длиной его преобразователя. Если (2.11) переписать в видето становится очевидным, что полоса модулятора обратно пропорциональна центральной рабочей частоте. Последнее утверждениетем не менее не противоречит действительности, поскольку относится к области достаточно высоких частот, при которых еще не перекрываются прошедший и дифрагированный пучки.
Подробнее этаособенность будет рассмотрена в следующем параграфе.Выводы, сделанные в этом параграфе, иллюстрируются рис. 2.3, где приведена экспериментальная зависимость времени нарастания светового импульса ir, переданного АОМ видимого диапазона на тяжелом флинтеТФ-7, от величины перетяжки падающего света WQ. Н<оси абсцисс обозначены также соответствующие значения отношения расходимостей а. Штриховые прямые ^экстраполяции предельных значений времени нарастания (2.10) и (2.12).
Из рис. 2.3 следует, что уменьшение перетяжки падающего света целесообразно лишь #значения а^2, при котором фактически уже реализует38ся максимальная полоса. С другой стороны, согласнооис 1.9, с увеличением а уменьшается и эффективностьмодулятора (при а=2 она составляет около 60% отмаксимального значения).842Рис 2.3. Зависимость времени *»нарастания светового импульса1мот величины перетяжки падающего света:120L=52 мм; λ0=0,6328 мкм; я =-1,728;/0=80 МГц; Л=45 мкм.
Время нарастания акустического импульса tra ==20 не1о/о*„.8-'0,8.2w0,MMКомпромисс между полосой и эффективностью модулятора может быть достигнут при близких соотношениях расходимостей света и звука. Поэтому областьзначений азе! для АОМ считается оптимальной.2.2. Предельная полоса модулирующих частотРассмотрим ограничение полосы АОМ при уменьшении акустической частоты, связанное с перекрытиемпрошедшего и дифрагированного пучков. Как легко видеть, для достижения высокой контрастности необходимо, чтобы радиус перетяжки светового пучка WQв области акустического поля удовлетворял условию(2.13)где: ta; M =2u/jr/o — радиус перетяжки, при которой прошедший и дифрагированный пучки перекрываются науровне 1/е 2 по интенсивности; s — коэффициент запаса.Соотношения (2.4) и (2.13) определяют допустимуюполосу модулирующих частот Δ/Μο на уровне 0,5Найдем предельную полосу модулирующих частотпри а=1 с учетом ограничения (2.14).
В предположениислабого взаимодействия распределение поля дифрагированного света при а=1 незначительно отличается отраспределения падающего поля. Это позволяет с некото-рым приближением воспользоваться формулами, выведенными для а<С1. Из (1.44) и (2.4) следует, что полоса АОМ при а=1, равнаГрафики функций Af M o и Δ/Μι в зависимости от центральной частоты представлены на рис. 2.4.
Область частот, в которой дифрагированный и прошедший пучкиперекрываются, заштрихована. Максимальная (предельная) полоса модуляторов Δ/мтах достигается в точке·Рис. 2.4. Полоса частот акустооптического модулятора в зависимости от центральной частоты.Область частот, которыенельзяреализовать, заштрихованапересечения кривых Δ/Μο и Δ/Μι· Онацентральной частоте /Οιреализуется наи равна(2.16)Из (2.16) следует, что предельная полоса АОМ являетсяфункцией длины его преобразователя.
Выражения (2.15)и (2.16) определяют оптимальные параметры АОМ.Определим наибольшее значение величины произведения эффективности на полосу модулирующих частот.Из выражений (1.36) (при а— 1 формула (1.36). даетзначение эффективности, завышенное примерно на 20%)и (2.16) имеемШирину пьезопреобразователя Я выбирают с коэффициентом запаса Si, так что H=2siW0. Выражая WQ какфункцию L из условия равенства расходимостей светаи звука на частоте /οι, для произведения эффективности1Qмодулятора йа его полосу^=2,28,.(2.17)Практические расчеты удобно производить по видоизмененной формуле (2.17)Вт }**-~^™-ινсм \ ,, / относительно \1^ плавленого кварца j~ ~ β ^ λ ' ο (мкм)'где ηι — эффективность, отнесенная к 1 Вт акустическоймощности.Последнее выражение показывает, что произведениеэффективности на полосу для оптимального сконструированного АОМ определяется лишь свойствами акустооптического вещества и длиной волны излучения.
Полагая ηι=1, например для молибдата свинца, найдем придлине волны излучения 0,63 мкмД/ мтах ^ (1/02,7· 108 (МГц/Вт).Для АОМ на германии с длиной волны 10,6 мкм) 3,4-10 1 (МГц/Вт).?1Разумеется, эти числа имеют оценочный характер, темне менее предложенные формулы могут оказаться полезными при конструировании АОМ.2.3. Конструкция акустооптического модулятораВнешний вид АОМ видимого диапазона показан нарис.
2.5. Акустооптической средой этого модулятораявляется стекло (тяжелый флинт ТФ-7), отличающеесяот других стекол относительно невысоким поглощениемзвука (по сравнению с поглощением в распространенных кристаллических акустооптических материалах этотпараметр у стекла ТФ-7 велик и составляет 3 дБ /см начастоте 100 МГц). Продольная акустическая волна возоуждается пьезопреобразователем из ниобата лития, вырезанного под углом 36° к оси Υ. С поверхностью стекла41Рис. 2.5. Внешний вид АОМ на длину волны λο=0,6328 мкмпьезопреобразователь соединен методом диффузионнойиндиевой сварки. Акустический пучок имеет размерыL=IQ мм, Я=0,7 мм.С тыльной стороны к пьезопреобразователю черезтеплопроводную пасту присоединен теплоотвод из сапфира. Для поглощения акустической энергии, прошедшей через световой луч, к поверхности звукопровода,противоположной пьезопреобразователю,методом холодной сварки присоединялась пластина из индия.
Чтобы отраженный от индиевой нагрузки луч не участвовалРис. 2.6. Осциллограмма фронта светового импульса.Масштаб развертки 20 не/см. Увеличение интенсивности — вниз42в процессе дифракции, эта /0поверхностьскашивалась -'/ ' °под углом 2°.Центральная рабочая чаiстотамодулятора/0===80 МГц. Импеданс преобразователя согласован с 50- ^омным трактом модулирующего СВЧ сигнала в полосечастот ±10 МГц с помощью 20трансформаторнойсогласующей системы.
Величинаперетяжки света wQ—Q,l м м , о4(коэффициент запасаs=·=3,5). Измерения ПрОВОДИ- Рис 2.7. Эффективность АОМЛИСЬ на длине ВОЛНЫ К$= в зависимости от СВЧ мощно=0,63 мкм. На рис. 2.6 постиказана фотография фронтасветового импульса, переданного АОМ. Экспериментальная зависимость относительной интенсивности 1\ /7°дифрагированного света (эффективности) от СВЧ мощности приведена на рис.
2.7. Эффективность дифракциидостигает 50% на 1 Вт СВЧ мощности.2.4. Тепловые искажения в модуляторахПри работе любого акустооптического устройства в последнемвозникают температурные градиенты вследствие выделения теплав преобразователе, звуковом столбе и звукопоглотителе. Они вызывают искажения оптических характеристик звукопровода и соответственно искажения полей как прошедшего, так и дифрагированного пучков. Тепловая фокусировка в акустооптических устройствахна халькогенидных стеклах и прустите была рассмотрена в работе[23], в работе [24] исследовано влияние тепловыделения на характеристики акустооптических дефлекторов на молибдате свинца.В этом параграфе даны рекомендации по уменьшению тепловыхискажений в акустооптических модуляторах на стеклах.Предположим, что нагрев прибора обусловлен поглощениемакустической мощности в звукопроводе. Такая ситуация обычноимеет место в акустооптических модуляторах на стеклах из группытяжелых флинтов, которые обладают большими коэффициентамипоглощения звука, чем монокристаллические вещества.
Будем считать, что световой пучок проходит достаточно далеко от пьезопреобразователя и согласованной акустической нагрузки, и выделениемтепла в них можно пренебречь. В большинстве реальных акустооптиеских модуляторов света это условие как правило выполняется,редположим также, что апертура сфокусированного светового пучамала, так что затухание звука вдоль апертуры не происходит.43В этом случае в области поглощения звукопровод приобретает свойства цилиндрической линзы, действующей в плоскости, перпендикулярной плоскости дифракции.
Фокусное расстояние этой линзы Fопределяется выражением [24]:= 2β(/ΐα + dn/dT)Pa >где κ, β и α — коэффициенты теплопроводности, поглощения и термического расширения, dn/dT — температурный коэффициент показателя преломления.Для гауссовых пучков (вообще говоря, для пучков, описывающихся функциями с разделяющимися переменными) распределениеполя дифрагированного света в плоскости, перпендикулярной плоскости дифракции, не зависит от величины акустической мощностии совпадает с распределением падающего пучка.
На распределениеполя в этой плоскости влияет только тепловая линза. Распределениеостанется гауссовым, но расходимость пучка будет зависеть отакустической (мощности. Расходимость дифрагированного пучка будет зависеть также от расположения модулятора относительно перетяжки падающего света.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
