Тонкий модулятор (дифракция Рамана-Ната) и Брэговский режим (толстый модулятор)

При ортогональном падении света на поверхность кристалла проходящий свет c длиной волны и звуковой волной — дифрагирует под углом в несколько дифракционных порядков :

Практический интерес представляет случай, когда свет (лазерный пучок) направляется на стекло под углом Брэгга. При этом наблюдается дифракция Брэгга, при которой интенсивности всех дифракционных максимумов, кроме первого, становятся пренебрежимо малыми.

Характеристики АОМ

Дифракционный угол
Длина волны звуковой волны в стекле равна: ,
где — скорость звука (см. таблицу ниже), а — частота звука. При частоте модуляции 80 МГц (самая распространенная частота АОМ) и скорости звука в стекле ~3км/сек, длина волны звука в стекле составляет мкм, а угол отклонения дифрагированного луча первого порядка равен около 10 миллирадиан.

Интенсивность

Интенсивность дифрагированных лучей зависит от интенсивности звуковой волны. Модулируя интенсивность звуковой волны можно менять (нелинейно) интенсивность дифраированных лучей. Как правило, интенсивность луча нулевого порядка меняется от 15 % до 99 %, а интенсивность первого порядка — (0-80)%. Контрастность модуляции может достигать 1000.

Частота

Частота дифрагированных лучей вследствие эффекта Допплера изменяется по формуле

Такое смещение частоты обусловливается также законом сохранения энергии и импульса (фотонов и фононов). В некоторых АОМ акустические волны, распространяющиеся в противоположных направлениях, создают стоячую волну, в результате частоты дифракционных порядков не меняется.

Фаза

Фаза дифрагированных лучей также смещается на величину фазы звуковой волны.

Поляризация

Звуковая волна наводит двулучепреломление в стекле, поэтому поляризация света после прохождения модулятора может меняться
Допустимая частота модуляции для АОМ определяются упругооптическими свойствами акустической среды и может достигать 350 МГц (Эффективность АОМ на такой частоте не велика ~10-20 %).

Быстродействие

Быстродействие АОМ ограничивается временем прохождения звуковой волны через сечение светового пучка , (где d — поперечный размер лазерного луча, v - скорость звука в материале ячейки) и составляет ~(2-10) мксек. АОМ может работать в режиме модулятора и дефлектора (т.е отклонять по углу падающий луч, при изменении частоты звуковой волны).

Конструкция прибора

Образцы выпускаемых промышленностью АОМ

Схема использования АОМ. Лазерное излучение с помощь линзы фокусируется на АОМ(фокус линзы 20-30см). Чем меньше пятно фокусировки, тем лучше быстродействие АОМ

Оптически полированное стекло с помощью пайки под давлением (metal pressure bonding) соединяется с пьезопреобразователем, изготовленным из ниобата лития. Толщина пластины ниобата лития выбирается из нужной частоты модуляции (вплоть до 1ГГц).

 

 

Акустооптические методы управления в планарных структурах

Под действием акустической волны происходит изменение диэлектрической проницаемости среды за счет двух эффектов. Первый эффект – фотоупругий, описываемый тензором четвертого ранга:

 

, (3.1)

 

где — компоненты невозмущенного тензора диэлектрической проницаемости, — компоненты фотоупругого тензора, измеренные при постоянном электрическом поле, — компоненты тензора деформаций, вызванные упругой волной.

Второй эффект является непрямым и проявляется в средах без центра симметрии — упругая волна за счет пьезоэффекта создает электрическое поле, которое за счет электрооптического эффекта изменяет :

 

, (3.2)

 

где — компонента электрооптического тензора , — компонента пьезоэлектрического тензора , — компонента вектора волновой нормали акустической волны, — компонента поля , создаваемого упругой волной,

t — компонента тензора на частоте упругой волны.

Заметим, что в «сильных» пьезоэлектриках типа LiNbO3, LiTaO3 и сравнимы друг с другом.

 

 

Список используемой литературы

1. Н.В. Никоноров, С.М. Шандаров. «Волноводная фотоника». Учебное пособие, курс лекций. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008 г. - 142 стр.

2. А.И. Сидоров, Н.В. Никоноров «Материалы и технологии интегральной оптики». Учебное пособие, курс лекций. СПб: СПбГУ ИТМО, 2009 г. – 107 стр.

3. Порфирьев Л.Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем: учебное пособие. - Спб.: Машиностроение,20033 -- 272 с.

4. Материалы из интернета.