1 АКУСТООПТИЧЕСКИЕ МОДУЛЯТОРЫ ДОБРОТНОСТИ
Акустооптический модулятор представляет собой участок оптически прозрачной среды (например, плавленого кварца для видимой области или германия для среднего и дальнего ИК-диапазона), в котором с помощью прикрепленного с одной стороны пьезоэлектрического преобразователя, подключенного к ВЧ-генератору, возбуждается ультразвуковая волна (рис. 8.7а). I Если противоположная преобразователю сторона участка прозрачной среды срезана под некоторым углом и на нее нанесен поглотитель для акустиче - 1 ской волны, то отражения назад не будет и в среде возникнет бегущая аку - | стическая волна (рис. 8.76). Механическое напряжение, наведенное ультра - 1 звуковой волной, вызовет локальные изменения показателя преломления I среды (фотоупругий эффект). Это периодическое изменение показателя пре - ' ломления можно рассматривать как фазовую дифракционную решетку, период которой равен длине акустической волны, а амплитуда пропорциональна амплитуде звука, и которая передвигается в среде со скоростью звука (фазовая решетка бегущей волны). Таким образом, это приводит к тому, что часть падающего пучка отклоняется от направления распространения и выходит из резонатора [10]. Если аку стооптическую ячейку поместить в резонатор лазера (см. рис. 8.7б), то до тех пор, пока к преобразователю приложено электрическое напряжение, в резонаторе существуют дополнительные потери (из-за дифракции). Если приложенное напряжение достаточно велико, то дополнительные потери приведут к прекращению лазерной генерации. Возвращение лазера в состояние с высокой добротностью происходит при выключении электрического напряжения на преобразователе.
Чтобы получить более глубокое представление о работе аку стооптического модулятора, рассмотрим случай, когда длина I/ оптической среды достаточно велика и поэтому решетка действует как толстая фазовая решетка. Для реализации этого случая необходимо, чтобы выполнялось следующее условие:
|
Выходное Излучение
Рис. 8.7 А) Падающий, прошедший и дифрагированный пучки в акустооптическом модуляторе (брэгговский режим). 6) Устройство лазера с модуляцией добротности на акустооптическом модуляторе |
Шая доля г) падающего пучка (обычно эффективность дифракции составляет 1-2% на каждый ватт мощности ВЧ-сигнала). Следует отметить, что условие (8.4.4) может быть записано и в виде неравенства (XI//яА, а) » Ха. Данное условие говорит о том, что волна малой длительности, дифрагировавшая на апертуре Ха (при входе в кристалл), распространяется в направлении выходной плоскости кристалла на величину оптического пути ХЬ'/пХа9 которое должно быть намного больше апертуры Ха. Действительно, при таком условии каждая волна малой длительности, дифрагировавшая при входе в кристалл, будет суммироваться (до выхода из кристалла) с такими же волнами, распространяющимися в пределах других апертур Ха кристалла, формируя таким образом объемную дифракцию.[38]
Пример 8.3. Условия для режима дифракции Брэгга в кварцевом акустооптическом модуляторе. Рассмотрим акустооптическую ячейку, которая возбуждается на частоте уа = 50 МГц и положим, что скорость поперечной (сдвиговой) волны в кварце равна V = 3,76 • 105 см/с. Длина звуковой волны в этом случае равна Ха = и/уа = 75 мкм. Учитывая, что показатель преломления для кварца равен п = 1,45 (при X = 1,06 мкм), из выражения (8.4.4) находим, что I/ 1,3 мм. Таким образом, если длина кристалла составляет, например, около 5 см, то условие режима дифракции Брэгга полностью удовлетворяется. Заметим, что в этом примере пучок дифрагирует под углом 0' = Х/Ха = 0,8° по отношению к падающему пучку, и угол падения пучка на модулятор должен быть равен вв = Х/2Ха = 0,4°.
Акустооптические модуляторы обладают следующими преимуществами: будучи помещенными в резонатор, они вносят мало дополнительных потерь, а в импульсно-периодическом режиме могут работать с высокой частотой повторения импульсов (килогерцы). Однако они имеют весьма ограниченную величину потерь, вносимых в случае низкой добротности и, кроме того, небольшую скорость переключения добротности (что в основном обусловлено временем распространения звуковой волны, пересекающей лазерный пучок). Поэтому такие модуляторы применяются преимущественно в лазерах с малым усилением и непрерывной накачкой (например, в Nd:YAG или Ar ионных лазерах).
