Акустооптический модулятор

Акустооптический модулятор состоит из пьезоэлектрического преобразователя, который создает звуковые волны в таком материале, как стекло или кварц. Луч света дифрагирует на несколько порядков. Вибрируя материал с помощью чистой синусоиды и наклоняя АОМ так, чтобы свет отражался от плоских звуковых волн в первом порядке дифракции, можно достичь эффективности отклонения до 90%.

Акустооптический модулятор ( AOM), также называемый ячейкой Брэггаили акустооптическим дефлектором (AOD), использует акустооптический эффект для дифракции и измените частоту света с помощью звуковых волн (обычно на радиочастоте ). Они используются в лазерах для модуляции добротности, в телекоммуникациях для модуляции сигнала и в спектроскопии для управления частотой. пьезоэлектрический преобразователь прикреплен к такому материалу, как стекло. Колебательный электрический сигнал заставляет преобразователь вибрировать, что создает звуковые волны в материале. Их можно рассматривать как движущиеся периодические плоскости расширения и сжатия, которые изменяют показатель преломления. Входящий свет рассеивается (см. рассеяние Бриллюэна ) в результате периодической модуляции индекса, и возникают интерференции, аналогичные дифракции Брэгга. Взаимодействие можно представить как результат генерации суммарной частоты или между фононами и фотонами.

Содержание

• 1 Принципы работы
  • 1.1 Дифракция
  • 1.2 Интенсивность
  • 1.3 Частота
  • 1.4 Фаза
  • 1.5 Поляризация
• 2 Блокировка режима
• 3 Приложения
• 4 См. Также
• 5 Внешние ссылки
• 6 Ссылки

Принципы работы

Типичный АОМ работает при условии Брэгга, когда падающий свет падает под углом Брэгга $\theta \; B\; \approx \; sin\; \; \theta \; B\; =\; \lambda \; 2\; n\; \Lambda \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; theta\; \_\; \{B\}\; \backslash \; приблизительно\; \backslash \; sin\; \backslash \; theta\; \_\; \{B\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; lambda\}\; \{2n\; \backslash \; Lambda\}\}\}$от перпендикуляра распространения звуковой волны

Набросок, объясняющий условие Брэгга для AOD. Λ - длина волны звуковой волны, λ - длина световой волны, а n - показатель преломления кристалла в AOD. Порядок +1 имеет положительный частотный сдвиг по сравнению с падающим светом; 0-й порядок имеет ту же частоту, что и падающий свет. Незначительное поперечное смещение 0-го порядка от падающего света представляет собой преломление внутри кристалла.

Дифракция

Когда падающий луч света находится под углом Брэгга, появляется дифракционная картина там, где порядок дифрагированного луча возникает под каждым углом θ, который удовлетворяет:

$2\; \Lambda \; sin\; \; \theta \; =\; m\; \lambda \; n\; \{\backslash \; displaystyle\; 2\; \backslash \; Lambda\; \backslash \; sin\; \backslash \; theta\; =\; m\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; lambda\}\; \{n\}\}\}$

Здесь m =..., −2, −1, 0, +1, +2,... - порядок дифракции, $\lambda \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; lambda\}$- длина волны света в вакууме, $n\; \{\backslash \; displaystyle\; n\}$- показатель преломления кристаллического материала (например, кварца), а $\Lambda \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Lambda\; \}$- длина волны звука. $\lambda \; n\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; lambda\}\; \{n\}\}\}$сама по себе длина волны света в материале.. Обратите внимание, что m = +1 и m = -1 порядок выхода под углом Брэгга из перпендикуляра распространения звуковой волны.

Дифракция от синусоидальной модуляции в тонком кристалле в основном приводит к порядкам дифракции m = -1, 0, +1. Каскадная дифракция в кристаллах средней толщины приводит к дифракции более высоких порядков. В толстых кристаллах со слабой модуляцией дифрагируются только согласованные по фазе порядки; это называется дифракцией Брэгга. Угловое отклонение может составлять от 1 до 5000 ширины луча (количество разрешаемых пятен). Следовательно, отклонение обычно ограничивается десятками миллирадиан.

Интенсивность

Количество света, дифрагированного звуковой волной, зависит от интенсивности звука. Следовательно, интенсивность звука может использоваться для модуляции интенсивности света в дифрагированном луче. Как правило, интенсивность, которая дифрагируется до порядка m = 0, может варьироваться от 15% до 99% интенсивности входящего света. Аналогичным образом, интенсивность порядка m = +1 может варьироваться от 0% до 80%.

Выражение эффективности в порядке m = +1:

$\eta \; =\; I\; 1\; /\; I\; =\; sin\; 2\; (\Delta \; \varphi \; /\; 2)\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; eta\; =\; I\_\; \{1\}\; /\; I\; =\; \{\backslash \; text\; \{sin\}\}\; \{\}\; ^\; \{2\}\; (\backslash \; Delta\; \backslash \; phi\; /\; 2)\}$

где внешний фазовый сдвиг $\Delta \; \varphi \; =\; \pi \; \lambda \; 2\; (LH)\; M\; 2\; P\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; \backslash \; phi\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; pi\}\; \{\backslash \; lambda\}\}\; \{\backslash \; sqrt\; \{2\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{L\}\; \{H\}\}\; \backslash \; right)\; M\_\; \{2\}\; P\}\}\}$.

Чтобы получить одинаковый КПД для разных длин волн, ВЧ-мощность в АОМ должна быть пропорциональна квадрату длины волны оптического луча. Обратите внимание, что эта формула также говорит нам, что, когда мы начинаем с высокой РЧ мощности P, она может быть выше, чем первый пик в функции синус-квадрат, и в этом случае, когда мы увеличиваем P, мы устанавливаем второй пик с очень высокая мощность RF, приводящая к перегрузке AOM и потенциальному повреждению кристалла или других компонентов. Чтобы избежать этой проблемы, всегда следует начинать с очень низкой мощности РЧ и медленно увеличивать ее до достижения первого пика.

Обратите внимание, что есть две конфигурации, которые удовлетворяют условию Брэгга: Если волновой вектор падающего луча в направлении распространения звуковой волны идет против звуковой волны, Процесс брэгговской дифракции / рассеяния приведет к максимальной эффективности в порядке m = +1, который имеет положительный сдвиг частоты; Однако, если падающий луч проходит вдоль звуковой волны, достигается максимальная дифракционная эффективность до порядка m = -1, который имеет отрицательный частотный сдвиг.

Частота

Одно отличие от брэгговской дифракции состоит в том, что свет рассеивается от движущихся плоскостей. Следствием этого является то, что частота дифрагированного луча f в порядке m будет доплеровским -смещением на величину, равную частоте звуковой волны F.

$f\; \to \; f\; +\; m\; F\; \{\backslash \; displaystyle\; f\; \backslash \; rightarrow\; f\; +\; mF\}$

Этот сдвиг частоты также можно понять по тому факту, что энергия и импульс (из фотонов и фононов ) сохраняются в процессе рассеяния. Типичный сдвиг частоты варьируется от 27 МГц для менее дорогостоящего AOM до 1 ГГц для современного коммерческого устройства. В некоторых АОМах две акустические волны распространяются в материале в противоположных направлениях, создавая стоячую волну. В этом случае спектр дифрагированного луча содержит несколько частотных сдвигов, в любом случае целых кратных частоте звуковой волны.

Фаза

Кроме того, фаза дифрагированного луча также будет сдвинута на фазу звуковой волны. Фазу можно менять на произвольную величину.

Поляризация

Коллинеарные поперечные акустические волны или перпендикулярные продольные волны могут изменить поляризацию. Акустические волны вызывают фазовый сдвиг двулучепреломления, как в ячейке Поккельса. Акустооптический перестраиваемый фильтр, особенно dazzler, который может генерировать импульсы переменной формы, основан на этом принципе.

Режим синхронизации

Акустооптические модуляторы работают намного быстрее чем обычные механические устройства, такие как поворотные зеркала. Время, необходимое АОМу для смещения выходящего луча, примерно ограничено временем прохождения звуковой волны через луч (обычно от 5 до 100 нс ). Этого достаточно для создания активной синхронизации мод в сверхбыстром лазере. Когда необходимо более быстрое управление, используются электрооптические модуляторы . Однако для них требуются очень высокие напряжения (например, 1... 10 кВ ), тогда как AOM предлагают больший диапазон отклонения, простую конструкцию и низкое энергопотребление (менее 3 W ).

Применения

• Q- переключение
• Регенеративные усилители
• Демпфирование резонатора
• Режим синхронизации
• Лазерный доплеровский виброметр
• Конфокальная микроскопия
• Обнаружение гетеродина на синтетической матрице
• Гиперспектральное изображение

См. также

• Акустооптика
• Акустооптический дефлектор
• Электрооптический модулятор
• Ячейка Джеффри
• Акустооптический спектрометр
• Перестраиваемый жидкокристаллический фильтр
• Фотоупругость
• Эффект Поккельса
• Сдвиг частоты

Внешний ссылки

• http://olympus.magnet.fsu.edu/primer/techniques/confocal/aotfintro.html

Ссылки