Глава 6. Управление оптическими пучками

6.1 Принципы управления параметрами оптического излучения

Передача информационных сигналов с помощью оптических пучков осуществляется путем изменения по заданному закону их временных, пространственных и энергетических параметров. В зависимости от функциональных особенностей различают:

1. Переключатели – приборы для полного изменения интенсивности светового пучка, т.е. включения и выключения его;

2. Модуляторы – приборы для частичного или полного временного изменения одной из его характеристик (интенсивности, частоты, фазы, поляризации). Основное назначение модуляторов – введение информации в несущий световой пучок;

3. Дефлекторы – приборы для пространственного отклонения оптического пучка от первоначального направления без изменения его характеристик;

4. Сканеры – приборы для непрерывного перемещения оптического пучка;

5. Фильтры – приборы, позволяющие выделять из широкого спектра оптического излучения узкий интервал длин волн.

6.2. Основные характеристики модуляторов и переключателей

Переключатели и модуляторы имеют в принципах действия много общего, поэтому мы будем рассматривать их вместе.

Коэффициент ослабления интенсивности светового пучка или глубина модуляции η определяется формулой

(6.1)

где I₀ – значение первоначальной интенсивности при минимальных потерях в резонаторе; I – интенсивность прошедшего светового пучка при максимальных потерях. Соответственно изменение частоты или глубина частотной модуляции D определяется выражением

(6.2)

где f₀ - оптическая несущая частота, f_m - смещенная оптическая частота, соответствующая приложению максимального управляющего сигнала.

Существует несколько способов внутри– и внерезонаторной модуляции лазерного излучения. При внутрирезонаторной модуляции изменение параметров лазерного излучения производится непосредственно внутри оптического резонатора, в основном за счет изменения (модуляции) его добротности. Во втором случае модулятор выполняется в виде отдельного прибора и располагается на пути лазерного пучка вне резонатора.

Модуляция добротности резонатора может осуществляться механическим или электронным способами.

При оптикомеханической модуляции добротности полностью отражающее зеркало резонатора заменено призмой полного внутреннего отражения, которая может быстро вращаться вокруг оси, проходящей через призму перпендикулярно к оси резонатора.

В процессе вращения призма лишь на очень короткое время обеспечивает высокую добротность резонатора. Это происходит тогда, когда входная грань призмы оказывается перпендикулярной к оси резонатора.

Если призма делает 1000 оборотов в секунду, то время переключения добротности составляет примерно 10^-7 с.

Электронная модуляция основана на двух способах:

• с помощью электрического поля – электрооптическая модуляция;

• с помощью акустического поля – акустооптическая модуляция.

Первый метод основан на использовании электрооптического эффекта изменения показателя среды под действием внешнего электрического поля. Различают два вида электрооптического эффекта:

1. Квадратичный – эффект Керра;

2. Линейный – эффект Поккельса.

В первом случае изменение показателя преломления пропорционально второй степени напряженности электрического поля. Во втором случае – первой степени.

Эффект Поккельса существует лишь в кристаллических средах без центра симметрии. Изменение показателя преломления можно выразить формулой:

(6.3)

где п₀ — показатель преломления кристалла в отсутствии поля Е, г — электрооптический коэффициент. Фазовый сдвиг зависит от длины кристалла L, поля Е, длины волны света λ и имеет вид:

( 6.4)

где — начальный сдвиг фаз, приобретенный световым пучком при прохождении кристалла в отсутствии поля. Наличие фазового сдвига, вызванного внешним электрическим полем, и означает фазовую модуляцию света.

Поляризационная модуляция также основана на использовании электрооптического эффекта. Вектор электрического поля волны можно записать в виде:

(6.5)

где и — орты. Если Е_х = Е_у, то плоскость поляризации расположена под углом 45° к оси.

При приложении сигнала амплитуда волны примет вид:

(6.6)

где и , — добавочные фазы от приложенного сигнала. Сдвиг фаз составит:

(6.7)

В общем случае речь идет об эллиптически поляризованной волне, у которой углы между главными осями эллипса и осью х зависят от .

Если , то речь идет о линейно поляризованной волне. При прохождении волны, описываемой выражением (6.6), через анализатор, ее интенсивность пропорциональна .

Таким образом, когда на ячейку Поккельса не подается напряжение (ячейка выключена), свет почти беспрепятственно проходит сквозь систему из поляризаторов и ячейки Поккельса; когда на ячейку Поккельса подается напряжение (ячейка включена), свет не проходит сквозь указанную систему. При выключенной ячейке добротность ячейки максимальна, при включенной ячейке – минимальна.

Время переключения добротности зависит от скорости изменения напряжения, подаваемого на ячейку Поккельса. Оно составляет примерно 10^-9 с и на два порядка меньше, чем при оптико-механической модуляции. Отсюда термин – электрооптический затвор.

Магнитооптическая модуляция также основана на эффекте вращения плоскости поляризации света. В этом типе модуляции, как правило, используют эффект Фарадея. Его суть заключается во вращении плоскости поляризации линейно поляризованного света, распространяющегося в веществе вдоль постоянного магнитного поля. Дело в том, что под действием магнитного поля показатели преломления и для циркулярно право- и левополяризованного света отличаются друг от друга. Следовательно, составляющие линейно поляризованного света распространяются с различными фазовыми скоростями, приобретая разность хода. В результате плоскость поляризации линейного поляризованного света с длиной волны , прошедшего путь L, поворачивается на угол

( 6.8)

Ввиду того, что величина зависит от магнитного поля Н, угол фарадеевского вращения выражается соотношением

(6.9)

где величина V называется постоянной Верде и зависит от свойств вещества (рис.6.1).

Анализатор

Рис. 6.1. Оптический модуль на основе эффекта Фарадея

Акустооптическая модуляция основана на дифракции света на акустической волне. Показатель преломления вещества можно изменить не только с помощью электрического или магнитного полей, но и путем механической деформации. Это явление называется фотоупругостью или акустооптическим эффектом. Разность фаз возникает под действием механических напряжений и основана на эффекте двулучепреломления. Напряжение в среде и, сле­довательно, изменение показателя преломления периодичны и повторяют период длины акустической волны.

Акустическая волна при распространении в оптически прозрачной среде формирует по­следовательные изменения показателя преломления. Образуется структура, аналогичная дифракционной решетке. Если период структуры меньше ширины светового пучка, то на ней наблюдается дифракция света.