Sb95840

I, мА 300

250

200

150

100

50

0

U, В

Рис. 2.6. ВАХ лазерного диода накачки

На лицевую панель блока питания и контроля выведены два потенциометра для грубой и плавной регулировки тока I накачки ИППЛ и контрольный миллиамперметр. ВАХ лазера накачки представляет собой зависимость, характерную для полупроводниковых диодов (рис. 2.6). ВАХ необходима для

определения мощности накачки Pнак = UI и полного КПД генерации второй гармоники.

Порядок выполнения работы

1.Детально ознакомиться с описанием лабораторной работы и расположением основных элементов установки, органов управления и контроля.

2.Снять зависимости интенсивности составляющих излучения первой

Iλ1 = f (I), второй Iλ2 = f (I) гармоник и накачки Iλ3 = f (I) в диапазоне изменения тока 80…300 мА. При каждом значении тока необходимо делать выдержку в течение 1…2 мин. При регистрации зависимостей зафиксировать токи, при которых возникает генерация на каждой из трех длин волн.

3. Установить на пути лазерного пучка РТЭ и снять зависимость интегральной мощности излучения лазера от тока. Диапазон изменения тока и выдержки должны соответствовать п. 2.

Содержание отчета

1.Цель, содержание работы, блок-схема лабораторной установки.

2.Таблицы всех экспериментальных и расчетных зависимостей.

21

3.Три спектра лазера при токах, соответствующих началу, середине и правому краю диапазона изменения.

4.Графики зависимостей истинных значений интенсивности первой Iλ1 =

=f (I), второй Iλ2 = f (I) гармоник и накачки Iλ3 = f (I).

5.Таблица расчетных соотношений истинных значений интенсивности

первой Iλ1, второй Iλ2 гармоник и накачки Iλ3 в зависимости от тока лазера

Iλ1 : Iλ2 : Iλ3 = f (I).

6.График зависимости интегральной мощности излучения лазера от тока накачки P = f (I).

7.Расчет и графики абсолютных значений мощности первой PI = f (I) и

второй PII = f (I) гармоник лазерного излучения с учетом пп. 4 и 6 (например,

PI = P[Iλ1/( Iλ1 + Iλ2 + Iλ3)]).

8. Расчет и графики КПД преобразования первой гармоники во вторую

II = PII / PI = f (PI).

9.Расчет и графики КПД генерации второй гармоники λ2 = PII / Pнак =

=f (Pнак), где Pнак = UI.

10.Выводы по работе.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКОГО МОДУЛЯТОРА

Цель работы – ознакомление с устройством, принципом действия и характеристиками электрооптического модулятора (ЭОМ) на основе эффекта Поккельса.

Основные положения. Электрооптические модуляторы – наиболее распространенные модуляторы лазерного излучения. Оптическое воздействие

конкретной среды на излучение зависит от показателей преломления nx, ny, nz по различным направлениям x, y, z. Возможны три варианта:

1)nx = ny = nz – изотропная среда;

2)nx = ny ≠ nz – одноосный кристалл;

3)nx ≠ ny ≠ nz – двухосный кристалл (общий случай).

22

Выбрав систему координат, можно построить некую поверхность второго порядка – эллипсоид показателей преломления, описываемую выражением

Подобный эллипсоид называют оптической индикатрисой. Для изотропной среды индикатриса – шар, любое сечение – окружность; одноосный кристалл – индикатриса – симметричный эллипсоид, в перпендикулярном сечении являющийся окружностью; двухосный кристалл – индикатриса – несим-

метричный (сплюснутый) эллипсоид, сечение – эллипс (nx ≠ ny ≠ nz).

В анизотропной среде вследствие неравенства показателей преломления для составляющих волн, имеющих различную поляризацию, возникает эффект двулучепреломления, которое может быть естественным и наведенным, возникающим под действием электрического поля. В ЭОМ используется наведенное двулучепреломление или электрооптический эффект.

Двулучепреломление в электрооптических кристаллах возникает под влиянием приложенного к электродам напряжения U. Возникающая под действием электрического поля E анизотропия вещества (изменение диэлектрической проницаемости) и, как следствие, показателя преломления приводит к возникновению “обыкновенного” – no const E и “необыкновенного” –

ne f E лучей. Следствием электрооптического эффекта является “расщепление” исходной падающей на вещество линейно поляризованной волны на две ортогональные составляющие, распространяющиеся с различными скоростями. В результате на выходе возникает разность фаз двух волн и изменяется вид исходной поляризации.

По отношению к напряженности электрического поля различают линейный электрооптический эффект – эффект Поккельса и квадратичный – эффект Керра. Степень наведенной анизотропии при линейном электрооптическом эффекте выше, чем при квадратичном, поэтому большинство ЭОМ используют эффект Поккельса, который проявляется в таких кристаллах, как дигидрофосфаты аммония (ADP) и калия (KDP), дейтерированные дигидрофосфаты аммония (DADP) и калия (DKDP), арсенид галлия, ниобат лития, титанат бария, хлорид меди и др. Эффект Керра наблюдается в жидкостях и газах (нитробензол, сероуглерод и др). При эффекте Керра

23

ne E no rK E 2 , где rK – электрооптическая постоянная Керра. Для линейного электрооптического эффекта справедливо выражение

ne no n no no3rPE ,

где rP – электрооптический коэффициент.

При распространении линейно поляризованного излучения лазера с длиной волны и мощностью P0 вдоль геометрической оси z двулучепреломляющего кристалла происходит его разложение на взаимно перпендикулярно поляризованные “обыкновенный” и “необыкновенный” лучи, показатели преломления nо и nе для которых различны, причем nе > nо. Поскольку ne no , то необыкновенный луч будет распространяться медленнее обыкновенного. Разность скоростей распространения после прохождения кристалла протяженностью L приведет к сдвигу фаз на выходе между ортогональными составляющими оптической волны:

(E || k), и поперечный, соответствующий случаю (E k). При использовании продольного эффекта Поккельса полупрозрачные электроды, к которым подводится управляющее напряжение U, наносят на торцы кристалла, пер-

продольном эффекте Поккельса не зависит от геометрии кристалла.

Значения rP невелики и составляют 10–9 В ∙ м–1. Использование продольного электрического поля улучшает частотные свойства ЭОМ за счет уменьшения паразитной межэлектродной емкости, но требует существенного повышения напряжения смещения U для обеспечения необходимого сдвига фаз.

Чаще используется поперечный эффект Поккельса, обеспечивающий при тех же габаритах кристалла и управляющих напряжениях большие значения напряженности электрического поля E = U/d, где d – расстояние между гранями кристалла, на которые наносятся электроды (рис. 3.1).

24

U

Рис. 3.1. Схема ЭОМ на основе поперечного эффекта Поккельса

т. е. величина фазового сдвига линейно зависит от напряженности электрического поля E. Так как L > d или L >> d, то при прочих равных условиях рабочие напряжения U могут иметь меньшие значения по сравнению с продольным эффектом Поккельса. При этом снизу d ограничено краевыми эффектами, возникающими вследствие уменьшения входной апертуры.

Входное излучение должно быть линейно поляризовано. Вектор Eвх

должен быть ориентирован под углом 45о к направлениям плоскостей поля-

ризации “обыкновенного” и “необыкновенного” лучей. Для этого вектор Eвх линейно поляризованного входного пучка должен быть ориентирован вдоль диагонали сечения кристалла. При изменении приложенного напряжения U изменяется разность фаз на выходе кристалла и, как следствие, изменяется вид поляризации излучения, прошедшего через кристалл. В общем случае излучение на выходе кристалла поляризовано эллиптически, т. е. суммарный вектор электрического поля двух волн, изменяясь во времени, описывает эллипс в плоскости, перпендикулярной z. Изменение U будет изменять эксцентриситет эллипса – соотношение между большой и малой осями. В итоге начальная линейная поляризация в зависимости от значения может трансформироваться в эллиптическую, круговую или линейную, но перпендикулярную к начальной поляризации. Если после кристалла установить анализатор, то появится возможность преобразовывать изменения характера поляризации излучения, прошедшего кристалл, в изменения мощности на

выходе ЭОМ P = f (U). Направление пропускания анализатора может быть перпендикулярно Eвх – режим скрещенных полей или параллельно Eвх – ре-

25

жим коллинеарных полей.

Рассмотрим, как будет изменяться пропускание ЭОМ в зависимости от

нулевом управляющем напряжении (сдвиг фаз Δφ = 0) напряженность поля на выходе будет изменяться по закону E Em sin ан , а мощность, соответ-

ственно, P Pm sin2 ан (рис. 3.2).

Pτ

Δφ = 0

Pτ

Pmax

Δφ = π

При исходная линейная поляризация станет круговой, значение

2

вектора E будет в 2 меньше амплитудного значения и выходная мощность не будет зависеть от угла поворота анализатора. При будет реализован режим коллинеарных полей, напряженность поля на выходе будет изме-

26

няться по закону E Em cos ан , а мощность P Pm cos2 ан .

В целом с ростом управляющего напряжения и соответствующего изменения разности фаз исходная линейная поляризация будет последовательно

преобразовываться в эллиптическую, круговую при 2 , затем вновь в эл-

липтическую и, наконец, линейную, перпендикулярную исходной поляриза-

ции (рис. 3.3).

E Emax

2

Δφ = 0; 2π; 4π Δφ = π/4 Δφ = π/2 Δφ = 3π/4 Δφ = π

Рис. 3.3. Изменение поляризации на выходе кристалла

Напряжение U / 2 , при котором , называется напряжением полуволнового смещения или полуволновым напряжением. Для режима скрещенных полей могут быть реализованы условия:

U = 0 = 0 P = 0 – запирание (затемнение) ЭОМ;

U = U0 = P = P0 – отпирание (просветлении) ЭОМ.

Из выражения для сдвига фаз Δφ напряжение Uλ/2 определяется как

Отсюда для режима скрещенной ориентации плоскостей пропускания анализатора и поляризатора для мощности пропускания модулятора получим:

27

(либо от 1 до 0). В реальных ЭОМ max 1 из-за потерь излучения за счет поглощения и рассеяния в кристалле, а также отражения от его торцов. При запирании ЭОМ через него просачивается некоторый остаточный поток Pост 0 , обусловленный неидеальностью исходной линейной поляризации

( E|| / E ), неравенством амплитуд поля “обыкновенного” и “необыкно-

венного” лучей ( Eomax Eemax ), краевыми эффектами, ограничивающими максимально допустимый диаметр входного лазерного пучка, неточность юстировки кристалла и т. п. В итоге min 0. Окончательно проходящая через ЭОМ мощность будет определяться как

Поведение переменных составляющих выходной мощности при гармонической модуляции управляющего напряжения U зависит от положения рабочей точки на характеристике пропускания. Типичными являются режимы: линейный, удвоения частоты и искажения.

Предельно допустимые диаметры пучков не превышают единиц миллиметров (до 10…12 мм). Предельная облученность в пучке 106…107 Вт/м2. Полуволновое напряжение ЭОМ имеет порядок десятков–тысяч вольт. При значительном превышении U /2 возможен электрический пробой кри-

сталла. Типичные значения пропускания ЭОМ в режиме полного просветления не превышают 60–80 %. Существенным достоинством ЭОМ является широкая полоса частот модуляции, доходящая до сотен мегагерц. Это обу-

28

словлено малой инерционностью самого электрооптического эффекта, определяемой временем молекулярной релаксации порядка 10–10 с.

τЭОМ

Скрещенные поля

Рис. 3.5. Зависимость пропускания ЭОМ от приложенного напряжения

Для обеспечения линейного режима модуляции излучения лазера внешним гармоническим сигналом, подаваемым на ЭОМ, рабочую точку располагают на середине линейного участка характеристики пропускания при = /2 (рис. 3.6). Необходимое для этого постоянное напряжение смещения называется четвертьволновым и равно U0/2. При четвертьволновом смещении обеспечивается без искажений наибольшая амплитуда переменной составляющей модулированного излучения.

1.0

Pm

0.5

t

Рис. 3.6. Характеристика пропускания ЭОМ

29

При напряжениях смещения, соответствующих экстремумам характеристики пропускания ЭОМ, наблюдается эффект удвоения частоты модулированного излучения. Нелинейность характеристики пропускания ЭОМ= f (U) может приводить к искажению формы модулированного сигнала излучения при неправильно выбранном напряжении смещения или чрезмерно большой амплитуде модулирующего сигнала. Следует отметить, что из-за отражений от элементов модулятора и несовершенства используемых кристаллов пропускание ЭОМ в режиме полного просветления отличается от единицы. Рассеяние излучения в кристалле, его естественное двулучепреломление, а также неидеальность поляризационных характеристик анализатора и исходного лазерного пучка исключают и режим полного затемнения.

Описание лабораторной установки. Лабораторная установка включа-

ет в себя маломощный гелий-неоновый лазер ( = 633 нм) с вертикальной линейной поляризацией излучения (рис. 3.7), укрепленный на оптической скамье соосно с ЭОМ и фотоприемником. ЭОМ выполнен на основе кристалла KDP. В установке используется пленочный анализатор из дихроичного материала. Крепление анализатора в модуляторе обеспечивает его вращение вокруг оси лазерного пучка на 360°. Область прозрачности модулятора 350...1200 нм. Напряжение полного просветления на длине волны 633 нм не более 700 В; потери света в режиме полного просветления – не более 30 %; остаточный уровень светового потока в режиме полного затемнения – не более 7 %. Возможный диапазон частот модуляции 0.01...100 МГц.

Кристалл KDР снабжен двумя электродами, нанесенными на противоположные боковые грани. При подаче на электроды управляющего напряжения в кристалле создается поперечное электрическое поле по отношению к направлению распространения лазерного пучка. Регулируемое напряжение

30