4. Управление временными параметрами оптического излучения

4.1. Модуляция лазерного излучения

В оптическом диапазоне возможны все известные виды модуляции: амплитудная (АМ) и её разновидности (частотно – импульсная (ЧИМ), широтно-импульсная (ШИМ)), фазовая (ФМ), частотная (ЧМ) и поляризационная (ПМ), но из–за трудностей регистрации ЧМ, ФМ и ПМ на практике все виды преобразуются в АМ в самом модуляторе или с помощью специального устройства.

Различают модуляцию без поднесущей, когда модулируются непосредственно параметры световой волны, ис поднесущей, когда сначала модулируется промежуточное СВЧ колебание, которое затем используется для модуляции световой волны. В последнем случае достигаются более широкие полосы передаваемых частот.

Под внешней(внерезонаторной) модуляцией понимается изменение уже сформированного светового пучка. В случаевнутреннеймодуляции управляющее устройство находится внутри резонатора. При внутренней модуляции управление более эффективно, но предъявляются более жёсткие требования к качеству модулятора.

Простейшими амплитудными модуляторами являются колеблющиеся или вращающиеся заслонки, зеркала, призмы и т.д., т.е. используется механическаямодуляция, которая обладает большойинерционностью.

В основе современных модуляторов лежат физические эффекты в оптически анизотропныхсредах:электрооптические,магнитооптическиеиакустооптические.

4.2 Физические эффекты в кристаллах

4.2.1. Свойства анизотропной среды (кристалла) описываются индикатриссой преломления, которая показывает зависимость коэффициента преломления от направления распространения светового пучкаn(x,y,z), и представляет собой в общем случае (n_Xn_Y n_Z) трёхосный эллипсоид (рис.4.1,а). В таком эллипсоиде можно найти два круговых сечения, нормали к которым являются осями кристалла. Таким образом, в общем случае кристалл является двухосным (два направления, для которых коэффициент преломления не зависит от поляризации). В большинстве кристалловn_X=n_Y n_Z, индикатрисса принимает вид эллипсоида вращения (рис. 4.1 б, в), и появляется только одно круговое сечение, т.е. такой кристалл являетсяодноосным. Вдоль осей любой кристалл ведёт себя как изотропный, так как для изотропной средыn_X=n_Y=n_Z(индикатрисса преломления изотропной среды имеет вид сферы).

Рис.4.1. Индикатрисса преломления двухосного (а) и одноосных (б, в) кристаллов

При произвольном направлении падения светового луча для разных поляризаций коэффициент преломления зависит от поляризации. Например, для одноосных кристаллов (оис.4.1,б) при падении луча в плоскости yozдля векторакоэффициент преломленияn_eзависит от угла_Пт.е.n=n_e=f(_П)– волна с такой поляризацией называетсянеобыкновенной. Для вектораn=n₀ f(_П) и волна называетсяобыкновенной. Такое явление называетсядвойным лучепреломлениеми приводит к разным углам преломления для разных поляризаций. В случае падения на кристалл луча неполяризованного света после кристалла выходят два луча поляризованного света под разными углами. Еслиn_e>n₀(рис.4.1б) двулучепреломлениеположительное, а еслиn_e<n₀(рис.4.1,в)– отрицательное. В случае двухосного кристалла обе волны будут необыкновенными, т.е.n_e1=f(_П) иn_e2=f(_П).

Если эти свойства кристаллов проявляются без внешних воздействий, то явление называется естественной анизотропией. Для управления световыми пучками используетсянаведённаяанизотропия, когда первоначально кристалл является изотропным или одноосным, а под воздействием внешнего поля становится одноосным или двухосным.

4.2.2. Электрооптический линейный эффект Поккельсавозникает при подаче на вырезку из одноосного кристалла управляющего напряжения. Под его воздействием кристалл становится двухосным, при этом разность коэффициентов преломления двух необыкновенных волн и разность их набега фаз пропорциональна управляющему электрическому полю:

n=n_e1-n_e2E;  =_e1-_e2E. (4.1)

В этом случае проявляется высокое быстродействие (до 4010¹³Гц) и малые нелинейные искажения.

Особенно сильно эффект Поккельса проявляется в пьезоэлектриках GaAs,GaP,LiNbO₃(ниобат лития),LiTaO₃(танталат лития),SiO₂. Эти кристаллы обладают большой твёрдостью, малыми потерями (1–2)/см и негигроскопичны, но имеют большой коэффициент отражения 0,33. Ещё более сильно эффект проявляется в кристаллах КДР (KH₂PO₄) и КДА (КН₂АsO₄), но они гигроскопичны, хрупки и склонны к растрескиванию.

Электрооптический квадратичный эффект Керра возникает при подаче управляющего напряжения на изотропную среду, вследствие чего она становится одноосной. При этом разность коэффициентов преломления необыкновенной и обыкновенной волн и разность набега их фаз пропорциональны квадрату напряжённости электрического поля:

n=n_e-n₀E²;  =_e-₀E² (4.2)

Этот эффект более слабый, проявляется в некоторых кристаллах и жидкостях (нитробензоле) и используется реже.

4.2.3. Акустооптический эффект проявляется в любой прозрачной среде и состоит в том, что при воздействии гармонической акустической волной_акв среде возникают упругие деформации, т.е. сгущения и разряжения коэффициента преломленияn. Такую среду можно рассматривать как квазистационарную (V_ак<<C) фазовуюдифракционную решётку с периодомd=_ак. При падении света на такую решётку происходит дифракция, характер которой существенно зависит отпараметра дифракцииQ

, (4.3)

где l- толщина акустически возмущённой среды в направлении распространения света. ПриQ<<1 существует дифракцияРамана-Наттас большим числом дифракционных максимумов (случайтонкойрешётки или решётки с большим периодом по аналогии с антенными решётками в радиодиапазоне). СлучайQ1 соответствует дифракцииБрэгга, при которой существует только главный и один дифракционный максимумы, если луч входит в среду подуглом Брэгга _Б

, (4.4)

(случай толстойрешётки или решётки с малым периодом).

4.2.4. Магнитооптический эффект Коттона-Мутона аналогичен электрооптическому эффекту Кэрра и возникает в поперечно намагниченном кристалле специальных видов граната (или стекол). Под действием магнитного поля кристалл из анизотропного становится одноосным и разность коэффициентов преломления необыкновенной и обыкновенной волн пропорциональна квадрату напряженности магнитного поля.

,

где К_км– коэффициент Коттона-Мутона, зависящий от типа материала.

Магнитооптический эффект Фарадея возникает в продольно намагниченных гиротропных средах, в которых свойства среды для волн круговых поляризаций правого и левого вращения оказываются разными. В гиротропной подмагниченной среде при распространении волн круговой поляризации для поляризаций правого и левого вращения действуют разные магнитные проницаемости, а, следовательно, и коэффициенты преломления. Это приводит к тому, что при прохождении одинакового расстояния они получают разный набег фазы. Если на вход подаётся линейная поляризация, то её можно представить в виде суперпозиции двух круговых с разным направлением вращения. После прохождения гиротропной среды они получают разность фаз и суммируются на выходе уже с другой ориентацией вектораЕ, т.е. эффект Фарадея приводит к повороту плоскости поляризации линейно поляризованной волны. При этом угол поворота зависит от управляющего магнитного поля

, (4.5)

где V_в- постоянная Верде, зависящая от типа материала;- угол между направлением света и управляющего магнитного поля,l- длина среды вдоль распространения света.

4.2.5. Поглощениеоптического излучения может происходить в результате разных явлений.

1. Межзонное поглощение возникает, если энергия излучения фотонапостоянная планка;-частота) больше ширины запрещенной зоны E,так как в этом случае энергия фотонов отдается электронам для перехода из валентной зоны в зону проводимости. При этом~.

2. Внутризонное поглощение на свободных носителях- при этом фотоны отдают энергию электронам в зоне проводимости (или дыркам в валентной зоне). При этом,гдеN- концентрация частиц в единице объема материала.

3. Электроадсорбционный эффект Франца-Келдыша возникает в ПП и сводится к тому, что при подаче сильного электрического поля на ПП граница полосымежзонного поглощения смещается в сторону уменьшения частоты (увеличения) (рис.4.2).

Рис.4.2. Эффект Франца-Келдыша.

Эффект объясняется тем, что приложение обратного смещения на p-nпереход или контакт типа барьера Шоттки вызывает искривление энергетических уровней таким образом, что ширина запрещенной зоны уменьшается; это и приводит к увеличению проводимости (повышению затухания) на более низких частотах ().