11.8. Методы модуляции излучения лазера

Использование лазера в системах связи и радиолокации требует создания эффективных методов модуляции оптического излучения. К модуляторам предъявляются следующие основные требования: широкополосность, линейность модуляционной характеристики, большой динамический диапазон, малые масса и габариты, экономичность. Модуляторы оптического излучения можна разделить на внутренние и внешние. В первом случаи модуляция связана с непосредственным воздействием на процесс генерации, во втором –– на уже сформировавшийся луч квантового генератора.

Под модуляцией понимают процесс изменения следующих параметров излучения: амплитуды, частоты, фазы и поляризации. В связи с этим существует четыре типа модуляции: амплитудная, частотная, фазовая и поляризационная. Возможна также модуляция интенсивности излучения, в которой вместо ампли­туды под воздействием модулирующего сигнала изменяется квадрат амплитуды, т. е. интенсивность. Модуляция по интенсивности важна для оптического излучения, так как может быть применена к частично когерентному или вовсе некогерентному излучению. Следует заметить, что выходной сигнал многих приемников оптического излучения пропорционален интенсивности излучения на их входе.

При внешней модуляции луч лазера пропускается через специальную среду, параметры которой (показатель преломления или коэффициент поглощения) изменяются под действием модулирующего сигнала. Используются различные физические эффекты и явления в твердых и жидких средах, возникающие при воздействии электрического или магнитного полей и влияющие на проходящий в этой среде луч лазера.

Управление показателем преломления основывается на эффектах либо злектрооптических, либо магнитооптических, либо пьезооптических. Поглощение материала в оптическом диапазоне изменяется благодаря эффекту Франца — Келдыша, заключающемуся в смещении границы поглощения полупроводника в электрическом поле. В связи с этим на частотах, примыкающих к этой границе, поглощение меняется очень сильно. Можно также регулировать поглощение оптическокого излучения на р-п-переходах полупроводника путем изменения напряжения на переходе. К сожалению, все поглощающие модуляторы имеют большое начальное поглощение. В настоящее время наиболее подходящим для модуляции оптического излучения является электрооптический эффект.

Амплитудная модуляция из-за простоты реализации наиболее широко распространена. Амплитудный модулятор состоит из поляризатора, анизотропной оптической среды и анализатора. Луч лазера поступает на поляризатор, кото­рый превращает излучение лазера в линейно-поляризованное. Затем излучение проходит через оптическую анизотропную среду, свойства которой изменяются в зависимости от модулирующего воздействия. В такой среде волна либо по­ворачивает плоскость поляризации под действием магнитного поля (эффект Фарадея), либо испытывает двойное лучепреломление и становится эллиптически поляризованной под действием электрического поля (электрооптический эф­фект). Искусственно вызываемые упругие напряжения также могут быть ис­пользованы для изменения свойств среды. Создание в среде контролируемых упругих напряжений можно осуществить с помощью ультразвукового поля или пьезоэффекта. Через анализатор проходит только та составляющая эллиптиче­ски поляризованного излучения, поляризация которой лежит в плоскости поля­ризации анализатора. Так как поляризатор и анализатор имеют взаимно пер­пендикулярные плоскости поляризации, то при отсутствии анизотропии среды интенсивность выходного излучения равна нулю. Увеличивая анизотропию сре­ды, получаем возрастание интенсивности излучения, т. е. амплитудную моду­ляцию.

Линейный электрооптический эффект наблюдается в твердых телах (эффект Поккельса), а квадратичный возникает в жидкостях (эффект Керра).

Для полупроводниковых лазеров возможна внутренняя модуляция путем изменения тока возбуждения. Верхняя граница модуляции составляет несколь­ко десятков гигагерц. Эффективным методом внутренней модуляции импульс­ных лазеров является модуляция добротности, или Q-модуляция. Для этого в открытый резонатор лазера вводится специальный затвор, который периодически скачкообразно изменяет добротность резонатора. Когда добротность резонатора мала, генерации нет, и под влиянием энергии накачки на верхнем энергетиче­ском уровне активной среды накапливаются возбужденнее Частицы. При рез­ком увеличении добротности генератор самовозбуждается и излучает очень мощный кратковременный («гигантский») импульс длительностью в несколько десятков наносекунд.