4.6. Акустооптическая модуляция

При приложении силы (давления) в кристалле появляются деформации, приводящие к анизотропии:

. (4.29)

Чем больше n₀, тем больше (желательно ).

Большими коэффициентами обладает параллурид, LiNb, GdMb, AsS и др.

Деформации индуцируются акустической волной, возбуждаемой пьезоэлектрическим датчиком. При этом возникают бегущие или стоячие волны сжатия и разряжения. Сжатие материала приводит к увеличению показателя преломления, а разряжение к его уменьшению. В результате образуется фазовая дифракционная решетка с полосами замедления и ускорения фазы луча. Работает такая решетка аналогично щелевой или отражательной дифракционной решетке.

Рассмотрим кратко физические особенности и технические средства излучения ультразвука.

Ультразвук - колебательные движения частиц упругой среды (упругие колебания и волны), распространяющиеся в газообразной, жидкой или твердой среде с частотами от 15-20 кГц до 1 ГГц. Более низкие частоты соответствуют звуку, воспринимаемому человеком. Диапазон сверхвысоких частот от 10⁹ до 10¹³ Гц соответствует гиперзвуку, который возбуждают в тонких пленках.

Для генерирования ультразвуковых колебаний применяют пьезоэлектрические излучатели, которые преобразуют энергию высокочастотных электрических колебаний в механические (упругие) колебания (микродеформации) той же частоты. Излучателями ультразвука служат пластины или стержни из пьезоэлектрического материала: пьезокварца SiO₂, ниобата лития LiNbO₃, дигидрофосфата аммония NH₄H₂PO₄. Такие излучатели «обрамлены» металлическими электродами, на которые подается переменное (высокочастотное) электрическое напряжение. Колеблющиеся пластины (или стержни) излучают упругие (ультразвуковые) волны, которые распространяются в окружающей среде.

Более мощные ультразвуковые излучатели основаны на магнитострикционном эффекте сжатия и растяжения материала под действием электрического поля.

Рассмотрим эффект воздействия ультразвука на вещества (материалы), применяемые в акустооптических преобразователях.

К ультразвуковым воздействиям чувствительны различные материалы: тяжелое оптическое стекло (флинт), двуокись теллура ТеO₂, молибданат свинца PbMoO₄ и др. Излучатель ультразвука прикрепляется к торцу акусточувствительного кристалла и при подаче переменного электрического напряжения создает в этом кристалле периодические упругие колебания (механические микродеформации). В прозрачной пластине или кристалле, под действием ультразвуковой волны, периодически формируются области сжатия и разрежения. Коэффициенты преломления таких областей, которые в первом приближении пропорциональны плотности среды, различны.

Ультразвуковая волна, распространяясь вдоль оси z, периодически деформирует среду и создает чередующиеся темные полосы сжатия и светлые полосы разрежения. Ритмично (по оси z) изменяется коэффициент преломления n. Различна и скорость распространения света, поданного перпендикулярно пластине, приводящая к разным фазовым задержкам в волнах сжатия и разряжения. Таким образом, в кристалле под действием ультразвуковых волн искусственно создается регулярная дифракционная решетка.

Согласно ранее изложенному, дифракционной решеткой (в оптике) называется периодическая неоднородность большого числа препятствий и щелей (или отверстий), сосредоточенных в ограниченном пространстве, на которых происходит дифракция света. Такая решетка называется регулярной, если ее элементы распределены по периодическому закону, например на равных расстояниях.

В акустооптической среде, возбуждаемой высокочастотными электрическими сигналами напряжения E_p(t)=sinωt, регулярная дифракционная решетка формируется естественно, с помощью ультразвука. Моделируя такую решетку, следует учитывать, что показатель преломления не остается постоянным (больше - в участках сжатия, меньше - в разреженных зонах), поэтому падающая волна света частично отражается от границы разрежения и сжатия (как в полупрозрачном зеркале).

Ультразвуковые возмущения в направлении оси z не изменяют коэффициентов преломления среды в направлениях x и у, перпендикулярных оси z. Поэтому полупрозрачные зеркала акустооптической дифракционной решетки являются плоскими и распределены дискретно, перпендикулярно оси z на расстояниях, равных длине волны λ_s ультразвуковых волн.

Связь длины волны λ_s ультразвука со скоростью его распространения v_зв в акустооптической среде при заданной частоте возбуждения ν_s упругих колебаний проста: λ_s = v_зв/ν_s. В стекле скорость ультразвука v_зв=3,1×10³ м/с. При частоте ν_s=60 МГц это дает длину волны ультразвука (период дифракционной решетки) на уровне λ_s=52 мкм.

Очевидно, что акустооптическая дифракционная решетка является динамической; зоны сжатия и разрежения либо распространяются в среде со скоростью звука v_зв, либо периодически сменяют друг друга в каждой точке среды под влиянием стоячих волн. Следует также учитывать, что в акустооптических средах относительное изменение показателя преломления невелико (менее 10^-5-10^-4).

Рассмотрим варианты и схемы акустооптической дифракции.

Различают:

– дифракцию Рамана-Ната, когда луч света падает перпендикулярно дифракционной решетке;

– дифракцию Брэгга, когда луч света падает под углом к дифракционной решетке.

Указанные физические эффекты существенно зависят от длины волны падающего света (λ₀) и ультразвука (λ_s), а также от толщины I_вз области взаимодействия света и ультразвука.

При дифракции Рамана-Ната должно выполняться условие I_зв<<λ_s²/λ₀ и искривление (рефракция) падающего света после относительно тонкой дифракционной решетки оказывается незначительной. Периодические области усиления яркости на фронте световой волны с характерными многочисленными дифракционными максимумами (m=0, ±1, ±2, ±3, ...).

Дифракция Брэгга происходит, если I_вз>>λ_s²/λ₀; при этом наблюдается существенное пространственное отклонение всего светового пучка. Такое отклонение происходит в первом (+1 или -1-й) дифракционных максимумах, если выполняется условие Брэгга

(4.30)

где n - показатель преломления кристалла.

Угол Брэгга, под которым в этом случае должен падать луч света, определяется соотношением:

.

Например, в конкретном варианте λ₀=0,9 мкм, λ_s=52 мкм, n=1,92 (для тяжелого флинта), угол Брэгга θ=0,45 мрад или θ=0,25°. Поскольку sinθ<<1, можно использовать для оценки угла Брэгга более простое соотношение

.

На рис. 4.6 показана схема взаимодействия падающего светового луча1 и акустооптической дифракционной решетки 3, возбуждаемой пьезоэлектрическим преобразователем 2. Лучи 4 и 5 выходят под углами Брэгга в 1-м и -1-м максимумах.

Представленные варианты и схемы дифракции в акустооптической среде являются граничными (заметно идеализированными). Реальная дифракция в такой среде происходит по «своим» закономерностям, занимающим промежуточное положение между дифракционными законами Рамана-Ната и Брэгга.

Рис. 4.6.Схема взаимодействия луча и акустооптической

дифракционной решетки

Конструкция и особенности функционирования акустооптического модулятора. Такой модулятор схематически представлен на рис. 4.6. Ультразвук генерируется пьезоэлектрическим излучателем 2 (из ниобата лития LiNbO₃), который периодически возбуждается генератором высокочастотного напряжения. Упругие (ультразвуковые) волны создают в акустооптической среде дифракционную решетку 3, которая непосредственно влияет на распространение (пропускание, поглощение, отражение) падающего оптического излучения 1. Избыток энергии упругих сил отбирается специальным устройством (поглотителем ультразвука) на обратном конце пластины.

Лучи света, падающие под углом к ультразвуковым волнам, далее распространяются согласно дифракционной картине под углом Брэгга 4, частично отражаются и тем самым заметно отклоняются под углом 5. Меняя частоту акустических волн можно менять углы выходящих лучей. Таким образом это устройство можно использовать как дефлектор, управляющий углом отклонения лазерного луча, так и в виде модулятора интенсивности луча.