Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Московский государственный технический университет

имени Н.Э. Баумана

___________________________________________________________

кафедра РЛ2

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ

Лабораторная работа устройства управления лазерным излучением на основе эффекта наведенной анизотропии

Москва, 2012

1. Устройства управления лазерным излучением на основе эффекта наведённой анизотропии

Широкий спектр устройств управления лазерным излучением, используемых в приборостроении, и в частности все электрооптические, акустооптические и магнитооптические модуляторы базируются на элементах теории оптически анизотропных сред. Под оптически анизотропной средой (ОАС) будем понимать такую оптическую среду, для которой условия распространения светового излучения зависят от направления распространения и состояния поляризации проходящего излучения.

Свойства ОАС.

Определяющими свойствами ОАС являются следующие:

1. В анизотропной среде проходящее через нее по любому направлению излучение может существовать только в виде линейно поляризованных волн. Для каждого направления распространения света К_n в среде возможны только два направления колебаний электрического вектора поля, обозначаемые далее Р_n и S_n, причем К_n Р_n S_n

2. Произвольно поляризованное излучение ,входящее в ОАС, представляется в виде двух ортогонально поляризованных Ри S- компонентов и для каждого из них Среда обладает в общем случае двумя отличными по величине показателями преломления n_р  n_s и удельного поглощения x_p  x_s

3. Направления векторов Р_n и S_n не зависят от длины волны проходящего света, а коэффициенты n и x зависят от длины волны. Величина n= n_р- n_s называется величиной двулучепреломления , а x= x_p= x_s - величиной дихроизма .

Таким образом для любого направления распространения света к_п ОАС характеризуется единственной парой взаимно ортогональных векторов Р_n и S_n и двумя парами скалярных величин n_р, n_s и x_р, x_c.

среды, у которых n_р  n_s , а x_р x_c - дихроичными .

Оптическая анизотропия в действительности является проявлением более общих анизотропных свойств среды и обусловлена как анизотропией ее частиц, так и характером их взаимного расположения . При этом изотропная среда может быть построена из анизотропных частиц, а анизотропная среда- из частиц изотропных. Громадное большинство оптически изотропных сред обладает ”статистической” изотропией, когда микроскопическая анизотропия отдельных групп молекул в среднем сглаживается случайным взаимным расположением отдельных групп и среда остается изотропной . Однако под действием внешних полей и воздействий может возникнуть выраженное преимущественное направление и перегруппировка анизотропных элементов или сформироваться микроскопическая анизотропия. В результате среда становится макроскопически анизотропной , а такая искусственно созданная анизотропия получила название наведенной.

В линейных оптических средах распространение излучения полностью описывается уравнениями Максвелла с учетом параметров среды через материальные уравнения

(1.1)

Часто используется соотношение - вектор электрической индукции с компонентами и - вектор электрического поля с компонентами - симметричный тензор второго ранга - диэлектрическая проницаемость с компонентами . - тензор диэлектрической непроницаемости, обратный .

=1. (1.2)

Решение уравнений Максвелла для линейной оптической среды показывает, что распространение света в среде полностью описывается индикатрисой показателей преломления (рис.1.1). Это поверхность второго порядка ( эллипсоид) с центром в начале координат, определяемая уравнением:

(1.3)

где , а а_ij= 0 при , (для системы координат, в которой оси ориентированы вдоль главных осей эллипсоида). Тогда уравнение эллипсоида, приведенного к собственным осям:

а₁₁x² + а₂₂y² + а₃₃z² = 1 (1.4)

коэффициенты которого а_ij ( i = j ) соотносятся с показателями преломления следующим образом :

(1.5)

Коэффициенты выражают зависимость от электрического поля.

Полуоси эллипсоида равны , и . Скорость света в среде зависит от направления распространения и ориентации вектора электрического поля световой волны.

Если индикатриса среды задана , то для произвольного направления распространения света к_n можно найти определяющие это направление векторы Р_n и S_n и скаляры n_р и n_s . Для этого в точке  строится плоскость  к_n. Сечение индикатрисы этой плоскостью есть эллипс. Направления его полуосей определяют направления колебаний Р и S-компонентов, а их длины-величины соответствующих показателей преломления n_р и n_s .Пусть в ОАС выполняется неравенство n_z n_у n_x. Тогда в плоскости ОZX можно выделить два симметричных относительно OZ направления распространения света к₁ и к₂, для которых сечения индикатрисы представляются кругами . Эти направления, для которых ОАС обладают изотропными свойствами, называются оптическими осями , а рассмотренная среда - двухосной. Если два показателя преломления из трех становятся равными n_x= n_у=n_o ; n_z =n_e ,индикатриса Среды выражается в эллипсоид вращения. В нем существует единственное круговое сечение, перпендикулярное оси вращения OZ, поэтому ОАС называется одноосной. Полностью изотропная среда представляется индикатрисой-шаром.

При прохождении света через ОАС в общем случае в среде распространяются по различным направлениям две ортогональные линейно-поляризованные волны. Однако при определенной взаимной ориентации границы раздела, системы главных осей и направления распространения падающего пучка возможны случай ,когда обе компоненты после границы разделы следуют по одному пути, но с различными скоростями . На рис.1.1 также представлены различные варианты ориентации среза плоскопараллельных анизотропных пластинок , в которых при нормальном падении света Р-и S-компоненты не претерпевают пространственного разделения. Из двухосного материала такие пластинки можно получить при трех ориентациях среза, отмеченных как пластинки IIА, IIБ, IIВ. Для одноосной среды плоскость среза должна быть параллельной оси анизотропии. Указанные виды пластинок будем называть нормально ориентированными /НОП/. Именно такие пластинки используются в модуляторах, базирующихся на принципах наведенной анизотропии (рис.1.2).

На выходе из пластинок типа НОП величина относительного фазового сдвига между Р- и S- компонентами определяется соотношением

=/cl(n_р-n_s)=2/ln (1.6 )

где l-толщина анизотропной пластинки;

-круговая частота излучения;

с -скорость света.

Для анализа распространения через НОП поляризованного света рассмотрим рис.1.3. НОП толщиной l представлена осями анизотропии Р и S. Плоскополяризованный пучок падает на пластинку нормально к входной грани. Направление колебаний падающей волны задано вектором _а, составляющим угол  с вектором Р. Скалярное уравнение волны на входе _а(t) = _аcost. На входной грани излучение разделяется на два линейно- поляризованных компонента, амплитуды которых _ар и _as находятся как проекции _а на оси Р и S. Без учета затухания в среде на выходе из пластинки имеем две волны, описываемые уравнениями

_вр(t)=_вр cos (t_р) ; _вs(t)= _вscos (t_s)

_вр(t)=_а cos cos(t/c.l n_р) ; _вs(t)= _а sin сos (t/c l n_s) ( 1.7 )

Суперпозиция двух линейно поляризованных волн, описываемых (1.7), образует эллиптически поляризованную волну.

= sin² , (1.8)

где =/фl(n_р- n_s)

Выражение ( 1.8 ) описывает на плоскости , перпендикулярной направлению К, траекторию конца вектора, являющегося суммой гармонически изменяющихся по модулю векторов _вр и _вs. При изменении  происходит эволюция эллипса, когда он последовательно вырождается в прямую (=о), окружность (=/2) и, наконец, снова в прямую, ортогональную исходной. При дальнейшем изменении  эволюция проходит в обратном порядке , но направление вращения результирующего вектора меняет знак.

Таким образом принцип действия оптического модулятора на основе НОП состоит в изменении под действием управляющего воздействия величины n_р и n_s. В соответствии с этим изменением происходит изменение разности фаз (фазовый модулятор), поляризационных параметров (модулятор по состоянию поляризации), интенсивности (модулятор интенсивности). В последнем случае схема содержит НОП и поляризационный анализатор и описывается статической характеристикой при оптимальной настройке

=sin² /2, ( 1.9 )

где - коэффициент пропускания по интенсивности.

Изменение n_р и n_s осуществляется внешним воздействием, в качестве которого обычно используется проявление одного из эффектов - электрооптического, акустооптического и магнитооптического.