Akusto-optisk modulator

Akusto-optisk modulator (AOM) - en anordning för att ändra intensiteten av transmitterat ljus, på grund av dess diffraktion på ett gitter bildat i glas som ett resultat av rumslig modulering av brytningsindex med en akustisk våg .

Hur det fungerar

Funktionsprincipen för AOM är baserad på diffraktionen av ljus av en färdande ultraljudsvåg i ett optiskt transparent material ( glas ). En resande ultraljudsvåg skapas av en piezoelektrisk givare fäst på en glasplatta. På grund av utseendet av områden med kompression och spänning som uppstår i glaset och skiljer sig i brytningsindex, bildas ett diffraktionsgitter i mediet. En ljusstråle, som diffrakterar på ett gitter, bildar flera utgående strålar (diffraktionsordningar) fördelade i rymden med lika vinklar i förhållande till varandra. Med hjälp av bländaren väljs det första maximum från alla utgående strålar, som endast existerar i närvaro av en ljudvåg i modulatorn, och alla andra är blockerade (se figuren ovan).

Beroende på glaskroppens tjocklek har AOM vissa skillnader i drift. I en tunn modulator skiljer sig inte operationsprincipen från den som beskrivits tidigare, men i en tjock modulator är det nödvändigt att ta hänsyn till villkoren för fasanpassning , , där är vågvektorn för den infallande strålningen, och är vågvektorer för ljudet och optiska vågor diffrakterade i första ordningen. I en tjock modulator, med rätt val av infallsvinkeln för ingångsstrålen och på grund av synkroniseringstillståndet, är det möjligt att excitera huvudsakligen den första (eller minus första) diffraktionsordningen. Industrin producerar tjocka modulatorer, eftersom de kräver en ljudvåg med lägre effekt. Hög diffraktionseffektivitet i tjocka modulatorer uppnås tack vare det bredare diffraktionsgittret. ${\vec {k}}+{\vec {k}}_{\text{phonon}}={\vec {k}}_{\text{photon}}^{+1}$ $\vec{k}$ ${\vec {k}}_{\text{phonon}}$ ${\vec {k}}_{\text{photon}}^{+1}$

Tunn modulator (Raman-Nath diffraktion)

När ljus infaller ortogonalt på kristallytan, diffrakteras transmitterat ljus med en våglängd och en ljudvåg i en vinkel av flera diffraktionsordningar : $\lambda$ $\Lambda$ $\theta$ $m$

\sin \theta ={\frac {m\lambda }{2\Lambda )).

Bragg-läge (tjock modulator)

Av praktiskt intresse är fallet när ljus (laserstråle) riktas mot glas i Bragg-vinkeln . I detta fall observeras Bragg-diffraktion , vid vilken intensiteterna för alla diffraktionsmaxima, förutom den första, blir små.

Egenskaper för AOM

Diffraktionsvinkel

Våglängden för en ljudvåg i glas är:

\Lambda ={\frac {v}{F)),

var är ljudets hastighet (se tabell nedan), är ljudets frekvens.

v

F

Med en moduleringsfrekvens på 80 MHz (den vanligaste AOM-frekvensen) och en ljudhastighet i glas på 3,2 km/s är ljudets våglängd i glas µm och avböjningsvinkeln för den första ordningens diffrakterade strålen är cirka 10 milliradianer. $\Lambda =40$ $\theta$

Intensitet

Intensiteten hos de diffrakterade strålarna beror på ljudvågens intensitet och modulatorns rotationsvinkel (Bragg-vinkel). Genom att modulera ljudvågens intensitet kan man ändra (icke-linjärt) intensiteten hos de diffrakterade strålarna. Som regel varierar intensiteten hos nollordningens strålen inom 15-99% och intensiteten för den första ordningen - 0-80%. Modulationskontrasten överstiger ofta 1000 och kan lätt nå 10 000 (40 dB ).

Frekvens

Frekvensen av de diffrakterade strålarna på grund av Dopplereffekten ändras enligt formeln:

\nu \to \nu +mF.

En sådan frekvensförskjutning bestäms också av lagen om bevarande av energi och rörelsemängd (fotoner och fononer). I vissa AOM skapar akustiska vågor som utbreder sig i motsatta riktningar en stående våg, som ett resultat av vilken frekvensen av diffraktionsordningarna inte ändras.

Fas

Fasen för de diffrakterade strålarna förskjuts också av ljudvågens fas.

Polarisering

Ljudvågen inducerar dubbelbrytning i glas, så polariseringen av ljus efter att ha passerat genom modulatorn kan ändras.

Prestanda

Hastigheten för AOM begränsas av tiden för ljudvågens passage genom ljusstrålens tvärsnitt ( där är den tvärgående storleken på laserstrålen, är ljudets hastighet i cellmaterialet) och är i storleksordningen 2–10 μs för en kollimerad laserstråle flera millimeter i diameter. Ju mindre fokuspunkt, desto bättre AOM-prestanda, så vanligtvis placeras modulatorn i fokus på linsen, medan utgående strålar kollimeras av den andra linsen. En tjock modulator kräver användning av en lins med lång brännvidd; med korrekt layout och inriktning är det möjligt att uppnå en hastighet på cirka 20 ns. AOM kan arbeta i modulator- och deflektorläge (det vill säga, den avleder också den infallande strålen i vinkel när ljudvågens frekvens ändras). $t=d/v,$ $d$ $v$

Material som används för att göra AOM

Material	Optisk räckvidd, µm	Brytningsindex	Ljudvågshastighet, km/s	Kvalitetsfaktor 10 −15 m 2 /W
Kalkogenid glas	1,0–2,2	2.7	2,52	164
Flint SF-6	0,45-2	1.8	3,51	åtta
kvartsglas	0,2–4,5	1,46	5,96	1,56
galliumfosfit	0,59-10	3.3	6.3	44
Germanium	2-12	4.0	5.5	180
indiumfosfat	1-1,6	3.3	5.1	80
litiumniobat	0,6–4,5	2.2	6.6	femton
Tellurdioxid	0,4—5	2,25	5.5	1000

Enhetsdesign

Det optiskt polerade glaset är sammanfogat genom trycklimning av metall till en piezogivare gjord av litiumniobat . Tjockleken på litiumniobatplattan väljs baserat på den erforderliga moduleringsfrekvensen (upp till 1 GHz). Glasplattans motsatta yta är gjord i en vinkel mot ultraljudsvågens utbredning, så att den reflekterade vågen avböjs åt sidan så att en stående våg inte uppstår. Dessutom placeras vanligtvis ett block av ljudabsorberande material på denna yta.

AOM placeras vanligtvis i ett metallhölje med hål för ingången/utgången av ljusstrålen och en RF-kontakt för att leverera en modulerande signal (vanligtvis en SMA- eller BNC-kontakt ). Det är även möjligt att designa enheten med fiberingångar och utgång, vilket gör den enkel att använda i fiberoptiska system .

AOM-modulationsfrekvensen bestäms av det akustiska mediets elastoptiska egenskaper och kan nå 350 MHz (AOM-effektiviteten vid en sådan frekvens är låg, i storleksordningen 10–20%).

Applikation

AOM används för att snabbt modulera och avleda laserstrålar, så de används ofta i optiska laboratorier som ett enkelt sätt att modulera en laserstråle (höghastighetsslutare). Användningen av en AOM inuti laserkaviteten gör det möjligt att kontrollera förlusterna av kaviteten och att utföra aktiv Q-switching eller laserlägeslåsning .

AOM med en kolinjär stråle kallas AOPDF , den kan forma den spektrala fasen och amplituden för ultrakorta laserpulser.

Tillverkare

Se även

Savelyev-Trofimov A. B. — Introduktion till laserfysik — Akustooptiska modulatorer