Акустооптический модулятор

Устройство, преломляющее свет посредством звуковых волн.

Акустооптический модулятор состоит из пьезоэлектрического преобразователя , который создает звуковые волны в таком материале, как стекло или кварц . Световой луч дифрагируется на несколько порядков. Вибрируя материал с помощью чистой синусоиды и наклоняя АОМ так, чтобы свет отражался от плоских звуковых волн в первый порядок дифракции, можно достичь эффективности отклонения до 90%.

Акустооптический модулятор ( АОМ ), также называемый ячейкой Брэгга или акустооптическим дефлектором ( АОД ), использует акустооптический эффект для дифракции и смещения частоты света с помощью звуковых волн (обычно на радиочастоте ). Они используются в лазерах для модуляции добротности , в телекоммуникациях для модуляции сигнала и в спектроскопии для управления частотой. Пьезоэлектрический преобразователь прикреплен к такому материалу, как стекло. Колебательный электрический сигнал заставляет датчик вибрировать, что создает звуковые волны в материале. Их можно рассматривать как движущиеся периодические плоскости расширения и сжатия, которые изменяют показатель преломления . Входящий свет рассеивается (см. Рассеяние Бриллюэна ) в результате периодической модуляции индекса, и возникает интерференция, аналогичная дифракции Брэгга . Взаимодействие можно рассматривать как процесс трехволнового смешивания, приводящий к генерации суммарной частоты или генерации разностной частоты между фононами и фотонами .

Принципы работы

Типичный АОМ работает в условиях Брэгга , когда падающий свет падает под углом Брэгга от перпендикуляра распространения звуковой волны. ^{[1] [2]} ${\displaystyle \theta _{B}\approx \sin \theta _{B}={\tfrac {\lambda }{2\Lambda }}}$

Набросок, объясняющий условие Брэгга для AOD. Λ — длина звуковой волны, λ — длина световой волны, n — показатель преломления кристалла в АОД (который следует опустить. Это ошибка). Порядок +1 имеет положительный сдвиг частоты по сравнению с падающим светом; 0-й порядок имеет ту же частоту, что и падающий свет. Небольшое поперечное смещение нулевого порядка от падающего света представляет собой преломление внутри кристалла.

Дифракция

Когда падающий световой луч находится под углом Брэгга, возникает дифракционная картина, при которой порядок дифрагированного луча возникает под каждым углом θ, который удовлетворяет: ^[3]

$${\displaystyle 2\Lambda \sin \theta =m\lambda }$$

Здесь m = ..., −2, −1, 0, +1, +2, ... — порядок дифракции, λ — длина волны света в вакууме, Λ — длина волны звука. ^[4] Обратите внимание, что порядок m = 0 движется в том же направлении, что и падающий луч.

Дифракция от синусоидальной модуляции в тонком кристалле приводит в основном к порядкам дифракции m = −1, 0, +1 . Каскадная дифракция в кристаллах средней толщины приводит к более высоким порядкам дифракции. В толстых кристаллах со слабой модуляцией дифрагируют только синфазные порядки; это называется дифракцией Брэгга . Угловое отклонение может составлять от 1 до 5000 ширины луча (количества разрешаемых пятен). Следовательно, отклонение обычно ограничивается десятками миллирадиан .

Угловое расстояние между соседними порядками для брэгговской дифракции в два раза превышает угол Брэгга, т.е. ${\displaystyle \Delta \theta \approx {\tfrac {\lambda }{\Lambda }}.}$

Интенсивность

Количество света, преломляемого звуковой волной, зависит от интенсивности звука. Следовательно, интенсивность звука можно использовать для модуляции интенсивности света в дифрагированном луче. Обычно интенсивность, которая дифрагирует в порядке m = 0, может варьироваться от 15% до 99% интенсивности входного света. Аналогично, интенсивность порядка m = +1 может варьироваться от 0% до 80%.

Выражение эффективности в порядке m = +1 имеет вид: ^[5]

$${\displaystyle \eta ={\frac {I_{1}}{I}}=\sin ^{2}{\frac {\Delta \phi }{2}}}$$

где внешний фазовый сдвиг ${\displaystyle \Delta \phi ={\frac {\pi }{\lambda }}{\sqrt {2{\frac {L}{H}}M_{2}P}}.}$

Чтобы получить одинаковую эффективность для разных длин волн, радиочастотная мощность в АОМ должна быть пропорциональна квадрату длины волны оптического луча. Обратите внимание, что эта формула также говорит нам, что, когда мы начинаем с высокой ВЧ-мощности P , она может быть выше, чем первый пик функции синус-квадрат, и в этом случае, когда мы увеличиваем P , мы остановимся на втором пике с очень высокая радиочастотная мощность, приводящая к перегрузке АОМ и потенциальному повреждению кристалла или других компонентов. Чтобы избежать этой проблемы, всегда следует начинать с очень низкой ВЧ-мощности и постепенно увеличивать ее до достижения первого пика.

Обратите внимание, что существуют две конфигурации, которые удовлетворяют условию Брэгга: если составляющая волнового вектора падающего луча в направлении распространения звуковой волны направлена ​​против звуковой волны, процесс дифракции/рассеяния Брэгга приведет к максимальной эффективности в порядке m = +1 , который имеет положительный сдвиг частоты; Однако если падающий луч идет вдоль звуковой волны, достигается максимальная дифракционная эффективность в порядке m = –1 , имеющем отрицательный сдвиг частоты.

Частота

Одним из отличий от дифракции Брэгга является то, что свет рассеивается на движущихся плоскостях. Следствием этого является то, что частота дифрагированного луча f порядка m будет сдвинута по доплеровскому закону на величину, равную частоте звуковой волны F.

$${\displaystyle f\rightarrow f+mF}$$

Этот сдвиг частоты можно также объяснить тем фактом, что энергия и импульс (фотонов и фононов ) сохраняются в процессе рассеяния . Типичный сдвиг частоты варьируется от 27 МГц для менее дорогого AOM до 1 ГГц для современного коммерческого устройства. В некоторых АОМ две акустические волны движутся в материале в противоположных направлениях, создавая стоячую волну . В этом случае спектр дифрагированного луча содержит кратные частотные сдвиги, в любом случае целые кратные частоте звуковой волны.

Фаза

Кроме того, фаза дифрагированного луча также будет сдвинута на фазу звуковой волны. Фазу можно менять на произвольную величину.

поляризация

Коллинеарные поперечные акустические волны или перпендикулярные продольные волны могут изменить поляризацию . Акустические волны вызывают двулучепреломляющий фазовый сдвиг, очень похожий на ячейку Поккельса ^{[ сомнительно ]} . На этом принципе основан акустооптический перестраиваемый фильтр, особенно ослепитель , который может генерировать импульсы переменной формы. ^[6]

Блокировка режима

Акустооптические модуляторы работают намного быстрее, чем типичные механические устройства, такие как поворотные зеркала. Время, необходимое АОМ для смещения выходящего луча, примерно ограничено временем прохождения звуковой волны через луч (обычно от 5 до 100  нс ). Это достаточно быстро, чтобы создать активную синхронизацию моделей в сверхбыстром лазере . Когда необходимо более быстрое управление, используются электрооптические модуляторы . Однако для них требуются очень высокие напряжения (например, 1...10  кВ ), тогда как АОМ имеют больший диапазон отклонения, простую конструкцию и низкое энергопотребление (менее 3  Вт ). ^[7]

Приложения

• Q-переключение
• Регенеративные усилители
• Разгрузка полости
• Блокировка моделей
• Лазерный доплеровский виброметр
• Модуляция лазерного света RGB для цифрового изображения фотопленки
• Конфокальная микроскопия
• Гетеродинное обнаружение с синтетической матрицей
• Гиперспектральная визуализация

Смотрите также

• Акустооптика
• Акустооптический дефлектор
• Акустооптический спектрометр
• Электрооптический модулятор
• Джеффри ячейка
• Жидкокристаллический перестраиваемый фильтр
• Фотоэластичность
• Эффект Поккельса

Рекомендации

1. «Замечания по применению акустооптической теории» (PDF) .
2. Пашотта, доктор Рюдигер. «Акустооптические модуляторы». www.rp-photonics.com . Проверено 3 августа 2020 г.
3. Маккаррон, диджей (7 декабря 2007 г.). «Руководство по акустооптическим модуляторам» (PDF) . Группа Маккаррон . Проверено 1 июня 2023 г.
4. "Руководство по акустооптическим модуляторам"
5. Лекавич, Дж. (апрель 1986 г.). «Основы акустооптических приборов». Лазеры и их применение : 59–64.
6. Эклунд, Х.; Роос, А.; Энг, СТ (1975). «Вращение поляризации лазерного луча в акустооптических устройствах». Оптическая и квантовая электроника . 7 (2): 73–79. дои : 10.1007/BF00631587. S2CID  122616113.
7. Келлер, Урсула; Галлманн, Лукас. «Сверхбыстрая лазерная физика» (PDF) . ETH Цюрих . Проверено 21 марта 2022 г.

Внешние ссылки

• Ресурсный центр Olympus по микроскопии