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 материалу, такому как стекло. Колеблющийся электрический сигнал заставляет преобразователь 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 Мандельштама — Бриллюэна ) от результирующей периодической модуляции показателя преломления, и происходит интерференция, аналогичная дифракции Брэгга . Взаимодействие можно рассматривать как процесс смешения трех волн, приводящий к генерации суммарной частоты или генерации разностной частоты между фононами и фотонами .
Типичный АОМ работает в условиях Брэгга , когда падающий свет падает под углом Брэгга от перпендикуляра распространения звуковой волны. [1] [2]
Когда падающий световой луч падает под углом Брэгга, возникает дифракционная картина, в которой порядок дифрагированного луча возникает при каждом угле θ, который удовлетворяет условию: [3]
Здесь m = ..., −2, −1, 0, +1, +2, ... — порядок дифракции, λ — длина волны света в вакууме, а Λ — длина волны звука. [4] Обратите внимание, что порядок m = 0 распространяется в том же направлении, что и падающий луч.
Дифракция от синусоидальной модуляции в тонком кристалле в основном приводит 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 согласованные порядки; это называется дифракцией Брэгга . Угловое отклонение может составлять от 1 до 5000 ширин пучка (число разрешимых пятен). Следовательно, отклонение обычно ограничивается десятками миллирадиан .
Угловое расстояние между соседними порядками для дифракции Брэгга в два раза больше угла Брэгга, т.е.
Количество света, дифрагированного звуковой волной, зависит от интенсивности звука. Следовательно, интенсивность звука может быть использована для модуляции интенсивности света в дифрагированном луче. Обычно интенсивность, которая дифрагируется в порядке m = 0 , может варьироваться от 15% до 99% от интенсивности входного света. Аналогично, интенсивность порядка m = +1 может варьироваться от 0% до 80%.
Выражение эффективности в порядке m = +1 имеет вид: [5]
где внешний фазовый сдвиг
Чтобы получить одинаковую эффективность для разной длины волны, мощность РЧ в AOM должна быть пропорциональна квадрату длины волны оптического луча. Обратите внимание, что эта формула также говорит нам, что когда мы начинаем с высокой мощности РЧ P , она может быть выше первого пика в квадрате синусоидальной функции, и в этом случае при увеличении P мы остановимся на втором пике с очень высокой мощностью РЧ, что приведет к перегрузке AOM и потенциальному повреждению кристалла или других компонентов. Чтобы избежать этой проблемы, следует всегда начинать с очень низкой мощности РЧ и медленно увеличивать ее, чтобы остановится на первом пике.
Обратите внимание, что существуют две конфигурации, удовлетворяющие условию Брэгга: если компонента волнового вектора падающего луча в направлении распространения звуковой волны направлена против звуковой волны, то процесс дифракции/рассеяния Брэгга приведет к максимальной эффективности в порядке m = +1, что имеет положительный сдвиг частоты; однако, если падающий луч идет вдоль звуковой волны, то достигается максимальная эффективность дифракции в порядке m = –1 , что имеет отрицательный сдвиг частоты.
Одно из отличий от дифракции Брэгга заключается в том, что свет рассеивается от движущихся плоскостей. Следствием этого является то, что частота дифрагированного луча f в порядке m будет смещена Доплером на величину , равную частоте звуковой волны F.
Этот сдвиг частоты можно также понять из того факта, 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 AOM две акустические волны распространяются в противоположных направлениях в материале, создавая стоячую волну . В этом случае спектр дифрагированного луча содержит несколько сдвигов частоты, в любом случае целочисленных кратных частоте звуковой волны.
Кроме того, фаза дифрагированного луча также будет смещена на фазу звуковой волны. Фаза может быть изменена на произвольную величину.
Коллинеарные поперечные акустические волны или перпендикулярные продольные волны могут изменять поляризацию . Акустические волны вызывают двулучепреломляющий фазовый сдвиг, как в ячейке Поккельса [ сомнительно – обсудить ] . Акустооптический настраиваемый фильтр, особенно ослепляющий , который может генерировать импульсы переменной формы, основан на этом принципе. [6]
Акустооптические модуляторы намного быстрее, чем типичные механические устройства, такие как наклонные зеркала. Время, необходимое AOM для смещения выходящего луча, примерно ограничено временем прохождения звуковой волны через луч (обычно от 5 до 100 нс ). Этого достаточно для создания активной синхронизации моделей в сверхбыстром лазере . Когда необходимо более быстрое управление, используются электрооптические модуляторы . Однако они требуют очень высоких напряжений (например, 1...10 кВ ), тогда как AOM предлагают больший диапазон отклонения, простую конструкцию и низкое энергопотребление (менее 3 Вт ). [7]
