5.2. Оптические модуляторы

Модуляция света - это изменение его параметров в зависи­мости от управляющего (модулирующего) сигнала. С ее помо­щью производят наложение информации на световую волну или световой поток, осуществляющие перенос этой информации.

Модулятор представляет собой устройство, которое управляет параметрами светового потока и изменяет детектируемые свойства световой волны в соответствии с приложен­ным электрическим сигналом. Модулировать можно амплитуду (интенсив­ность), частоту, фазу, поляризацию, направление распростране­ния и пространственное распределение волны или светового по­тока. В оптоэлектронике наиболь­шее распространение получили амп­литудная и фазовая модуляция.

Действие амплитудных модуляторов основывается на физических эффектах, связанных с изменением фазы, а не поглощением света, проходящего через модулятор. Наведенное изменение фазы обуславливает эквивалентное изменение интенсивности.

Фазовые модуляторы используют явление линейного изменения показателя преломления кристаллов в зависимости от величины электрического поля Е, приложенного к кристаллу.

Поляризационная модуляция также основана на использовании электрооптического эф­фекта.

Различают внешнюю и внутреннюю модуляцию. В первом случае (рис. 5.2,а) модулятор находится вне резонатора и осу­ществляет модуляцию излучения, генерируемого лазером. Во втором случае (рис. 5.2,б) модулятор находится внутри резона­тора, изменяя его свойства (например, добротность) и осущест­вляя модуляцию генерируемого излучения. Частным и весьма важным случаем внутренней модуляции явля­ется так называемая прямая модуляция, при которой сигнал модуляции воздействует на свойства самой активной среды.

Рис. 5.2. Внешняя (а) и внутренняя (б) модуляции лазерного излуче­ния. Временные диаграммы показывают пример амплитудной модуля­ции.

В зависимости от внешнего фактора, используемого при модуляции светового протока, различают электрооптические, магнитооптические и пьезооптические или акустооптические модуляторы. В акустооптических модуляторах деформация в кристалле создается с помощью акустической волны. Если принцип работы модулятора связан с процессами оптического поглощения, то такие модуляторы называются абсорбционными. Наибольшее распространение как отдельные элементы оптической электроники получили электрооптические и акустооптические модуляторы.

5.3. Дефлекторы

Оптические дефлекторы предназначены для управления на­правлением распространения светового луча в пространстве (ска­нирования). Простейший дефлектор представляет собой зеркало, угловым поворотом которого можно осуществлять угловое пере­мещение (отклонение) отраженного от него светового луча, ре­ализуя, например, строчную развертку оптического изображения. Практически все способы управления распространением световых потоков основаны на использовании явлений рефракции света в неоднородных структурах. Чтобы изменять направление светового пучка в пространстве, необходи­мо управляемо изменять пространственное распределение пока­зателя преломления.

Если взять прямоугольную пластинку дли­ной L, показатель преломления которой в поперечном направле­нии х линейно изменяется по закону п(х)=п₀+ах, то плоская световая волна, распространяющаяся вдоль направления L, бу­дет отклоняться на угол .Эту пластину можно изготовить из двух склеенных по диагонали призм, сделанных из электрооптических кристаллов, оптические оси которых направлены навстречу друг другу. Прикладывая определенным образом электрическое поле к пластине, можно изменять показатель преломления для лучей, распространяющихся в нижней и верхней частях пластины, что вызовет отклонение светового луча на угол , где D – толщина пластины в направле­нии х.

Значительно более хорошими характеристиками обладают акустооптические дефлекторы. Их принцип работы основан на взаимодействии света со звуковыми волнами. Показатель преломления вещества можно изменить не только с помощью электрического или магнитного полей, но и путем механической деформации. Это явление называется фотоупругостью или низкооптическим эффектом.

Акустическая волна при распространении в оптически прозрачной среде формирует пространственные периодические изменения показателя преломления, соответствующие областям сжатия и разрежения. В областях максимального сжатия имеет место увеличение n, тогда как в областях разрежения показатель преломления уменьшается. Свойства среды при этом проявляются через тензор фотоупругости, который физически обусловлен изменением электронных орбит кристалла или ориентационными эффектами. В первом приближении можно считать, что изменение показателя преломления среды ∆п пропорционально корню квадратному из акустической мощ­ности, поскольку последняя пропорциональна квадрату амп­литуды волны. В результате образуется структура, аналогичная дифракционной решетке. Оптические волны, падающие на эту решетку, подвергаются дифракции (дифракция света на звуке).

Различают два режима дифракции света на звуковых волнах. Физической основой режима Рамана-Ната является условие дифракции на звуковом столбе с образованием ряда дифракционных максимумов, углы которых выражают как , гдеm = 0, ± 1, ± 2, ± 3...; λ – длина волны оптического излучения в материале; Ʌ - длина звуковой волны (рис 5.3, а).

При дифракции Рамана-Ната имеет место лишь фазовая модуляция, искривление (рефракция) луча несущественно, вследствие чего для выходного светового потока характерно появление периодических возмущений на фронте волны и большое число дифракционных максимумов.

При дифракции Брэгга () существенны неодномерные эффекты, вызывающие рефракцию, следствием чего при выполнении условия Вульфа-Брэгга () является пространственное отклонение всего светового потока только в первый дифракционный максимум ((рис 5.3, б).

Рис. 5.3. Схема дифракции света на звуковой волне: а – режим Рамана-Ната; б – режим Брэгга.

Акустооптическая дифракционная решетка является динамической: разрежения и сжатия либо распространяются в среде со скоростью звука (бегущая акустическая волна), либо периодически сменяют друг друга в каждой точке среды (стоячая акустическая волна).

Практическая важность нелинейных акусто-оптических явлений состоит в возможности увеличения акустического качества, а также в проявлении таких специфических нелинейных эффектов, как взаимофокусировка акустических и оптических волн, обмен энергией между этими волнами и электронными волнами, соответствующими в кристалле акустической волне. Последний эффект, наиболее просто реализуемый при возбуждении поверхностных акустических волн (ПАВ) в слоистых структурах, может привести к усилению оптической волны.

К существенно новым результатам приводит теория акусто-оптических явлений в случае анизотропной среды. Физическая основа этих явлений состоит в том, что тензоры фотоупругости для обыкновенного и необыкновенного лучей отличаются друг от друга, т.е. при дифракции света в анизотропных средах возможны изменение поляризации оптической волны, а также существование дифракции Брэгга в широкой полосе частот акустической волны при изменении угла падения оптической волны. Эффект фотоупругости в анизотропных средах открывает большие возможности для практики создания акусто-оптических устройств.

5.3. Преобразователи частоты

Преобразователи частоты представляют собой устройства управления лазерным излучением, предназначенные для измене­ния его частоты (длины волны). Различают дискретные и непре­рывные преобразователи частоты. Среди дискретных преобразо­вателей выделяют умножители частоты, осуществляющие гене­рирование частот, кратных основной частоте лазерного излуче­ния. Они называются генераторами гармоник.

Принцип действия большинства преобразователей частоты основан на использовании нелинейных оптических эффектов. Наибольшее распространение среди дискретных преоб­разователей получили: умножители частоты (генераторы гармо­ник); преобразователи частоты на основе вынужденного ком­бинационного рассеяния света (комбинационные лазеры) и пре­образователи частоты вверх (генераторы суммарных частот). Из непрерывных преобразователей частоты света интерес представляют прежде всего параметрические генераторы, а также акусто-оптические и электрооптические модуляторы частоты.

Генератор второй гармоники. При генерации второй гармоники излучение лазера преобразуется в излучение удвоенной частоты. Здесь в нелинейном кристалле осуществляется нелинейное взаимодействие двух падающих фотонов с возникающим в кристалле фотоном удвоенной энергии.

В общем случае нелинейное взаимодействие двух проходящих через нелинейную среду волн с частотами ω₁ и ω₂ приводит к появлению третьей волны с частотой ω₁ ± ω₂. Он наиболее эффективен, если для всех трех волн выполняется условие фазового синхронизма.

Для выяснения этого условия рассмотрим вопрос о фазовых скоростях падающей волны и ее второй гармоники в среде. Фазовая скорость падающей волны υ_ф(ω) определяется через частоту волны и волновой вектор соотношениемυ_ф(ω)= . Выражая фазовую скорость волны через показатель преломления среды, имеем:υ_ф(2ω)=2=.

Так как показатель преломления увеличивается с ростом частоты, т.е. , тоυ_ф(2ω)<υ_ф(ω), причем разность фазовых скоростей равна

υ_ф(2ω) - υ_ф(ω) = -. (1)

Волны имеют одинаковую фазовую скорость лишь при

= 2. (2)

При выполнении равенства (2) имеем равенство фазовых скоростей соответствующих волн

υ_ф(2ω) = υ_ф(ω). (3)

При этом разность фаз между возбуждающей волной и ее второй гармоникой ∆φ = 0. Поэтому условие (2), также как и условие (3) принято называть условием фазового синхронизма. При выполнении условия синхронизма происходит наиболее эффективное преобразование энергии падающей волны во вторую гармонику.

На рис. 5.4 приведена схема опыта для наблюдения генерации второй гармоники. На нелинейный кристалл, ориентированный специаль­ным образом для соблюдения условия волнового синхронизма, подается плоская линейно поляризованная световая волна, генерируемая лазером на частоте ω. За счет процессов нелиней­ной поляризации кристалл преобразует эту волну во вторую гармонику, так что на выходе появляется излучение удвоенной частоты 2 ω.

Рис. 5.4. Схема опыта для наблюдения удвоения частоты световой волны.

По аналогичной схеме могут быть построены умножители частоты - генераторы третьей, четвертой и т. д. гармоник, но их эффективность существенно ниже.

Параметрические преобразователи частоты. Принцип дейст­вия параметрических усилителей и генераторов света основан на том, что в нелинейной среде возможны сложения и вычитания двух волн, приводящие к преобразованию частот. Пусть на нелинейную среду в направлении z падает мощная световая волна на частоте ω₁ (волна накачки)

(4)

и одновременно две слабые волны

, (5)

(6)

с частотами, удовлетворяющими соотношению

ω₁=ω₂ + ω₃. (7) За счет взаимодействия волн на частотах ω₁ и ω₃ возникает переизлучение на частоте ω₂, а за счет взаимодействия волн на частотах ω₁ и ω₂ – переизлучение на частоте ω₃. Так же как и для удвоения частоты, для эффективного параметрического преобразования необходимо выполнить усло­вие волнового синхронизма

. (8)

Если выполнено условие синхронизма, то энергия волны накачки эффективно передается волнам с частотами ω₂ и ω₃, которые усиливаются в нелинейной среде.

Рис. 5.5. Принцип действия параметрического генератора света.

Принцип действия параметрического генератора состоит в следующем (рис.5.5). Нелинейный кристалл 1 помещают в оптический резонатор, создаваемый зеркалами 2. На кристалл действует мощная электромагнитная волна накачки на частоте ω₁, распространяющаяся вдоль оптической оси резонатора. В результате параметрического преобразования с превышением усиления над потерями в резонаторе возникает генерация на частотах ω₂ и ω₃. Плавная пере­стройка частоты осуществляется или поворотом нелинейного кристалла, как это показано на рис. 5.5 или изменением его температуры.

При применении в качестве нелинейного элемента кристалла ниобата лития диапазон перестройки может быть от 0,55 до 3,6 мкм при изменении температуры кристалла от 50 до 450° С. Коэффициент преобразования достигает 40%.

Достижения в области создания мощных полупроводниковых гетеролазеров открывают новые возможности создания мини­атюрных и эффективных параметрических генераторов света с плавной перестройкой частоты.

Акустооптический модулятор частоты. Его принцип дейст­вия пояснен на рис. 5.6. Пьезоэлектрический элемент создает в оптической среде, выпол­няющей роль звукопровода, бегущую ультразвуковую волну с частотой Ω и длиной волны Ʌ. Эта бегущая волна образует дифракционную решетку. При выполнении условия Вульфа – Брегга происходит дифракция световой волны λ на ультразвуке. После прохождения такой решетки появляется несмещенная волна нуле­вого порядка дифракции и волна первого порядка дифракции, частота которой отличается от падающей ω₁ на Ω_s в соответствии с законом сохранения энергии:

ω ₂ = ω₁ ± Ω_s. (4)

Рис. 5.6. Акустооптический модулятор частоты. 1 - падающий световой пучок, 2 – прошедший пучок, 3 – дифрагированный пучок, смещенный по частоте.

Рабочие частоты модулято­ров - от десятков МГц до ГГц. Отно­сительная эффективность модулятора, определяемая как отношение интенсив­ности светового пучка в первом порядке дифракции к интенсивности падающего света, для промышленных устройств со­ставляет 60...70%, достигая иногда 90% и выше. Мощность, затрачиваемая на управление модулятором, составляет единицы ватт.