АКУСТООПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР
ACOUSTO-OPTICAL MODULATOR

Изобретение относится к акустооптике и лазерной технике, в частности к управлению характеристиками коллимированного монохроматического излучения.
Во многих практических задачах используется модулированное оптическое излучение, в частности для передачи сигналов (аналоговых и цифровых), для периодического воздействия на объект, для внутрирезонаторной модуляции излучения в лазерах и т.п. Акустооптические (АО) модуляторы являются одними из наиболее эффективных, они позволяют формировать модулирующее воздействие наиболее общего вида со временем переключения до 1 мкс.
Известно много видов АО модуляторов (В.И.Балакший и др. Физические основы акустооптики. - М.: Радио и связь, 1985, стр.170, рис.8.1 и табл.6.2).
АО модулятор (патент US №4759613) включает в себя светозвукопровод из прозрачного для света материала, к которому прикреплено средство для возбуждения ультразвуковой (УЗ) волны, у которого две грани имеют оптическое качество обработки и служат для ввода модулируемого и вывода модулированного светового пучка. Часто грань кристалла, противоположную излучателю, располагают наклонно по отношению к падающему на нее акустическому пучку, так, чтобы отраженный от нее пучок распространялся в виде другой акустической моды в направлении боковых граней под углом, при котором не возникает отражения назад в область распространения светового пучка. Обычно также места падения акустического пучка на грани кристалла покрывают поглощающим звук материалом. Данный патент принят за прототип.
ак
АО модуляторы работают следующим образом. С помощью прикрепленного к кристаллическому светозвукопроводу излучателя звука (пьезопреобразователя) возбуждается акустическая (ультразвуковая) волна, которая за счет фотоупругого эффекта создает движущуюся дифракционную решетку. Световой пучок, который необходимо модулировать (обычно лазерный или монохроматический), направляют на светозвукопровод так, чтобы он падал на решетку под определенным углом (углом Брегга). В результате рассеяния на решетке свет частично (или полностью) дифрагирует и меняет направление распространения, частоту и фазу, а главное - амплитуду. Коэффициент дифракции определяется мощностью ультразвука Р, длиной взаимодействия L и длиной волны модулируемого излучения λ:
2
где M - коэффициент акустооптического качества кристалла. Эта зависимость позволяет осуществлять управление интенсивностью дифрагированной волны путем изменения мощности ультразвука, в частности путем включения и выключения последней.
n
∂
уз
Чтобы модулятор работал эффективно, необходимо также определить ориентацию взаимодействующих пучков света и звука. Обычно используют ортогональную схему, в которой направление распространения света лежит под небольшим углом к оси симметрии эллипсоида показателей преломления среды, а направление распространения звука ортогонально этой оси. Диаграмма волновых векторов при дифракции в модуляторе на основе изотропной среды показана на фиг.1, где k - волновой вектор падающей световой волны, k - волновой вектор дифрагировавшей световой волны, К - волновой вектор звуковой волны.
2
2
2
2
Направление распространения волн и их поляризация определяют эффективное значение коэффициента АО качества M. При прочих равных условиях выбирается геометрия с максимальным коэффициентом М. Однако для произвольно выбранных направлений и поляризаций значение М равно нулю или мало, что требует технически недостижимых значений акустической мощности для получения эффекта. Поэтому в технике используют те кристаллы, для которых величина АО качества М выше, а для них - известные из теоретических расчетов и экспериментально исследованные направления. Такие расчеты и исследования в настоящее время проведены только для одноосных кристаллов.
Недостатки такого модулятора проявляются в двух аспектах.
1. Известные используемые кристаллы не гарантируют высокую лучевую стойкость кристалла, т.е. при модуляции высокоэнергетического лазерного излучения светозвукопровод может испытывать разрушение.
2. Известные модуляторы обеспечивают модуляцию лишь одной линейной поляризации. Для задач модуляции лазерного излучения, которое, как правило, линейно поляризовано, этого достаточно. Однако в целом указанное свойство ограничивает область применения таких модуляторов.
Техническим результатом, получаемым от использования изобретения, является возможность использовать его для лазерных пучков высокой мощности вместе с возможностью достижения высокого коэффициента дифракции.
4
2
Поставленный технический результат достигают за счет того, что в известном акустооптическом модуляторе светового пучка, содержащем кристаллический светозвукопровод с размещенным на его грани ультразвуковым излучателем и двумя боковыми гранями оптического качества для ввода и вывода указанного оптического излучения, светозвукопровод выполнен из моноклинного кристалла со структурой KR(WO), где R - редкоземельный элемент, являющегося кристаллом, используемом в качестве активной среды для генерации высокоинтенсивного лазерного излучения.
g
При этом ультразвуковой излучатель размещен на грани кристалла, перпендикулярной оси N эллипсоида коэффициентов преломления кристалла (Ю.И.Сиротин, М.П.Шаскольская. Основы кристаллографии. - М.: Наука, 1979. 640 стр.).
4
2
Диаграмма волновых векторов при дифракции в модуляторе на основе двуосных кристаллов со структурой KR(WO), где R - редкоземельный элемент, приведена на фиг.2, где верхние индексы в волновых векторах m, g и p обозначают направление поляризации соответствующей волны.
4
2
4
2
4
2
4
2
При использовании светозвукопровода из моноклинных кристаллов, выполненных из калий-гадолиниевого вольфрамата KGd(WO), калий-иттриевого вольфрамата KY(WO), калий-иттербиевого вольфрамата KYb(WO), калий-лютециевого вольфрамата KLu(WO), достигается полезный эффект - высокая лучевая прочность вместе с возможностью достижения высокого коэффициента дифракции, а направления распространения ультразвука и света определяются теми же требованиями.
p
В частности, в случае, если в акустооптическом модуляторе ультразвуковой излучатель выполнен для продольных акустических волн, а входная оптическая грань светозвукопровода перпендикулярна оси N или оси Nm эллипсоида, осуществляется модуляция неполяризованного света вследствие примерного равенства величины эффективности дифракции для излучения, имеющего разное линейное направление поляризации.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.3 представлено устройство АО модулятора, на фиг.4 - принципиальная схема работы модулятора.
4
2
АО модулятор (фиг.3) содержит кристаллический светозвукопровод (1) с размещенным на нем ультразвуковым излучателем (2), светозвукопровод выполнен из кристаллов со структурой KR(WO), где R - редкоземельный элемент, относящихся к моноклинным двуосным кристаллам. Ультразвуковой излучатель размещен на грани кристалла, перпендикулярной оси Ng эллипсоида коэффициентов преломления кристалла. Боковые входная (3) и выходная (4) грани выполнены оптического качества. Грань (5), противоположная излучателю, скошена для предотвращения отражения распространяющегося ультразвукового пучка в обратном направлении.
АО модулятор работает следующим образом (фиг.4).
g
m
p
Br
Для получения максимального полезного эффекта, а именно высокого коэффициента дифракции света, в светозвукопроводе (1) возбуждают ультразвуковую волну посредством ультразвукового излучателя (2) в направлении оси N эллипсоида коэффициентов преломления кристалла, а входящий световой пучок (6) направляют через оптическую входную грань (3) в направлении оси N эллипсоида коэффициентов преломления кристалла либо в направлении оси N, соответствующей оси симметрии второго порядка. В каждом из этих случаев свет должен падать на ультразвуковую волну под углом Брегга θ, составляющем обычно несколько градусов к нормали. Дифрагированный свет (7), удовлетворяющий условию Брегга, отклоняется вследствие дифракции и выходит из кристалла через выходную оптическую грань (4). Недифрагированный световой пучок (8) проходит светозвукопровод без изменения направления. Интенсивность отклоненного пучка (7) определяется мощностью высокочастотного электрического сигнала (9), подаваемого на ультразвуковой излучатель (2). Изменяя эту мощность, модулируют интенсивность света как дифрагированного пучка, так и недифрагированного. Возбужденная ультразвуковая волна, распространяясь по светозвукопроводу, достигает противоположной излучателю грани (5), покрытой, как правило, слоем поглощающего вещества (10), и вследствие наклона этой грани отражается в сторону боковой грани и не отражается назад в область распространения световых пучков.
p
m
n
уз
Следует отметить также, что в случае возбуждения продольной ультразвуковой волны и при ориентации входной боковой грани перпендикулярно оси N или оси N эллипсоида коэффициентов преломления эффективность дифракции для двух собственных линейных поляризаций световых волн высока, а коэффициент дифракции примерно одинаков, и при этом световые пучки обеих поляризаций не отклоняются от плоскости взаимодействия, образованной направлением падения светового пучка (k) и направлением распространения ультразвука (K).
Это очень важно, так как позволяет осуществлять модуляцию неполяризованного света, что обеспечивается примерным равенством величины эффективности дифракции для излучения имеющего разное линейное направление поляризации. В общем случае акустооптические модуляторы не обладают таким свойством, что при работе с неполяризованным лазерным излучением приводит к его заметной линейной поляризации в результате модуляции.
g
При промежуточных направлениях распространения света также имеет место эффективная дифракция световых волн обеих поляризаций, однако направления распространения световых пучков разной поляризации различаются: один из них с поляризацией N распространяется в плоскости взаимодействия, а второй выходит из плоскости взаимодействия, так что пучки с разной поляризацией разделяются (и дифрагированные и недифрагированные).
m
g
Также необходимо отметить, что в модуляторе можно использовать и сдвиговую ультразвуковую волну с поляризацией по N - в этом случае имеет место эффективная дифракция для света с поляризацией N.
При использовании указанных материалов в качестве акустооптической среды достигается следующий эффект. Благодаря высокой лучевой стойкости такой АО модулятор может быть использован для модуляции высокоинтенсивных лазерных пучков, т.е. приложениях, требующих мощного лазерного излучения, например в материалообработке (раскрой металла, сварка, маркировка и т.п.).
Кроме того, на этих материалах можно создать гибридные элементы, осуществляющие как генерацию лазерного излучения, так и управление его характеристиками, например использовать его в качестве активной среды, в которой при этом может возбуждаться акустическая волна для модуляции или отклонения лазерного пучка для целей внутрирезонаторной модуляции добротности (как в патенте US №4057770).
Реализуемость заявленного АО модулятора была подтверждена изготовлением и тестированием модулятора на кристалле альфа-калий-гадолиниевого вольфрамата, эффективная дифракция на котором достигалась при величине мощности ультразвука 2-3 Вт. Реализуемость с использованием других вышеперечисленных кристаллов подтверждается тем, что для всех четырех указанных кристаллов измеренные значения фотоупругих констант и скоростей звука имеют близкие значения.