АКУСТООПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР СВЕТА
ACOUSTOOPTICAL LIGHT MODULATOR

Изобретение относится к акустооптическим модуляторам света (АОМ) на стоячих упругих волнах (на встречных акустических потоках), предназначенным для осуществления амплитудной модуляции непрерывного когерентного оптического излучения. Оно также может быть использовано для синхронизации мод лазеров, модуляции добротности.
Известен акустооптический модулятор света на стоячих объемных упругих волнах, образующихся в высокодобротном акустическом резонаторе, состоящем из кристалла прямоугольной формы с отполированными, параллельными друг другу акустическими гранями [Физические основы акустооптики / В.И.Балакший, В.Н.Парыгин, Л.Е.Чирков. - М.: Радио и Связь, 1985]. На одну из акустических граней нанесен одноэлементный пьезопреобразователь для возбуждения акустической волны. В результате интерференции акустической волны, излученной одноэлементным пьезопреобразователем, с волнами, многократно отраженными от акустических граней, на определенных частотах, совпадающих с собственными частотами акустического резонатора, происходит возбуждение стоячей волны. Падающий световой поток взаимодействует с этой стоячей волной и в результате интенсивность прошедшего и дифрагированного света изменяется. Поэтому частотная характеристика АОМ представляет собой ряд эквидистантно расположенных резонансных пиков, ширина которых определяется добротностью акустического резонатора.
Однако данный АОМ является узкополосным устройством и допускает небольшую плавную перестройку частоты в пределах каждого резонансного пика, а также дискретную перестройку при переходе с одного резонансного пика на другой. Это является основным недостатком указанного модулятора, ограничивающим область его применения. Кроме того, рассеяние упругой волны в кристалле приводит к повышению его температуры и изменению геометрических размеров ячейки, вследствие чего происходит расстройка акустического резонатора и резкое изменение параметров АОМ. Для стабильной работы АОМ необходима температурная стабилизация, что приводит к усложнению конструкции.
Известен также резонансный акустооптический модулятор со сферическими акустическими поверхностями, расположенными на противоположных торцах кристалла фотоупругой среды, в котором стоячая волна формируется двумя встречными акустическими потоками, возбуждаемыми сферическими пьезопреобразователями [Патент США №365606, кл. G02F 1/28, 1972]. Резонатор данного модулятора обладает большей добротностью по сравнению с резонатором предыдущего модулятора и, следовательно, большей глубиной модуляции. Однако ему также присущи недостатки, характерные для первого аналога: очень узкая полоса частот и высокая температурная нестабильность. Для устранения последней также требуется применение термостабилизатора, что усложняет конструкцию модулятора и приводит к увеличению его габаритных размеров и цены.
В качестве прототипа предлагаемого изобретения может послужить АОМ с непараллельными акустическими гранями (трапецеидальная ячейка) с одноэлементным пьезопреобразователем, работающий в Раман-Натовском режиме дифракции [Терентьев В.Е. Исследование дифракционных модуляторов на стоячих ультразвуковых волнах в ниобате лития / В.Е.Терентьев // Оптика и спектроскопия, 1977, Т.42, №2, С.345-350]. В данном модуляторе в средней области акустического столба между гранями излучения и отражения акустических волн возникает стоячая волна, использование которой позволяет за счет снижения добротности акустического резонатора расширить частотный и температурный диапазоны АОМ.
Однако наличие угла между акустическими гранями приводит к уменьшению глубины модуляции при сохранении уровня мощности управляющего сигнала и повышению расходимости дифракционных порядков. Кроме того, данная схема модулятора не позволяет реализовать более эффективный брэгговский режим дифракции света из-за невозможности одновременного выполнения условий дифракции Брэгга на излученной и отраженной акустических волнах, что также ограничивает использование подобного АОМ на высоких частотах.
Задачей изобретения является реализация конструкции акустооптического модулятора, работающего в СВЧ диапазоне, с расширенной полосой частот управляющего сигнала и нетребующего температурной стабилизации.
Поставленная задача решается тем, что в акустооптическом модуляторе света, включающем звукопровод, выполненный в виде тела с фотоупругими свойствами в форме трапециевидной призмы, пьезопреобразователь, нанесенный на боковую грань кристалла, ребро которой является боковой стороной трапеции, при этом вход пьезопреобразователя подключен к источнику управляющего напряжения, а боковая грань кристалла, противоположная грани с нанесенным пьезопреобразователем, выполнена полированной, согласно предлагаемому техническому решению пьезопреобразователь представляет собой многоэлектродную периодическую замедляющую систему, последовательность геометрических центров электродов которой расположена в плоскости распространения звука и света, при этом вход пьезопреобразователя расположен со стороны большого основания трапеции, а величина угла между гранью с нанесенным пьезопреобразователем и противолежащей полированной гранью определена из условия обеспечения отражения звуковой волны от полированной грани с последующим ее распространением навстречу падающей звуковой волне, излученной пьезопреобразователем.
Изобретение поясняется чертежом, где на Фиг.1 представлен заявляемый акустооптический модулятор, на Фиг.2 - акустооптический модулятор, поперечный разрез (в плоскости акустооптического взаимодействия).
зв
Акустооптический модулятор включает звукопровод 1, представляющий собой тело в форме трапециевидной призмы, выполненное из материала, обладающего акустооптическим эффектом, например, ниобата лития, титаната бария, бастрона и др. При этом две боковые грани призмы, ребра которых являются основаниями трапеции (опирающиеся на основания трапеции), являются оптическими гранями 2, служащими для ввода и вывода пучков света, а две другие боковые грани, ребра которых являются боковыми сторонами трапеции (опирающиеся на боковые стороны трапеции) - акустическими гранями 3. На одну из акустических граней 3 призмы нанесен пьезопреобразователь 4, вход которого расположен со стороны большого основания трапеции, а другая акустическая боковая грань призмы выполнена полированной. Пьезопреобразователь 4 представляет собой многоэлектродную периодическую замедляющую систему и возбуждает в звукопроводе многопотоковое состояние упругих волн с угловым спектром в форме веера плоских волн. Пьезопреобразователь нанесен на боковую грань призмы таким образом, что последовательность геометрических центров электродов пьезопреобразователя расположена в плоскости распространения звука и света. При этом угол γ между акустическими гранями призмы выбирают из условия обеспечения отражения звуковой волны от полированной грани с последующим ее распространением навстречу излученной пьезопреобразователем звуковой волны и определяют в зависимости от электродинамических свойств многоэлементной периодической замедляющей системы пьезопреобразователя в соответствии с формулой , υ - скорость упругой волны в звукопроводе, c - скорость электромагнитной волны в вакууме, b - геометрическое замедление многоэлектродной периодической системы.
Акустооптический модулятор работает следующим образом.
0
0
Монохроматический световой поток 5, попавший в акустооптическую среду, дифрагирует на суперпозиции акустической волны 6, излученной пьезопреобразователем 4 после подачи на него управляющего сигнала, и акустической волны 7, отраженной от противоположной акустической грани, изменяя при этом свою интенсивность. При условии выбора коэффициента заполнения пьезопреобразователя, близким к единице, основная часть акустической энергии распределяется в нулевой лепесток диаграммы направленности пьезопреобразователя. Распространяющаяся вдоль пьезопреобразователя электромагнитная волна испытывает обусловленный замедлением системы фазовый сдвиг ψ(|ψ|<π) на элемент пьезопреобразователя, поэтому направление распространения упругой волны 6, соответствующей нулевому (основному) лепестку диаграммы направленности, составляет с нормалью к плоскости пьезопреобразователя угол γ, равный углу между акустическими гранями 3 звукопровода. В результате упругая волна 6 падает нормально на противоположную акустическую полированную грань 3, а отраженная упругая волна 7 распространяется строго навстречу падающей волне. При этом последующие отражения упругой волны от акустических граней 3 будут происходить под увеличивающимися углами и, тем самым, выводить ее из акустооптического взаимодействия. Таким образом, стоячая упругая волна, образующаяся в результате наложения только двух бегущих навстречу друг другу акустических волн 6 и 7, из-за отсутствия акустического резонанса не будет зависеть от геометрических размеров звукопровода в частотном диапазоне управляющего сигнала. В результате брэгговская дифракция непрерывно падающего светового потока, происходящая одновременно только на двух встречных акустических волнах, позволяет получить на выходе амплитудную модуляцию прошедшего 8 и дифрагированного 9 световых потоков в широком диапазоне управляющих частот. При этом угол наклона γ нулевого лепестка к нормали плоскости пьезопреобразователя напрямую зависит от дисперсионных свойств многоэлектродной периодической замедляющей системы и определяет широкополосность АОМ.
Пример
3
Был изготовлен акустооптический модулятор света на основе кристалла ниобата лития в форме призмы высотой 6 мм и с основаниями в виде прямоугольной трапеции высотой 8 мм, длиной большего основания 4 мм. В качестве пьезопреобразователя использована многоэлектродная периодическая замедляющая система типа «меандр» планарной модификации с геометрическим замедлением b=66, где угол наклона γ практически не зависит от частоты входного сигнала, при этом электроды пьезопробразователя расположены на акустической грани размером 6×8 мм, перпендикулярной оси x. Величина угла γ между акустическими гранями кристалла (равная углу наклона нулевого лепестка к нормали плоскости пьезопреобразователя) составила 5'. Свет распространяется в плоскости yz+40° среза. Акустическая волна возбуждается с помощью пьезопреобразователя в направлении кристаллофизической оси x и распространяется со скоростью 6.57×10 м/с. Широкополосность данного модулятора определялась наибольшей эффективностью дифракции света. Полученный образец осуществляет амплитудную модуляцию света в полосе 200 МГц на центральной частоте 900 МГц с максимальной эффективностью дифракции 6% Вт, что соответствует 6% величины глубины модуляции проходящего света, которой достаточно для получения синхронизации мод внутри резонатора лазера.
Таким образом, за счет осуществления брэгговского режима дифракции света только на двух бегущих навстречу друг другу антиколлинеарных упругих волнах с одинаковыми амплитудами и частотами, распространяющихся в трапецеидальной акустооптической ячейке, предлагаемое техническое решение позволяет реализовать конструкцию акустооптического модулятора, работающего в СВЧ диапазоне, с расширенной полосой частот управляющего сигнала и нетребующего температурной стабилизации.