Акустооптический сдвигатель частоты лазерного излучения (варианты)
ACOUSTO-OPTICAL LASER RADIATION FREQUENCY SHIFTER (VARIANTS)

Изобретение относится к акустооптике и может быть использовано в сдвигателе частоты лазерного излучения для увеличения угла между прямым и дифрагированным (сдвинутым по частоте) лучами лазерного излучения.
Известен сдвигатель частоты лазерного излучения (далее частотосдвигатель), акустооптическая ячейка в котором (см. Фиг1.а) выполнена в виде призмы из одноосного кристалла, на одной из граней которой размещен ультразвуковой преобразователь (УЗП). (статья Акустооптические модуляторы для управляемого сдвига частоты световых пучков оптических и микроволновых стандартах часты на холодных атомах. В.М. Епихин, В.Н. Барышев, С.Н. Слюсарев, А.В. Апрелев, И.Ю. Блинов. Квантовая электроника, 49, №9, С.857-862, 2019).
Техническим результатом, получаемым от использования изобретения, является существенное увеличение угла между прямым и дифрагированным лучами за счет внутреннего отражения лучей в анизотропном акустооптическим сдвигателе частоты лазерного излучения, который выполнен на одноосном кристалле в виде призмы, на одной из граней которой размещен ультразвуковой преобразователь.
Увеличение угла между лучами дает возможность сделать изделия использующие аку сто оптические частотосдвигатели более компактными.
В варианте 1 заявляемого изобретения технический результат достигается за счет того, что анизотропный акустооптический сдвигатель частоты лазерного излучения выполнен на одноосном кристалле в виде призмы, на одной из граней которой размещен ультразвуковой преобразователь, а грань, на которую падают прямой и дифрагированный световые лучи, выполнена наклонной под тупым углом к грани размещения ультразвукового преобразователя. Величина угла наклона грани выбирается обеспечивающей полное внутреннее отражение лучей и увеличение угла между прямым и дифрагированным лучами вследствие особенностей отражения световых лучей в анизотропной среде. Вывод лучей из призмы осуществляется через грань, противоположную грани, на которой размещен ультразвуковой преобразователь.
В варианте 2 изобретения аналогичный результат достигается тем, что грань, на которую падают прямой и дифрагированный световые лучи выполнена наклонной под острым углом к грани размещения ультразвукового преобразователя. Вывод лучей из призмы осуществляется через грань, на которой размещен ультразвуковой преобразователь.
2
Анизотропный акустооптический сдвигатель частоты лазерного излучения может быть выполнен из кристалла TeO.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.
На Фиг. 1 изображены: а) схема анизотропного акустооптического частотосдвигателя; б) два варианта диаграммы акустооптического взаимодействия, которые реализуются в анизотропных частотосдвигателях.
На Фиг. 2 изображена схема частотосдвигателя с выводом оптических лучей через грань 4. (Вариант 1 изобретения).
На Фиг. 3 изображена схема частотосдвигателя с выводом оптических лучей через грань 3, на которой расположен УЗП. (Вариант 2 изобретения).
На Фиг. 4 изображены расчетные зависимости угла между обыкновенным и необыкновенным лучами в прототипе частотосдвигателя (1) и дополнительное увеличение этого угла для двух вариантов расположения отражающей грани (2, 3) в заявляемых частотосдвигателях в зависимости от угла дифракции ф.
Схема анизотропного акустооптического сдвигателя частоты лазерного излучения показанная на Фиг. 2 выполнена на одноосном кристалле в виде призмы, на грани 3 которой размещен ультразвуковой преобразователь 6. Через грань 1 вводится лазерный луч. Грань 2, на которую падают прямой и дифрагированный световые лучи, выполнена наклонной под тупым углом к грани 3. Величина угла наклона грани выбирается обеспечивающей полное внутреннее отражение лучей и увеличение угла между прямым и дифрагированным лучами вследствие особенностей отражения световых лучей в анизотропной среде. Вывод лучей из призмы осуществляется через грань4, мимо поглотителя 5 ультразвуковой волны.
В акустооптическом частотосдвигателе ультразвуковая волна возбуждается ультразвуковым 6 преобразователем (УЗП). Прошедший грань 1 лазерный луч после акустооптической дифракции на ультразвуковой волне луч расщепляется на два луча: обыкновенной и необыкновенной поляризации. Они падают на грань 2 и отражаются. При отражении от грани 2, вследствие законов отражения в анизотропной среде, происходит изменение угла между лучами обыкновенной и необыкновенной поляризации, угол ср после отражения трансформируется в угол Δ. При выходе из призмы, угол Δ в соответствии с законом преломления трансформируется в угол 8.
Изложенное выше описание для варианта 1 изобретения справедливо как для обыкновенного входного луча, так и для необыкновенного входного луча. Дальше мы будем рассматривать случай, когда входной в кристаллическую призму луч имеет обыкновенную поляризацию.
Если угол падения обыкновенного луча на отражающую грань равен 45 градусам, а угол дифракции внутри акустооптической ячейки равен ϕ, отражающая грань 2 расположена как показано на Фиг. 2, то угол отклонения необыкновенного луча от направления распространения обыкновенного луча внутри акустооптической ячейки Δ можно найти из уравнения (1).
Угол дифракции ϕ в формуле (1) положительный, если угол между осью С и необыкновенным лучом больше чем угол между осью С и обыкновенным лучом. В формуле (4) угол дифракции ϕ положительный если угол между осью С и необыкновенным лучом меньше чем угол между осью С и обыкновенным лучом.
o
В случае анизотропного частотосдвигателя (Фиг. 1) угол δ между прямым лучом (при перпендикулярном падении обыкновенного луча на выходную грань 2) и продифрагированным (необыкновенным) лучом равен
1
Для варианта 1, показанном на Фиг. 2, угол δ между прямым (нулевым) лучом и дифрагированным лучом на выходе из АО равен
На Фиг. 3 показана схема второго варианта анизотропного акустооптического сдвигателя частоты лазерного излучения, выполненного на одноосном кристалле в виде призмы, на грани 3 которой размещен ультразвуковой преобразователь 6. Поглотитель ультразвуковой волны 5 расположен на грани 4. Через грань 1 вводится лазерный луч. После акустооптической дифракции на ультразвуковой волне луч расщепляется на два луча: обыкновенной и необыкновенной поляризации. Грань 2, на которую падают прямой и дифрагированный световые лучи выполнена наклонной под острым углом к грани размещения ультразвукового преобразователя. Величина угла выбирается обеспечивающей полное внутреннее отражение лучей и увеличение угла между прямым и дифрагированным лучами вследствие особенностей отражения световых лучей в анизотропной среде. При отражении от грани 2, в вследствие законов отражения в анизотропной среде, происходит-изменение угла между лучами обыкновенной и необыкновенной поляризации, угол ϕ после отражения трансформируется в угол Δ. При выходе из призмы угол Δ в соответствии с законом преломления трансформируется в угол δ.
Изложенное выше описание для варианта 2 изобретения справедливо как для обыкновенного входного луча, так и для необыкновенного входного луча. Дальше мы будем рассматривать случай, когда входной в кристаллическую призму луч имеет обыкновенную поляризацию. Вывод лучей из призмы осуществляется через грань 4 мимо ультразвукового преобразователя. Угол отклонения необыкновенного луча от направления распространения обыкновенного луча внутри акустооптической ячейки Δ можно найти из уравнения (4).
o
e
2
Где n и n показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, Δ -угол внутри акустооптической ячейки между обыкновенным и необыкновенными лучами после полного внутреннего отражения от наклонной грани 2 призмы, θ - угол между оптической осью кристалла и направлением распространения входного обыкновенного луча, γ - угол наклона плоскости на которой расположен ультразвуковой преобразователь к плоскости перпендикулярной оптической оси С. ϕ - угол дифракции внутри АОЯ который определяется геометрией АО взаимодействия и зависит от частоты звуковой волны, скорости звуковой волны, длины волны дифрагирующих световых волн, показателей преломления света. Угол ϕ обычно определяется нужным частотным сдвигом и некоторыми другими требуемыми характеристиками частотосдвигателя. Для варианта частотосдвигателя, показанном на Фиг. 3 и перпендикулярном падении обыкновенного луча на выходную грань призмы (пункт 2 изобретения.) угол δ между прямым лучом и дифрагированным лучом на выходе из АО равен
o
1
2
В следствии малости углов δ, δ, δ в формулах (2, 3, 5) принято sin(δ)=δ.
o
1
o
2
o
На Фиг. 4 показаны зависимости угла δ, разности модулей углов (|δ|-|δ|) для частосдвигателя (Вариант 1) и разности модулей углов (|δ|-|δ|) для частосдвигателя (Вариант 2) от угла дифракции ϕ. Во всех расчетах θ=11.95°.
1
2
Расчеты и эксперименты показывают, что при использовании кристалла парателлурита (Пункты 1 и 3 изобретения.) в частотосдвигателе (Вариант 1), работающем на частоте 80 МГц, для лазерного луча с длиной волны 532 нм, при угле θ=11,95° и угле дифракции ϕ=1,65° при выходе из призмы угол между прямым и дифрагированным лучами δ≈12°. Для частотосдвигателя (Вариант 2) при угле θ=11,95°, угле дифракции ϕ=1,65°, угле γ=7,1° и перпендикулярном падении обыкновенного луча на грань 3 (Пункты 2 и 3 изобретения.) расчетная величина δ≈12,9°.
Для варианта частотосдвигателя, выбранного в качестве прототипа, угол между прямым и дифрагированным лучами δо≈3,8 градуса.
Таким образом угол между прямым и дифрагированным лучами увеличивается более чем в 3 раза.