Modulator acusto-optic (AOM) - un dispozitiv pentru modificarea intensității luminii transmise, datorită difracției sale pe un rețea format în sticlă ca urmare a modulării spațiale a indicelui de refracție de către o undă acustică .
Principiul de funcționare al AOM se bazează pe difracția luminii de către o undă ultrasonică care călătorește într-un material transparent optic ( sticlă ). O undă ultrasonică care călătorește este creată de un traductor piezoelectric atașat la o placă de sticlă. Datorită apariției zonelor de compresie și tensiune care apar în sticlă și diferă ca indice de refracție, în mediu se formează un grătar de difracție. Un fascicul de lumină, difractând pe o rețea, formează mai multe fascicule de ieșire (ordine de difracție) distanțate în spațiu la unghiuri egale unul față de celălalt. Folosind deschiderea, primul maxim este selectat din toate fasciculele de ieșire, care există numai în prezența unei unde sonore în modulator, iar toate celelalte sunt blocate (a se vedea figura de mai sus).
În funcție de grosimea corpului de sticlă, AOM are unele diferențe de funcționare. Într-un modulator subțire, principiul de funcționare nu diferă de cel descris mai devreme, dar într-un modulator gros, este necesar să se țină cont de condițiile de potrivire de fază , , unde este vectorul de undă al radiației incidente și sunt vectori de undă ai undelor sonore și optice difractate în primul ordin. Într-un modulator gros, cu alegerea corectă a unghiului de incidență a fasciculului de intrare și datorită condiției de sincronism, este posibil să excitați în principal primul (sau minus primul) ordin de difracție. Industria produce modulatoare groase, deoarece necesită o undă sonoră de putere mai mică. Eficiența ridicată de difracție în modulatoarele groase este obținută datorită rețelei de difracție mai late.
Când lumina este incidentă ortogonal pe suprafața cristalului, lumina transmisă cu o lungime de undă și o undă sonoră difractează la un unghi de mai multe ordine de difracție :
De interes practic este cazul când lumina (raza laser) este îndreptată spre sticlă la unghiul Bragg . În acest caz, se observă difracția Bragg , la care intensitățile tuturor maximelor de difracție, cu excepția primului, devin mici.
Lungimea de undă a undei sonore din sticlă este:
unde este viteza sunetului (vezi tabelul de mai jos), este frecvența sunetului.Cu o frecvență de modulație de 80 MHz (cea mai comună frecvență AOM) și o viteză a sunetului în sticlă de 3,2 km/s, lungimea de undă a sunetului în sticlă este µm, iar unghiul de deviere al fasciculului difractat de ordinul întâi este de aproximativ 10. miliradiani.
Intensitatea razelor difractate depinde de intensitatea undei sonore și de unghiul de rotație al modulatorului (unghiul Bragg). Modulând intensitatea undei sonore, se poate modifica (neliniar) intensitatea razelor difractate. De regulă, intensitatea fasciculului de ordin zero variază între 15-99%, iar intensitatea primului ordin - 0-80%. Contrastul de modulație depășește adesea 1000 și poate ajunge cu ușurință la 10.000 (40 dB ).
Frecvența razelor difractate datorită efectului Doppler se modifică conform formulei:
O astfel de schimbare a frecvenței este determinată și de legea conservării energiei și a impulsului (fotoni și fononi). În unele AOM, undele acustice care se propagă în direcții opuse creează o undă staționară, în urma căreia frecvența ordinelor de difracție nu se modifică.
Faza razelor difractate este, de asemenea, deplasată de faza undei sonore.
Unda sonoră induce birefringență în sticlă, astfel încât polarizarea luminii după trecerea prin modulator se poate modifica.
Viteza AOM este limitată de timpul de trecere a undei sonore prin secțiunea transversală a fasciculului de lumină ( unde este dimensiunea transversală a fasciculului laser, este viteza sunetului în materialul celular) și este de ordinul 2–10 μs pentru un fascicul laser colimat cu un diametru de câțiva milimetri. Cu cât este mai mic punctul de focalizare, cu atât performanța AOM este mai bună, așa că de obicei modulatorul este plasat la focalizarea lentilei, în timp ce fasciculele de ieșire sunt colimate de a doua lentilă. Un modulator gros necesită utilizarea unui obiectiv cu distanță focală mare; cu o dispunere și o aliniere corespunzătoare, este posibil să se obțină o viteză de aproximativ 20 ns. AOM poate funcționa în modul modulator și deflector (adică deviază și fasciculul incident în unghi atunci când frecvența undei sonore se schimbă).
Material | Interval optic, µm | Indicele de refracție | Viteza undei sonore, km/s | Factorul de calitate 10 −15 m 2 /W |
---|---|---|---|---|
Sticla calcogenurata | 1,0—2,2 | 2.7 | 2,52 | 164 |
Flint SF-6 | 0,45-2 | 1.8 | 3,51 | opt |
sticlă de cuarț | 0,2—4,5 | 1,46 | 5,96 | 1,56 |
fosfit de galiu | 0,59-10 | 3.3 | 6.3 | 44 |
germaniu | 2-12 | 4.0 | 5.5 | 180 |
fosfat de indiu | 1-1.6 | 3.3 | 5.1 | 80 |
niobat de litiu | 0,6—4,5 | 2.2 | 6.6 | cincisprezece |
Dioxid de telur | 0,4—5 | 2.25 | 5.5 | 1000 |
Sticla lustruită optic este legată prin lipire prin presiune metalică de un traductor piezo făcut din niobat de litiu . Grosimea plăcii de niobat de litiu este selectată în funcție de frecvența de modulație necesară (până la 1 GHz). Fața opusă a plăcii de sticlă este realizată la un unghi față de propagarea undei ultrasonice, astfel încât unda reflectată să fie deviată în lateral, astfel încât să nu apară o undă staționară. În plus, pe această față este de obicei plasat un bloc de material fonoabsorbant.
AOM este de obicei plasat într-o carcasă metalică cu găuri pentru intrarea/ieșirea fasciculului de lumină și un conector RF pentru furnizarea unui semnal modulator (de obicei un conector SMA sau BNC ). De asemenea, este posibil să proiectați dispozitivul cu intrări și ieșiri de fibră , ceea ce îl face ușor de utilizat în sistemele de fibră optică .
Frecvența de modulație AOM este determinată de proprietățile elasto-optice ale mediului acustic și poate ajunge la 350 MHz (eficiența AOM la o astfel de frecvență este scăzută, de ordinul 10–20%).
AOM-urile sunt folosite pentru a modula și devia rapid fasciculele laser, așa că sunt utilizate pe scară largă în laboratoarele optice ca o modalitate simplă de a modula un fascicul laser (obturator de mare viteză). Utilizarea unui AOM în interiorul cavității laser face posibilă controlul pierderilor cavității și efectuarea activă de comutare Q sau blocare a modului laser .
AOM cu fascicul coliniar se numește AOPDF , este capabil să modeleze faza spectrală și amplitudinea impulsurilor laser ultrascurte.