Akusztikus-optikai modulátor
Akusztikus-optikai modulátor (AOM) - az áteresztett fény intenzitásának megváltoztatására szolgáló eszköz az üvegben kialakított rácson való diffrakciója miatt, amely a törésmutató akusztikus hullám általi térbeli modulációja következtében alakul ki .
Hogyan működik
Az AOM működési elve a fénynek egy optikailag átlátszó anyagban ( üvegben ) terjedő ultrahanghullám általi diffrakcióján alapul . Egy utazó ultrahanghullámot egy üveglapra erősített piezoelektromos átalakító hoz létre. Az üvegben előforduló, törésmutatóban eltérő összenyomódási és feszültségi területek megjelenése miatt a közegben diffrakciós rács képződik. Egy rácson elhajló fénysugár több kimenő sugarat (diffrakciós rendet) képez, amelyek térben egymástól egyenlő szögben helyezkednek el. A rekesznyílás használatával az összes kimeneti nyaláb közül kiválasztják az első maximumot, amely csak hanghullám jelenlétében létezik a modulátorban, és az összes többi blokkolva van (lásd a fenti ábrát).
Az üvegtest vastagságától függően az AOM működésében van néhány eltérés. Vékony modulátorban a működési elv nem tér el a korábban leírtaktól, vastag modulátorban viszont figyelembe kell venni a fázisillesztés feltételeit , , ahol a beeső sugárzás hullámvektora, és a hang és az optikai hullámok hullámvektorai az első sorrendben elhajlottak. Vastag modulátorban a bemeneti nyaláb beesési szögének megfelelő megválasztásával és a szinkronizálási feltétel miatt főként az első (vagy mínusz az első) diffrakciós rend gerjesztésére van lehetőség. Az ipar vastag modulátorokat gyárt, mivel kisebb teljesítményű hanghullámot igényelnek. A vastag modulátorok nagy diffrakciós hatásfoka a szélesebb diffrakciós rácsnak köszönhetően érhető el.
Vékony modulátor (Raman-Nath diffrakció)
Ha a fény merőlegesen esik a kristály felületére, az áteresztett fény egy hullámhosszú és egy hanghullámmal több diffrakciós nagyságrendű szögben diffraktál :
Bragg mód (vastag modulátor)
Gyakorlatilag érdekes az az eset, amikor a fényt (lézersugarat) Bragg-szögben irányítják az üvegre . Ebben az esetben Bragg-diffrakció figyelhető meg , amelynél az összes diffrakciós maximum intenzitása, kivéve az elsőt, kicsi lesz.
Az AOM jellemzői
Diffrakciós szög
A hanghullám hullámhossza üvegben:
ahol a hangsebesség (lásd az alábbi táblázatot), a hang frekvenciája.
80 MHz modulációs frekvenciával (a leggyakoribb AOM-frekvencia) és 3,2 km/s- os hangsebességgel üvegben a hang hullámhossza üvegben µm, az elsőrendű szórt nyaláb eltérítési szöge pedig körülbelül 10 milliradiánok.
Intenzitás
A szórt sugarak intenzitása a hanghullám intenzitásától és a modulátor forgásszögétől (Bragg-szög) függ. A hanghullám intenzitásának modulálásával (nemlineárisan) lehet változtatni a szórt sugarak intenzitását. Általános szabály, hogy a nulla sorrendű sugár intenzitása 15-99% -on belül változik, az elsőrendű intenzitás pedig 0-80%. A modulációs kontraszt gyakran meghaladja az 1000-et, és könnyen elérheti a 10 000 -et (40 dB ).
Gyakoriság
A Doppler-effektus miatti diffrakciós sugarak frekvenciája a következő képlet szerint változik:
Az ilyen frekvenciaeltolódást az energia és impulzus (fotonok és fononok) megmaradásának törvénye is meghatározza. Egyes AOM-okban az ellentétes irányba terjedő akusztikus hullámok állóhullámot hoznak létre, aminek következtében a diffrakciós rendek frekvenciája nem változik.
fázis
A szórt sugarak fázisát a hanghullám fázisa is eltolja.
Polarizáció
A hanghullám kettős törést indukál az üvegben, így a fény polarizációja a modulátoron való áthaladás után megváltozhat.
Teljesítmény
Az AOM sebességét a hanghullámnak a fénysugár keresztmetszetén való áthaladásának ideje korlátozza ( ahol a lézersugár keresztirányú mérete, a hangsebesség a sejtanyagban), és ez a nagyságrend 2–10 μs több milliméter átmérőjű kollimált lézersugár esetén. Minél kisebb a fókuszpont, annál jobb az AOM teljesítmény, így általában a modulátor kerül az objektív fókuszába, míg a kimeneti nyalábokat a második lencse kollimálja. A vastag modulátorhoz nagy gyújtótávolságú objektív szükséges; megfelelő elrendezéssel és beállítással megközelítőleg 20 ns sebesség érhető el. Az AOM modulátor és deflektor üzemmódban is működhet (azaz a hanghullám frekvenciájának változása esetén a beeső sugarat is szögben eltéríti).
Az AOM készítéséhez használt anyagok
| Anyag | Optikai tartomány, µm | Törésmutató | Hanghullám sebessége, km/s | Minőségi tényező 10 −15 m 2 /W |
|---|---|---|---|---|
| Kalkogenid üveg | 1,0-2,2 | 2.7 | 2.52 | 164 |
| Flint SF-6 | 0,45-2 | 1.8 | 3.51 | nyolc |
| kvarcüveg | 0,2-4,5 | 1.46 | 5.96 | 1.56 |
| gallium-foszfit | 0,59-10 | 3.3 | 6.3 | 44 |
| Germánium | 2-12 | 4.0 | 5.5 | 180 |
| indium-foszfát | 1-1.6 | 3.3 | 5.1 | 80 |
| lítium-niobát | 0,6-4,5 | 2.2 | 6.6 | tizenöt |
| Tellúr-dioxid | 0,4-5 | 2.25 | 5.5 | 1000 |
Készülék kialakítása
Az optikailag polírozott üveget fém nyomáskötéssel lítium-niobátból készült piezo átalakítóhoz kötik . A lítium-niobát lemez vastagságát a szükséges modulációs frekvencia alapján választják ki ( 1 GHz-ig). Az üveglap ellentétes oldala az ultrahanghullám terjedésével szöget zár be, így a visszavert hullám oldalra terelődik, így állóhullám nem lép fel. Ezenkívül általában egy hangelnyelő anyagtömböt helyeznek erre az arcra.
Az AOM-t általában egy fém tokban helyezik el, amelyen lyukak találhatók a fénysugár be- és kimenetéhez, valamint egy RF csatlakozó a moduláló jel ellátásához (általában SMA vagy BNC csatlakozó ). Lehetőség van optikai bemenettel és kimenettel is kialakítani az eszközt, ami megkönnyíti az optikai rendszerekben való használatát .
Az AOM modulációs frekvenciát az akusztikus közeg elasztooptikai tulajdonságai határozzák meg, és elérheti a 350 MHz -et (az AOM hatásfoka ilyen frekvencián alacsony, 10-20%-os nagyságrendű).
Alkalmazás
Az AOM-okat a lézersugarak gyors modulálására és eltérítésére használják, ezért széles körben használják az optikai laboratóriumokban a lézersugár modulálásának egyszerű módjaként (nagy sebességű zár). A lézerüregen belüli AOM használata lehetővé teszi az üreg veszteségeinek szabályozását és az aktív Q-kapcsolást vagy a lézer üzemmód zárolását .
A kollineáris sugárnyalábú AOM-ot AOPDF -nek hívják , ez képes az ultrarövid lézerimpulzusok spektrális fázisának és amplitúdójának alakítására.
