Акустооптический модулятор света

Изобретение относится к акустооптическим модуляторам света (АОМ) на стоячих упругих волнах, предназначенным для осуществления амплитудной модуляции непрерывного когерентного оптического излучения, и может быть использовано для синхронизации мод лазеров, модуляции добротности. Техническим результатом изобретения является обеспечение работы в СВЧ диапазоне, с расширенной полосой частот управляющего сигнала, а также исключение температурной стабилизации. Акустооптический модулятор света включает звукопровод, выполненный в виде тела с фотоупругими свойствами в форме трапециевидной призмы и пьезопреобразователь, нанесенный на боковую грань призмы, ребро которой является боковой стороной трапеции. При этом вход пьезопреобразователя подключен к источнику управляющего напряжения, а боковая грань призмы, противоположная грани с нанесенным пьезопреобразователем, выполнена полированной. 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. 2 ил.

 

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).

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 , υзв - скорость упругой волны в звукопроводе, c - скорость электромагнитной волны в вакууме, b - геометрическое замедление многоэлектродной периодической системы.

Акустооптический модулятор работает следующим образом.

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 ψ0(|ψ0|<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

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 6.57×103 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.

Акустооптический модулятор света, включающий звукопровод, выполненный в виде тела с фотоупругими свойствами в форме трапециевидной призмы, пьезопреобразователь, нанесенный на боковую грань призмы, ребро которой является боковой стороной трапеции, при этом вход пьезопреобразователя подключен к источнику управляющего напряжения, а боковая грань призмы, противоположная грани с нанесенным пьезопреобразователем, выполнена полированной, отличающийся тем, что 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к квантовой электронике, лазерной спектроскопии, акустооптике и может быть использовано для широкополосной частотной стабилизации лазеров и сужения спектра их излучения.

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано для точного управления лазерным излучением. .

Изобретение относится к акустооптике и может быть использовано в качестве перестраиваемого узкополосного фильтра в анализаторах спектров оптического излучения. .

Изобретение относится к области приборостроения. .

Изобретение относится к области оптической обработки сигналов и может быть использовано для передачи многоканальных и одноканальных сообщений по оптическим линиям связи.

Изобретение относится к прикладной оптике и спектроскопии и может быть использовано в спектрометрах и приборах на их основе. .

Изобретение относится к области управления когерентными лазерными пучками ультрафиолетового диапазона. .

Изобретение относится к устройствам для управления лазерным излучением

Изобретение относится к акустооптике и лазерной технике, в частности к акустооптическому модулятору пучка оптического излучения

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при создании лазерных установок гравировки, маркировки и раскройки материалов, а также проекционных систем повышенной четкости

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве широкополосного измерителя частоты радиосигналов. Технический результат, заключающийся в расширении полосы рабочих частот, достигается тем, что в акустооптический спектроанализатор, содержащий в своем составе лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, глухое зеркало, две интегрирующие линзы и две линейки фотоприемных устройств, в котором измеряемый радиосигнал подается на пьезопреобразователь акустооптического дефлектора, а на одну из его оптических граней лазерное излучение падает под отрицательным углом Брэгга и дифрагирует по направлению последовательно расположенных первой интегрирующей линзы и первой линейки фотоприемных устройств, а на вторую оптическую грань акустооптического дефлектора лазерное излучение, переотражаясь от глухого зеркала, падает под положительным углом Брэгга и дифрагирует по направлению последовательно расположенных второй интегрирующей линзы и второй линейки фотоприемных устройств, дополнительно между первой и второй гранями акустооптического дефлектора и первой и второй интегрирующими линзами включены первый и второй поляроиды, а акустооптический дефлектор выполнен на основе ниобата лития с косым углом среза, равным β, и аномальной дифракцией, характеризуемой наличием двух одинаковых полос пропускания ΔfΣ1 и ΔfΣ2 вблизи отличающихся частот перегиба f01 и f02, задаваемых соответствующей величиной угла β, и между собой взаимосвязанных посредством f02-f01≃ΔfΣ1≃ΔfΣ2, причем протяженность по свету пьезопреобразователя акустооптического дефлектора выбрана из условия совмещения полос ΔfΣ1 и ΔfΣ2 по заданному уровню неравномерности дифракционной эффективности. 4 ил.
Изобретение относится к области прикладной оптики и касается двойного акустооптического монохроматора на одном кристалле. Монохроматор содержит первый поляризатор, акустооптическую ячейку, второй поляризатор и поворотную призму, установленную с возможностью возврата оптического луча во второй поляризатор. Входной луч последовательно проходит через часть первого поляризатора, часть акустооптической ячейки и часть второго поляризатора. Поворотная призма обеспечивает возврат луча в монохроматор таким образом, чтобы луч последовательно проходил через соседнюю часть второго поляризатора, акустооптической ячейки и первого поляризатора. При этом первый поляризатор выполняет функцию выходного поляризатора. Технический результат заключается в уменьшении энергопотребления, упрощении производства и наладки монохроматора.

Изобретение относится к акустооптическому устройству, предназначенному для управления оптическим излучением посредством акустооптической брэгговской дифракции света на звуке, и может использоваться для управления амплитудой, частотой, фазой и поляризацией оптического излучения. Акустооптическое устройство содержит акустооптический кристалл, пьезопреобразователь и управляющий элемент для изменения угла наклона, расположенный между акустооптическим кристаллом и пьезопреобразователем и жестко связанный с последним. Управляющий элемент выполнен в виде двух призм, соприкасающихся друг с другом двумя плоскостями и установленных с возможностью вращения относительно друг друга вокруг оси, перпендикулярной поверхности кристалла и оси, перпендикулярной плоскостям соприкосновения призм. Технический результат - увеличение точности установки угла наклона пьезопреобразователя к акустооптическому кристаллу. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области спектрометрии и касается акустооптического анализатора спектра оптических сигналов. Анализатор включает в себя акустооптический фильтр, фотоприемное устройство, радиочастотный анализатор спектра и цепь обратной связи. Акустооптический фильтр включает в себя анизотропный кристалл, поляризатор и анализатор. Анизотропный кристалл вырезан таким образом, чтобы обеспечивать коллинеарный режим дифракции света на ультразвуке с рассеянием излучения одновременно в несколько дифракционных порядков. Поляризатор и анализатор ориентированы таким образом, чтобы на выходе акустооптического фильтра существовали +1-й, -1-й и 0-й дифракционные максимумы. Радиочастотный анализатор спектра электрически связан с выходом фотоприемного устройства и обеспечивает регистрацию спектра электрического сигнала фотоприемного устройства. Цепь электрической обратной связи связывает выход фотоприемного устройства с входом пьезоэлектрического преобразователя акустооптического фильтра. Технический результат заключается в повышении спектрального разрешения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается акустооптического перестраиваемого фильтра. Фильтр включает в себя поляризатор, акустооптическую ячейку, анализатор, светоделитель, фотоприемное устройство, цепь электрической обратной связи и радиочастотный генератор. Акустооптическая ячейка обеспечивает коллинеарный режим дифракции с рассеянием излучения одновременно в несколько дифракционных порядков. На выходе из анализатора осуществляется интерференция +1, -1 и 0 дифракционных максимумов. Цепь обратной связи связывает фотоприемное устройство и пьезоэлектрический преобразователь ячейки. Радиочастотный генератор выполнен с возможностью управления амплитудой и частотой сигнала генерации и предназначен для управления положением и шириной полосы пропускания фильтра. Технический результат заключается в уменьшении полосы пропускания и обеспечении возможности управления шириной и положением полосы пропускания. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх