Акустооптический модулятор

Изобретение относится к акустооптике и лазерной технике, в частности к акустооптическому модулятору пучка оптического излучения. Модулятор содержит кристаллический светозвукопровод с размещенным на его грани ультразвуковым излучателем и двумя боковыми гранями оптического качества для ввода и вывода указанного оптического излучения. Светозвукопровод выполнен из моноклинного кристалла со структурой KR(WO4)2, где R - редкоземельный элемент. При этом ультразвуковой излучатель размещен на грани кристалла, перпендикулярной оси Ng эллипсоида коэффициентов преломления кристалла. Модулятор можно использовать для лазерных пучков высокой мощности с достижением высокого коэффициента дифракции. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к акустооптике и лазерной технике, в частности к управлению характеристиками коллимированного монохроматического излучения.

Во многих практических задачах используется модулированное оптическое излучение, в частности для передачи сигналов (аналоговых и цифровых), для периодического воздействия на объект, для внутрирезонаторной модуляции излучения в лазерах и т.п. Акустооптические (АО) модуляторы являются одними из наиболее эффективных, они позволяют формировать модулирующее воздействие наиболее общего вида со временем переключения до 1 мкс.

Известно много видов АО модуляторов (В.И.Балакший и др. Физические основы акустооптики. - М.: Радио и связь, 1985, стр.170, рис.8.1 и табл.6.2).

АО модулятор (патент US №4759613) включает в себя светозвукопровод из прозрачного для света материала, к которому прикреплено средство для возбуждения ультразвуковой (УЗ) волны, у которого две грани имеют оптическое качество обработки и служат для ввода модулируемого и вывода модулированного светового пучка. Часто грань кристалла, противоположную излучателю, располагают наклонно по отношению к падающему на нее акустическому пучку, так, чтобы отраженный от нее пучок распространялся в виде другой акустической моды в направлении боковых граней под углом, при котором не возникает отражения назад в область распространения светового пучка. Обычно также места падения акустического пучка на грани кристалла покрывают поглощающим звук материалом. Данный патент принят за прототип.

АО модуляторы работают следующим образом. С помощью прикрепленного к кристаллическому светозвукопроводу излучателя звука (пьезопреобразователя) возбуждается акустическая (ультразвуковая) волна, которая за счет фотоупругого эффекта создает движущуюся дифракционную решетку. Световой пучок, который необходимо модулировать (обычно лазерный или монохроматический), направляют на светозвукопровод так, чтобы он падал на решетку под определенным углом (углом Брегга). В результате рассеяния на решетке свет частично (или полностью) дифрагирует и меняет направление распространения, частоту и фазу, а главное - амплитуду. Коэффициент дифракции определяется мощностью ультразвука Рак, длиной взаимодействия L и длиной волны модулируемого излучения λ:

где M2 - коэффициент акустооптического качества кристалла. Эта зависимость позволяет осуществлять управление интенсивностью дифрагированной волны путем изменения мощности ультразвука, в частности путем включения и выключения последней.

Чтобы модулятор работал эффективно, необходимо также определить ориентацию взаимодействующих пучков света и звука. Обычно используют ортогональную схему, в которой направление распространения света лежит под небольшим углом к оси симметрии эллипсоида показателей преломления среды, а направление распространения звука ортогонально этой оси. Диаграмма волновых векторов при дифракции в модуляторе на основе изотропной среды показана на фиг.1, где kn - волновой вектор падающей световой волны, k - волновой вектор дифрагировавшей световой волны, Куз - волновой вектор звуковой волны.

Направление распространения волн и их поляризация определяют эффективное значение коэффициента АО качества M2. При прочих равных условиях выбирается геометрия с максимальным коэффициентом М2. Однако для произвольно выбранных направлений и поляризаций значение М2 равно нулю или мало, что требует технически недостижимых значений акустической мощности для получения эффекта. Поэтому в технике используют те кристаллы, для которых величина АО качества М2 выше, а для них - известные из теоретических расчетов и экспериментально исследованные направления. Такие расчеты и исследования в настоящее время проведены только для одноосных кристаллов.

Недостатки такого модулятора проявляются в двух аспектах.

1. Известные используемые кристаллы не гарантируют высокую лучевую стойкость кристалла, т.е. при модуляции высокоэнергетического лазерного излучения светозвукопровод может испытывать разрушение.

2. Известные модуляторы обеспечивают модуляцию лишь одной линейной поляризации. Для задач модуляции лазерного излучения, которое, как правило, линейно поляризовано, этого достаточно. Однако в целом указанное свойство ограничивает область применения таких модуляторов.

Техническим результатом, получаемым от использования изобретения, является возможность использовать его для лазерных пучков высокой мощности вместе с возможностью достижения высокого коэффициента дифракции.

Поставленный технический результат достигают за счет того, что в известном акустооптическом модуляторе светового пучка, содержащем кристаллический светозвукопровод с размещенным на его грани ультразвуковым излучателем и двумя боковыми гранями оптического качества для ввода и вывода указанного оптического излучения, светозвукопровод выполнен из моноклинного кристалла со структурой KR(WO4)2, где R - редкоземельный элемент, являющегося кристаллом, используемом в качестве активной среды для генерации высокоинтенсивного лазерного излучения.

При этом ультразвуковой излучатель размещен на грани кристалла, перпендикулярной оси Ng эллипсоида коэффициентов преломления кристалла (Ю.И.Сиротин, М.П.Шаскольская. Основы кристаллографии. - М.: Наука, 1979. 640 стр.).

Диаграмма волновых векторов при дифракции в модуляторе на основе двуосных кристаллов со структурой KR(WO4)2, где R - редкоземельный элемент, приведена на фиг.2, где верхние индексы в волновых векторах m, g и p обозначают направление поляризации соответствующей волны.

При использовании светозвукопровода из моноклинных кристаллов, выполненных из калий-гадолиниевого вольфрамата KGd(WO4)2, калий-иттриевого вольфрамата KY(WO4)2, калий-иттербиевого вольфрамата KYb(WO4)2, калий-лютециевого вольфрамата KLu(WO4)2, достигается полезный эффект - высокая лучевая прочность вместе с возможностью достижения высокого коэффициента дифракции, а направления распространения ультразвука и света определяются теми же требованиями.

В частности, в случае, если в акустооптическом модуляторе ультразвуковой излучатель выполнен для продольных акустических волн, а входная оптическая грань светозвукопровода перпендикулярна оси Np или оси Nm эллипсоида, осуществляется модуляция неполяризованного света вследствие примерного равенства величины эффективности дифракции для излучения, имеющего разное линейное направление поляризации.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.3 представлено устройство АО модулятора, на фиг.4 - принципиальная схема работы модулятора.

АО модулятор (фиг.3) содержит кристаллический светозвукопровод (1) с размещенным на нем ультразвуковым излучателем (2), светозвукопровод выполнен из кристаллов со структурой KR(WO4)2, где R - редкоземельный элемент, относящихся к моноклинным двуосным кристаллам. Ультразвуковой излучатель размещен на грани кристалла, перпендикулярной оси Ng эллипсоида коэффициентов преломления кристалла. Боковые входная (3) и выходная (4) грани выполнены оптического качества. Грань (5), противоположная излучателю, скошена для предотвращения отражения распространяющегося ультразвукового пучка в обратном направлении.

АО модулятор работает следующим образом (фиг.4).

Для получения максимального полезного эффекта, а именно высокого коэффициента дифракции света, в светозвукопроводе (1) возбуждают ультразвуковую волну посредством ультразвукового излучателя (2) в направлении оси Ng эллипсоида коэффициентов преломления кристалла, а входящий световой пучок (6) направляют через оптическую входную грань (3) в направлении оси Nm эллипсоида коэффициентов преломления кристалла либо в направлении оси Np, соответствующей оси симметрии второго порядка. В каждом из этих случаев свет должен падать на ультразвуковую волну под углом Брегга θBr, составляющем обычно несколько градусов к нормали. Дифрагированный свет (7), удовлетворяющий условию Брегга, отклоняется вследствие дифракции и выходит из кристалла через выходную оптическую грань (4). Недифрагированный световой пучок (8) проходит светозвукопровод без изменения направления. Интенсивность отклоненного пучка (7) определяется мощностью высокочастотного электрического сигнала (9), подаваемого на ультразвуковой излучатель (2). Изменяя эту мощность, модулируют интенсивность света как дифрагированного пучка, так и недифрагированного. Возбужденная ультразвуковая волна, распространяясь по светозвукопроводу, достигает противоположной излучателю грани (5), покрытой, как правило, слоем поглощающего вещества (10), и вследствие наклона этой грани отражается в сторону боковой грани и не отражается назад в область распространения световых пучков.

Следует отметить также, что в случае возбуждения продольной ультразвуковой волны и при ориентации входной боковой грани перпендикулярно оси Np или оси Nm эллипсоида коэффициентов преломления эффективность дифракции для двух собственных линейных поляризаций световых волн высока, а коэффициент дифракции примерно одинаков, и при этом световые пучки обеих поляризаций не отклоняются от плоскости взаимодействия, образованной направлением падения светового пучка (kn) и направлением распространения ультразвука (Kуз).

Это очень важно, так как позволяет осуществлять модуляцию неполяризованного света, что обеспечивается примерным равенством величины эффективности дифракции для излучения имеющего разное линейное направление поляризации. В общем случае акустооптические модуляторы не обладают таким свойством, что при работе с неполяризованным лазерным излучением приводит к его заметной линейной поляризации в результате модуляции.

При промежуточных направлениях распространения света также имеет место эффективная дифракция световых волн обеих поляризаций, однако направления распространения световых пучков разной поляризации различаются: один из них с поляризацией Ng распространяется в плоскости взаимодействия, а второй выходит из плоскости взаимодействия, так что пучки с разной поляризацией разделяются (и дифрагированные и недифрагированные).

Также необходимо отметить, что в модуляторе можно использовать и сдвиговую ультразвуковую волну с поляризацией по Nm - в этом случае имеет место эффективная дифракция для света с поляризацией Ng.

При использовании указанных материалов в качестве акустооптической среды достигается следующий эффект. Благодаря высокой лучевой стойкости такой АО модулятор может быть использован для модуляции высокоинтенсивных лазерных пучков, т.е. приложениях, требующих мощного лазерного излучения, например в материалообработке (раскрой металла, сварка, маркировка и т.п.).

Кроме того, на этих материалах можно создать гибридные элементы, осуществляющие как генерацию лазерного излучения, так и управление его характеристиками, например использовать его в качестве активной среды, в которой при этом может возбуждаться акустическая волна для модуляции или отклонения лазерного пучка для целей внутрирезонаторной модуляции добротности (как в патенте US №4057770).

Реализуемость заявленного АО модулятора была подтверждена изготовлением и тестированием модулятора на кристалле альфа-калий-гадолиниевого вольфрамата, эффективная дифракция на котором достигалась при величине мощности ультразвука 2-3 Вт. Реализуемость с использованием других вышеперечисленных кристаллов подтверждается тем, что для всех четырех указанных кристаллов измеренные значения фотоупругих констант и скоростей звука имеют близкие значения.

1. Акустооптический модулятор пучка оптического излучения, содержащий кристаллический светозвукопровод с размещенным на его грани ультразвуковым излучателем и двумя боковыми гранями оптического качества для ввода и вывода указанного оптического излучения, отличающийся тем, что светозвукопровод выполнен из моноклинного кристалла со структурой KR(WO4)2, где R - редкоземельный элемент, и при этом ультразвуковой излучатель размещен на грани кристалла перпендикулярной оси Ng эллипсоида коэффициентов преломления кристалла.

2. Акустооптический модулятор по п.1, отличающийся тем, что светозвукопровод выполнен из одного из следующих кристаллов: калий-иттриевого вольфрамата, или калий-гадолиниевого вольфрамата, или калий-иттербиевого вольфрамата, или калий-лютециевого вольфрамата.

3. Акустооптический модулятор по п.1, отличающийся тем, что ультразвуковой излучатель выполнен для продольных акустических волн, а входная оптическая грань светозвукопровода перпендикулярна оси Np или оси Nm эллипсоида коэффициентов преломления.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам для управления лазерным излучением. .

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.

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 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