Двухкристальный акустооптический модулятор
Владельцы патента RU 2703930:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений" (ФГУП "ВНИИФТРИ") (RU)
Изобретение относится к акустооптике и лазерной технике. Акустооптический модулятор оптического излучения содержит светозвукопровод с входной и выходной гранями. Оптический луч падает на грани светозвукопровода под углом Брюстера. Светозвукопровод выполнен из двух зеркально симметричных призм, так чтобы оптический луч проходил все 4 грани под углом Брюстера. Расположение призм, ультразвуковых преобразователей на гранях призм и фазы подаваемых на них сигналов обеспечивают синфазность волновых фронтов ультразвуковых пучков в призмах. Технический результат заключается в возможности использования модулятора для лазерных пучков высокой мощности с сохранением положения лазерного пучка, что приводит к упрощению работы с модулятором. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 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. Модуляторы на основе акустооптического взаимодействия (АО модуляторы) являются одними из наиболее эффективных, они позволяют формировать модулирующее воздействие наиболее общего вида со временем переключения менее 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).
Аналогом данного изобретения является изобретение (патент 2476916), в котором не изменяется направление распространения выходного светового луча относительно направления входного светового луча. При использовании для модуляции световых пучков с большой плотностью мощности АО модулятора с падением света на входную и выходную оптические грани под углом близким к нормали возникает проблема лучевой прочности просветляющих покрытий. Решением этой проблемы может быть применение АО модулятора (Акустооптический модулятор с повышенной эффективностью. Л.Н. Магдич, В.Н. Сасов. - Электронная техника Сер. Квантовая электроника, 1975, №1, с. 65-67), который включает в себя светозвукопровод из прозрачного для лазерного излучения материала, к которому прикреплено средство для возбуждения ультразвуковой (УЗ) волны, две грани светозвукопровода расположены под углом Брюстера для ввода модулируемого и вывода модулированного светового пучка. Грань кристалла, противоположную излучателю покрыта поглощающим звук материалом. Данный вариант АО модулятора принят за прототип.
При использовании АО модулятора в мощных лазерах требуется соответствующая лучевая стойкость среды АО модулятора и просветляющих покрытий входных и выходных оптических граней. Применение модуляторов с вводом и выводом излучения под углом Брюстера решает проблему потерь на оптических гранях и отпадает необходимость в просветляющих покрытиях
Недостатком такого АО модулятора в том, что происходит существенный сдвиг положения падающего относительно входного светового пучка, что в свою очередь существенно усложнят конструкцию резонатора лазера и его юстировку. (Сдвиг Δх=L⋅sin(ΘБр-arcsin((1/n)sinΘБр), где L - длина светозвукопровода, ΘБр - угол Брюстера равный arctg(n), n - коэффициент преломления светозвукопровода.
Техническим результатом, получаемым от использования изобретения, является возможность использовать его для лазерных пучков высокой мощности с сохранением положения лазерного пучка, что приводит к принципиальному упрощению работы с таким модулятором.
Поставленный технический результат достигают за счет того, что в акустооптическом модуляторе оптического излучения, содержащем светозвукопровод с входной и выходной гранями, на которые оптический луч падает под углом Брюстера, светозвукопровод выполнен из двух зеркально симметричных призм таким образом, чтобы оптический луч проходил все 4 грани под углом Брюстера, а расположение призм, ультразвуковых преобразователей на гранях призм и фазы подаваемых на них сигналов обеспечивали синфазность волновых фронтов ультразвуковых пучков в призмах.
Условие синфазности выполняется тогда, когда фаза светового пучка, дифрагировавшего на ультразвуковой волне во втором светозвукопроводе, совпадает с фазой светового пучка, попавшего во второй светозвукопровод после дифракции в первом светозвукопроводе.
При этом призмы могут быть выполнены из кристаллов калий-иттриевого вольфрамата, или калий-гадолиниевого вольфрамата, или калий-иттербиевого вольфрамата, или калий-лютециевого вольфрамата.
Схема предложенного решения изображена на фиг. 1. АО модулятор содержит два светозвукопровода (2) и (2') с размещенными на них ультразвуковыми преобразователями (3) и (3'). Входные грани (1) и (1'), выходные грани (4) и (4'). Грани, противоположные преобразователю скошены для предотвращения отражения распространяющегося ультразвукового пучка в обратном направлении.
Оптические грани могут быть скошены под углом Брюстера для света поляризованного перпендикулярно волновому вектору ультразвуковой волны или для света с поляризацией коллинеарной волновому вектору ультразвуковой волны. Световой пучок в светозвукопроводе расширяется в n раз, где n коэффициент преломления материала светозвукопровода. В первом случае расширение происходит в плоскости ультразвукового преобразователя, при этом потребуется в n раз большая мощность сигнала на преобразователе. Во втором случае в n раз вырастет время переключения.
Устройство работает следующим образом. Световой пучок входит в светозвукопровод 2 через грань 1 под углом Брюстера. Происходит дифракция света на ультразвуковой волне, излучаемой преобразователем 3. Выходной световой пучок под углом Брюстера проходит грань 4 и попадает на грань 1' под углом Брюстера, что обеспечивается выбором угла β, под которым расположены грани основания 5, на которых крепятся призмы светозвукопроводов. Происходит дифракция света на ультразвуковой волне, излучаемой преобразователем 3'. Выходной световой пучок под углом Брюстера проходит грань 4' и распространяется далее параллельно и соосно входному пучку.
Акустооптический модулятор может быть выполнен из кристаллов KMe(WO4) со структурой альфа-калий-итриевого вольфрамата (α-KYW), относящиеся к моноклинным двуосным кристаллам, где Me атом Y или Gd или Yb или Lu. Ультразвуковой излучатель размещен на грани кристалла перпендикулярной оси Ng эллипсоида коэффициентов преломления кристалла.
Так как коэффициенты преломления этих кристаллов незначительно отличаются, то и углы Брюстера, а также угол β (см. фиг. 1) также будут отличаются. В таблице 1 представлены расчетные значения углов Брюстера и углов β для излучения с длиной волны 2,097 мкм при поляризации света коллинеарной оптической оси Nm кристалла.
1. Акустооптический модулятор оптического излучения, содержащий светозвукопровод с входной и выходной гранями, на которые оптический луч падает под углом Брюстера, отличающийся тем, что светозвукопровод выполнен из двух зеркально симметричных призм таким образом, чтобы оптический луч проходил все 4 грани под углом Брюстера, а расположение призм, ультразвуковых преобразователей на гранях призм и фазы подаваемых на них сигналов обеспечивали синфазность волновых фронтов ультразвуковых пучков в призмах.
2. Акустооптический модулятор по п. 1, отличающийся тем, что призмы выполнены из кристаллов калий-иттриевого вольфрамата, или калий-гадолиниевого вольфрамата, или калий-иттербиевого вольфрамата, или калий-лютециевого вольфрамата.
