Московский государственный университет печати

Сидоров А.С.


         

Электронные устройства полиграфического оборудования: Ч. 2. Лазеры в полиграфии

Учебное пособие


Сидоров А.С.
Электронные устройства полиграфического оборудования: Ч. 2. Лазеры в полиграфии
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление

Введение

1.

Лазерное излучение

1.1.

Физические принципы

1.2.

Возбуждение, автоматическая фокусировка, частотный спектр лазерных колебаний

1.3.

Энергетические характеристики, режимы действия лазеров

2.

Лазеры

2.1.

Сведения общего характера

2.2.

Твердотельные лазеры

2.3.

Газовые лазеры

2.4.

Полупроводниковые лазеры

3.

Преобразователи лазерного излучения

3.1.

Базовые физические эффекты

3.2.

Поляризационные призмы и пластины

3.3.

Электрооптические модуляторы и дефлекторы

3.4.

Акустооптические преобразователи

4.

Оптико-электронное оснащение лазеров

4.1.

Принципы и схемы оптического сканирования

4.2.

Способы и средства лазерного сканирования

4.3.

Оптические преобразователи лазерного излучения

4.4.

Оптическое соединение полупроводниковых лазеров и волоконных световодов

4.5.

Схемотехника управления полупроводниковыми лазерами

5.

Лазеры в устройствах получения, преобразования и передачи информации

5.1.

Сканеры, читающие автоматы

5.2.

Голография

5.3.

Измерительная техника

5.4.

Волоконно-оптические линии связи

6.

Лазерная техника отображения и записи информации

6.1.

Фотонаборные машины и автоматы

6.2.

Принтеры, электрофотографические аппараты

6.3.

Системы компьютер - печатная форма

6.4.

Оптические запоминающие устройства и среды

Библиографический список

Указатели
37  именной указатель
349  предметный указатель
534  указатель иллюстраций

3.
Преобразователи лазерного излучения

Поляризация света, двойное лучепреломление. Эффекты Поккельса, Керра, Фарадея, акустооптический эффект. Однолучевые поляризаторы Николя, Фуко, Глана - Томсона, Глазебрука, Франка - Риттера, Аренса; двухлучевые призмы Рошона, Сенармона, Волластона, Аббе. Фазовые пластины. Электрооптические модуляторы и дефлекторы: материалы, принципы построения и действия, характеристики, применение. Акустооптические преобразователи; действие ультразвука. Варианты и схемы акустооптической дифракции, способы и средства управления.

3.1.
Базовые физические эффекты

3.1. Пояснить функциональную и техническую необходимость использования специальных преобразователей лазерного излучения.

ЛазерЛазеры широко и весьма эффективно используются в различных технических областях и сферах. В большинстве применений лазеры действуют как источники (генераторы) управляемого когерентного оптического излучения. Управление и преобразование в подобных случаях предполагает отклонение (изменение направления), включение (возбуждение) и выключение (срыв), разделение и объединение, синхронизацию, модуляцию интенсивности и фазы, регулирование длины волны и частоты, изменение поляризации лазерных колебаний.

Непосредственное управление оптическим излучением твердотельных и газовых лазеров, действующих в жестких (строго определенных, неизменяемых) физических условиях и технических конструкциях, затруднительно. Разнообразные задачи управляемого преобразования Оптическое излучениеоптического излучения в таких лазерных системах выполняют специальные приборы и устройства, в первую очередь элементы геометрической оптики, электро- и акустооптические модуляторы.

В Полупроводниковый лазерполупроводниковых лазерах мощность Когерентность оптического излученияоптического когерентного излучения непосредственно (пропорционально) связана с инжекционным током возбуждения (накачки) таких лазеров. Управление электрическим током, а следовательно, и интенсивностью (мощностью) оптического излучения полупроводниковых лазеров обеспечивается без заметных затруднений схемотехническими методами и приемами с использованием весьма компактных и быстродействующих микроэлектронных элементов и устройств.

3.2. Классифицировать физические эффекты, используемые в преобразователях лазерного излучения.

Принципиальное значение имеют среды и процессы, обеспечивающие двойное лучепреломление и изменение поляризации света. В анизотропных веществах (кристаллах) оба этих оптических явления возникают и присутствуют естественно (без специальных внешних воздействий). Наведенная (неестественная) анизотропия обеспечивается в изотропных средах искусственным (внешним) путем. При этом в качестве внешних воздействий используются электрическое поле (эффекты Поккельса и Керра), магнитное поле (эффект Фарадея), поле упругих сил (акустооптический эффект).

3.3. Указать и пояснить существенные признаки и свойства физического явления «поляризация света».

Согласно ссылка на источники литературы Поляризация светаполяризация света - одно из фундаментальных свойств оптического излучения (света), состоящее в неравноправии различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу (направлению распространения световой волны).

Электромагнитыне колебанияЭлектромагнитные колебания рассматриваются как взаимосвязанные колебания электрического (Е) и магнитного (Н) полей, составляющих единое электромагнитное поле.

Электромагнитные волны поперечны, что обусловливает возможность их поляризации. В оптическом диапазоне электромагнитное излучение рассматривается как поток фотонов. Поперечность световых (как и других электромагнитных) волн выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряженности электрического поля Е и напряженности магнитного поля Н перпендикулярны направлению распространения волны. Векторы Е и Н выделяют (отсюда указанное выше неравноправие) определенные направления в пространстве, занятом волной. Кроме того, векторы Е и Н почти всегда взаимно перпендикулярны; поэтому для полного описания состояния поляризации света требуется знать поведение лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирают вектор Е.

Световой импульс, испускаемый каким-либо отдельно взятым элементарным излучателем (атомом, молекулой) в единичном акте излучения, всегда поляризован полностью. Но макроскопические источники света состоят из огромного числа таких частиц-излучателей. Пространственные ориентации векторов Е (и моменты актов излучения) световых импульсов отдельных частиц в большинстве случаев распределены хаотически. Кроме того, поляризация изменяется в результате процессов взаимодействия между частицами-излучателями. Поэтому в общем излучении большинства источников направление Е не определено (оно непрерывно и беспорядочно изменяется за чрезвычайно малые промежутки времени). Подобное излучение называется неполяризованным (естественным) светом.

Вектор Е (как и всякий вектор) можно представить в виде суммы его проекций на два взаимно перпендикулярных направления (выбираемых в плоскости, поперечной направлению распространения света). В естественном свете разность фаз между такими проекциями непрерывно и хаотически изменяется. В полностью поляризованном свете эта разность фаз строго постоянна, т.е. взаимно перпендикулярные компоненты Е когерентны.

Полную Поляризация светаполяризацию Монохроматическая волнамонохроматического света характеризуют проекцией траектории конца вектора Е (рис. 3.1Рис. 3.01. Колебания проекций электрического вектора Е световой волны на взаимно перпендикулярные оси х и у) в каждой точке луча на плоскость, перпендикулярную лучу. На рис. 3.1Рис. 3.01. Колебания проекций электрического вектора Е световой волны на взаимно перпендикулярные оси х и у показаны колебания проекций электрического вектора Е световой волны на взаимно перпендикулярные оси х и у; при этом z - направление распространения волны, перпендикулярной как оси х, так и оси у. На рис. 3.1, б, вРис. 3.01. Колебания проекций электрического вектора Е световой волны на взаимно перпендикулярные оси х и у представлены моментальные изображения колебаний и соответствующей огибающей концов полного вектора Е в разных точках волны для случая, когда вертикальные (по оси х) колебания на четверть периода () опережают горизонтальные колебания (по оси у). В каждой точке конец Е в этом случае описывает окружность. Следует отметить, что стрелки на рис. 3.1, вРис. 3.01. Колебания проекций электрического вектора Е световой волны на взаимно перпендикулярные оси х и у нанесены лишь для того, чтобы яснее показать вид правого винта. Винтовая поверхность отнюдь не вращается вокруг оси z при прохождении волны. Напротив, следует представлять, что вся винтовая поверхность как целое, не вращаясь, переносится вдоль оси z со скоростью волны.

В самом общем случае так называемой эллиптической поляризации проекцией траектории конца вектора Е в каждой точке луча на плоскость, перпендикулярную лучу, является эллипс, что легко понять, учитывая постоянство разности фаз между взаимно перпендикулярным компонентами Е и одинаковость частоты их колебаний в монохроматической волне.

Примеры различных поляризаций светового луча (траектории конца электрического вектора Е в какой-либо одной точке луча) при различных разностях фаз между взаимно перпендикулярными компонентами Ex и Hy представлены на рис. 3.2.Рис. 3.02. Различные поляризации светового луча. Плоскость рисунков перпендикулярна направлению распространения света. На рис. 3.2, а, дРис. 3.02. Различные поляризации светового луча показаны линейные поляризации; на рис. 3.2, вРис. 3.02. Различные поляризации светового луча - правая круговая поляризация; на рис. 3.2, б, г, еРис. 3.02. Различные поляризации светового луча - эллиптические поляризации различной ориентации. Приведенные рисунки соответствуют положительным разностям фаз φ (опережению вертикальных колебаний по сравнению с горизонтальными).

Для полного описания эллиптической Поляризация светаполяризации света необходимо знать направление вращения вектора Е по эллипсу (правое или левое), ориентацию осей эллипса и его эксцентриситет (см., например, рис. 3.2, а, г, еРис. 3.02. Различные поляризации светового луча). Наибольший интерес представляют предельные случаи эллиптической поляризации света - линейная поляризация (разность фаз 0, kπ, где k - целое число; рис. 3.2, а, дРис. 3.02. Различные поляризации светового луча), когда эллипс вырождается в отрезок прямой, и круговая (или циркулярная) поляризация [разность фаз ± (2k + 1)π/2], при которой эллипс поляризации превращается в окружность. Определяя состояние линейно или плоско поляризованного света, достаточно указать положение плоскости поляризации света, поляризованного по кругу, - направление вращения (правое или левое).

3.4. Пояснить возможности и варианты изменения поляризации света при взаимодействии оптического излучения с веществом (средой).

Отметим, в первую очередь, что к частичной (а иногда и полной) Поляризация светаполяризации света приводит множество физических процессов. К ним относятся отражение света и преломление света, при которых поляризация света обусловлена различием оптических характеристик границы раздела двух сред для компонентов светового пучка, поляризованных параллельно и перпендикулярно плоскости падения.

Свет может поляризоваться при прохождении через среды, обладающие естественной или вызванной внешними воздействиями (индуцированной) оптической анизотропией.

Как правило, полностью поляризовано излучение лазеров. При этом существенным фактором является специфический характер вынужденного излучения, при котором поляризации испускаемого фотона и фотона, вызвавшего акт испускания, абсолютно тождественны. Таким образом, при лавинообразном умножении числа испускаемых фотонов в активной среде лазера поляризации таких фотонов оказываются совершенно одинаковыми.

Поляризация светаПоляризация света существенно влияет на взаимодействие света с веществом. В оптически анизотропном веществе от поляризации света зависят скорость и направление распространения света, а также его поглощение. При распространении света в веществе характер поляризации может изменяться: плоскость колебаний повертывается (при отражении, преломлении, в оптически активных телах); линейно поляризованный свет может превращаться в эллиптически поляризованный (при полном внутреннем отражении, двойном лучепреломлении, отражении от поглощающих сред).

Свет, рассеянный средой, также изменяет свою поляризацию.

3.5. Указать и пояснить существенные признаки и свойства физического явления «двойное лучепреломление».

Согласно ссылка на источники литературы двойное лучепреломление проявляется как расщепление пучка света в анизотропной среде (например, в кристалле) на две составляющие, распространяющиеся с разными скоростями и поляризованные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Если световой поток падает перпендикулярно к поверхности кристалла, то он распадается на два пучка, один из которых продолжает путь без преломления, как и в изотропной среде, другой же отклоняется в сторону, нарушая обычный закон преломления света (рис. 3.3Рис. 3.03. Двойное лучепреломление в анизотропной среде). Соответственно этому явлению лучи первого пучка называются обыкновенными о (ordinary), а второго - необыкновенными е (extraordinary). Угол α, образуемый обыкновенным и необыкновенным лучами, называется углом двойного лучепреломления.

На рис. 3.3Рис. 3.03. Двойное лучепреломление в анизотропной среде показано двойное лучепреломление в одноосном кристалле при перпендикулярном падении пучка света на переднюю грань кристалла. Обыкновенный луч не преломляется. Необыкновенный луч преломляется на угол двойного лучепреломления α.

В некоторых кристаллах (например, в исландском шпате) существует только одно направление, вдоль которого не происходит двойное лучепреломление. Оно называется оптической осью кристалла, а такие кристаллы - одноосными.

Направление колебаний электрического вектора у необыкновенного луча лежит в плоскости главного сечения (проходящей через оптическую ось и световой луч), которая является плоскостью поляризации. Нарушение законов преломления в необыкновенном луче связано с тем, что скорость распространения необыкновенной волны, а следовательно, и ее показатель преломления N* зависят от направления. Для обыкновенной волны, поляризованной в плоскости, перпендикулярной главному сечению, показатель преломления n0 одинаков для всех направлений. Если из точки О (рис. 3.3Рис. 3.03. Двойное лучепреломление в анизотропной среде) откладывать векторы, длины которых равны значениям N* и n0 в различных направлениях, то геометрические места концов этих векторов образуют сферу для обыкновенной волны и эллипсоид для необыкновенной волны.

Двойное лучепреломление объясняется особенностями распространения электромагнитных волн в анизотропных средах. Электрическое поле световой волны Е, проникая в вещество, вызывает вынужденные колебания электронов в атомах и молекулах среды. Колеблющиеся электроны, в свою очередь, являются источником вторичного излучения света. Таким образом, прохождение световой волны через вещество - результат последовательного переизлучения света электронами. В анизотропном веществе колебания электронов легче возбуждаются в некоторых определенных направлениях. Поэтому волны с различной поляризацией будут распространяться в анизотропном веществе с разными скоростями.

3.6. Пояснить физический смысл термина Изотропия«изотропия».

Такой термин (образованный от изо... и греческого tropos - поворот, направление) означает ссылка на источники литературы одинаковость физических свойств среды по всем направлениям (в противоположность анизотропии). Все газы, жидкости, твердые тела в аморфном состоянии изотропны по всем физическим свойствам. У кристаллов большинство физических свойств анизотропно. Однако чем выше симметрия кристалла, тем более изотропны его свойства. Так, у высокосимметричных кристаллов (алмаза, германия, каменной соли) упругость, прочность, электрооптические свойства анизотропны, но показатель преломления света, электропроводность, коэффициент теплового расширения изотропны.

3.7. Пояснить физический смысл термина Анизотропия«анизотропия».

Этот термин (полученный путем сочетания греческих слов anisos - неравный и tropos - направление) констатирует ссылка на источники литературы зависимость физических (механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических) свойств вещества (среды) от направления (в противоположность изотропии - независимости свойств от направления).

3.8. Выделить существенные особенности оптической анизотропии.

АнизотропияОптическая анизотропия рассматривается ссылка на источники литературы как различие оптических свойств среды в зависимости от направления распространения в ней оптического излучения (света) и состояния поляризации этого излучения.

При распространении света в прозрачных кристаллах (кроме кристаллов с кубической решеткой) свет испытывает двойное лучепреломление и поляризуется различно в различных направлениях. В кристаллах с гексагональной, тригональной и тетрагональной решетками (например, в кристаллах кварца, рубина и кальцита) двойное лучепреломление максимально в направлении, перпендикулярном главной оси симметрии, и отсутствует вдоль этой оси. Скорость распространения света в кристалле и показатель преломления света кристалла различны в различных направлениях. Например, у кальцита показатели преломления видимого света вдоль оси симметрии n и перпендикулярной ей n равны: n = 1,64 и n = 1,58, у кварца n = 1, 53, n^ = 1,54.

Естественная оптическая анизотропияЕстественная оптическая анизотропия большинства кристаллов обусловлена характером их строения - неодинаковостью по разным направлениям поля сил, связывающих частицы в кристаллической решетке.

Наведенная оптическая анизотропияНаведенная (искусственная) оптическая анизотропия возникает в средах, от природы оптически изотропных, под действием внешних полей, выделяющих в средах определенные направления. Такую анизотропию могут создавать электрическое поле, магнитное поле, поле упругих сил.

3.9. Пояснить физические аспекты и технические варианты использования Эффект Керраэлектрооптического эффекта (явления) КеррКерра ссылка на источники литературы.

В рамках рассматриваемого эффекта возникает двойное лучепреломление в оптически изотропных веществах (например, в жидкостях или газах) при воздействии однородного электрического поля. В результате эффекта Керра газ или жидкость в электрическом поле приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого направлена вдоль поля.

Для наблюдения эффекта Керра монохроматический свет пропускают (рис. 3.4Рис. 3.04. Схема наблюдений явления Керра) через поляризатор П (например, призму Николя) и направляют в плоский конденсатор, заполненный изотропным веществом (ячейку Керра - ЯК). Далее оптическое излучение проходит через компенсатор К и анализатор А.

Поляризатор преобразует естественно поляризованный свет в линейно поляризованный. Если к обкладкам конденсатора не приложено напряжение, то поляризация света, проходящего через вещество, не изменяется. Если к обкладкам приложено напряжение, то линейно поляризованная световая волна в веществе распадается на две волны, поляризованные вдоль поля E* (необыкновенная волна) и под прямым углом к полю E0 (обыкновенная волна), которые распространяются с разными скоростями. Из-за разной скорости распространения фазы колебаний электрического вектора у необыкновенной волны E* и обыкновенной волны E0 не совпадают; результирующая световая волна оказывается эллиптически поляризованной.

Величина двойного лучепреломления (разность коэффициентов преломления Δn = n0 - ne) пропорциональна квадрату напряженности Е электрического поля (эффект Керра):

здесь n0 - показатель преломления вещества (для обыкновенного луча); k - постоянная Керра.

В переменном электрическом поле эффект Керра зависит от скорости переориентации молекул при изменении знака поля. Эта скорость для низкомолекулярных жидкостей очень велика (времена изменения ориентации - менее наносекунды). Поэтому при частоте электрического поля менее 1 ГГц интенсивность проходящего света будет следовать за колебаниями электрического поля (с удвоенной частотой) практически без запаздывания. Таким образом, ячейка Керра может действовать как модулятор светового потока, что имеет важное прикладное значение.

3.10. Пояснить физические аспекты и технические варианты использования электрооптического Эффект Поккельсаэффекта ПоккельсПоккельса ссылка на источники литературы.

В рамках рассматриваемого явления обеспечивается линейный электрооптический эффект - изменение Dn показателя преломления n0 света в кристаллах, помещенных в электрическое поле, пропорциональное напряженности Е электрического поля (эффект Поккельса):

На основе Эффект Поккельсаэффекта Поккельса разработаны устройства для электрического управления когерентным оптическим излучением. Малая инерционность позволяет осуществлять модуляцию света до частот ~1013 Гц, а также изменять добротность лазеров и получать гигантские (по мощности) световые импульсы наносекундной длительности.

3.11. Пояснить физику действия и возможности применения Эффект Фарадеяэффекта ФарадейФарадея ссылка на источники литературы.

Эффект Фарадея относится к фундаментальным эффектам магнитооптики. Заключается во вращении плоскости поляризации электромагнитного излучения (например, света), распространяющегося в веществе вдоль силовых линий постоянного магнитного поля, проходящих через это вещество. Является доказательством прямой связи между магнетизмом и светом.

Намагниченное вещество нельзя характеризовать единым показателем преломления n. Показатели преломления n+ и n- для излучения правой и левой круговых поляризаций становятся различными. Проходящее через изотропную среду линейно поляризованное излучение можно формально представить как суперпозицию (наложение) двух поляризованных по правому и левому кругу волн с противоположным направлением вращения. Различие n+ и n- приводит к тому, что поляризованные по правому и левому кругу составляющие излучения распространяются в среде с различными фазовыми скоростями, приобретая разность хода, линейно зависящую от оптической длины пути. В результате плоскость поляризации монохроматического света с длиной волны λ после прохождения в среде пути L поворачивается на угол

Разность n+ и n- линейно зависит от напряженности магнитного Н поля в области не очень сильных полей

где константа пропорциональности V зависит от напряженности магнитного поля свойств вещества, длины волны излучения и температуры и носит название постоянной Верде.

В Эффект Фарадеяэффекте Фарадея ярко проявляется специфический характер вектора напряженности магнитного поля Н. Обусловленное полем Н направление поворота плоскости поляризации при эффекте Фарадея не зависит от направления распространения излучения. Поэтому многократное прохождение света через среду, помещенную в магнитное поле, приводит к возрастанию угла поворота плоскости поляризации в соответствующее число раз. Эта особенность эффекта Фарадея нашла применение при конструировании «невзаимных» оптических и микроволновых устройств, циркуляторов, гираторов, фазовращателей СВЧ.

Вариант схемы магнитооптического модулятора света представлен на рис. 3.5Рис. 3.05. Магнитооптический модулятор света. Модулятор содержит магнитооптический объект (материал) 1, катушку 2, создающую переменное магнитное поле, поляризаторы 3, линзы 4 и 5 фокусирующей оптической системы. В изменяющемся магнитном поле катушки 2 угол вращения плоскости поляризации магнитооптического объекта периодически изменяется.

В магнитооптических устройствах глубина модуляции достигает 40% на частотах до 200 МГц. Мощность управления модулятором составляет 0,1 Вт. Заметным достоинством является слабая температурная зависимость эффекта Фарадея.

3.12. Рассмотреть физические особенности проявления и технические возможности использования Акустооптический эффектакустооптического эффекта ссылка на источники литературы.

В акустооптической среде коэффициент преломления вещества изменяется под действием ультразвука. Источником ультразвуковых колебаний служит пьезоэлектрик (например, ниобат лития LiNbO3), который периодически возбуждается генератором высокочастотного электрического напряжения. Ультразвуковые колебания воздействуют на акустооптические кристаллы [тяжелое оптическое стекло (флинтглас), диоксид теллура ТеO2, молибданат свинца PbMoO4]. Под действием ультразвука в акустооптической среде формируется дифракционная решетка, которая в значительной степени влияет на распространение падающего оптического (например, лазерного) излучения.

Акустооптические устройства успешно применяются для отклонения пучков света, которое в таких дефлекторах осуществляется и управляется изменением частоты ультразвука.

3.2.
Поляризационные призмы и пластины

3.13. Указать и классифицировать основные свойства поляризационных призм.

Поляризационные призмыПоляризационные призмыссылка на источники литературы являются самостоятельным классом оптических призм и служат для получения (формирования) линейно поляризованного оптического излучения, т.е. действуют как линейные поляризаторы. Такие призмы состоят из двух (или более) трехгранных призм, причем по меньшей мере одна из этих призм вырезается из анизотропного кристалла с двойным лучепреломлением. Конструктивно поляризационные призмы выполняются так, что проходящее через них излучение преодолевает наклонную границу раздела двух сред (смежных трехгранных призм), на которой условия преломления света составляющих светового пучка, поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, резко различаются.

Выделяют (классифицируют) Поляризационные призмыполяризационные призмы двух видов. Однолучевые поляризаторы создают на выходе (пропускают) один линейно поляризованный пучок света. К этому виду относятся призмы НикольНиколя, ФукоФуко, Глана - Томсона, ГланГлана, ГлазебрукГлазебрука, ФранкФранка - РиттерРиттера, АренсАренса. Двухлучевые (двоякопреломляющие) поляризационные призмы формируют на выходе под углом друг к другу два пучка света, линейно поляризованных в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Двухлучевыми являются призмы РошонРошона, СенармонСенармона, ВолластонВолластона, АббеАббе.

3.14. Рассмотреть принцип действия однолучевых поляризационных призм.

Характерный вариант Поляризационные призмыоднолучевой поляризационной призмы ссылка на источники литературы приведен на рис. 3.6Рис. 3.06. Однолучевая поляризационная призма в объемном (а) и плоском (б) представлениях. Кристалл, обеспечивающий двойное лучепреломление, состоит из двух треугольных призм, разделенных небольшим воздушным промежутком. Обе компоненты поляризованного излучения распространяются в одном направлении, но с разными скоростями, из-за чего происходит их пространственное разделение. Показатель преломления для одного из двух лучей выбирается (с учетом конструкции призмы) таким образом, чтобы угол между этим лучом и нормалью к поверхности раздела превышал критический угол полного внутреннего отражения. Как только свет достигает воздушного промежутка, одна из компонент поляризованного луча отражается. Другая компонента этого луча падает на поверхность раздела под углом, меньшим критического, и пропускается кристаллом без существенных потерь. Как правило, кристалл формируется из треугольных призм так, чтобы прошедший луч не отклонялся.

3.15. Определить и иллюстрировать условия, гарантирующие полное внутреннее отражение одного из лучей поляризованного оптического излучения в однолучевом поляризаторе.

Рассмотрим указанные условия на примере поляризационной призмы Глана - Томсона ссылка на источники литературы с воздушным промежутком (рис. 3.7Рис. 3.07. Предельные углы падения фи1 и фи2 лучей света на поляризационную призму Глана - Томсона). Такая призма составлена из двух трехгранных призм (анизотропных кристаллов) и имеет форму прямоугольного параллелепипеда.

Отметим, что на рис. 3.7Рис. 3.07. Предельные углы падения фи1 и фи2 лучей света на поляризационную призму Глана - Томсона приняты определенные обозначения, которые используются и в дальнейшем на других однотипных рисунках. Падающие лучи 1 и 2, достигая поверхности одной (на рисунке левой) призмы, разделяются на обыкновенный о и необыкновенный е лучи. Направления электрических колебаний световых лучей (по существу колебаний электрического вектора лучей) указаны непосредственно на лучах штрихами (если колебания параллельны плоскости рисунка) и точками (если колебания перпендикулярны плоскости рисунка).

Дальнейший маршрут обыкновенного и необыкновенного лучей, достигающих воздушного промежутка, зависит от углов падения φ1 и φ2 (относительно нормали к верхней поверхности левой призмы), а также от угла α, заданного конструкцией треугольной призмы. На рис. 3.7Рис. 3.07. Предельные углы падения фи1 и фи2 лучей света на поляризационную призму Глана - Томсона иллюстрируется предельный (граничный) случай: лучи падают на поляризатор под критическими углами φ1 и φ2, при которых обеспечивается полное внутреннее отражение обыкновенного луча о из падающего пучка 1 и необыкновенного луча е из падающего пучка 2. Очевидно, что критические значения углов φ1 и φ2 и угол α взаимосвязаны. Сумма критических углов Ψ = φ1 + φ2 называется апертурой полной поляризации. Ее величина оказывается существенной, если на поляризатор падает несколько сходящихся лучей света.

3.16. Пояснить особенности конструкции Поляризационные призмыоднолучевых поляризационных призм.

Однолучевые поляризаторы формируются из двух (или более) трехгранных призм с воздушным промежутком (зазором) или склеенных прозрачным веществом. Показатель преломления (n) такого вещества выбирают близким к среднему значению показателей преломления обыкновенного (n0) и необыкновенного (ne) лучей.

Поляризационные призмы обычно изготавливают ссылка на источники литературы из исландского шпата СаCO2, который прозрачен для волн длиной λ = 0,2-2 мкм, и кристаллического кварца SiO2, прозрачного в области λ = =0,185-3,5 мкм. Показатели преломления на волне λ = 0,5893 мкм (для желтой линии спектра натрия) у шпата: n0 = 1, 659, ne = 1,486; у кварца: n0 = 1,543, ne = 1,552.

Материалами для склейки поляризационных призм служат: канадский бальзам (n = 1,55), льняное масло (n = 1,48), глицерин (n = 1,474). Для преобразования оптического излучения ультрафиолетовой части спектра применяют поляризационные призмы, склеенные глицерином, касторовым маслом.

Следует все же учитывать, что склеенные поляризаторы во многих случаях непригодны для преобразования мощного лазерного излучения, поскольку весьма интенсивный луч лазера может повредить склейку ссылка на источники литературы. Поэтому для лазеров обычно используются поляризаторы с воздушным зазором. К тому же использование воздушной прослойки снижает потери на поглощение при высоких плотностях излучения и обеспечивает ряд преимуществ при действии лазера в ультрафиолетовой области спектра.

Самостоятельное значение имеют поляризаторы, содержащие трехгранные стеклянные призмы с прослойкой из анизотропного кристалла (исландского шпата или кристаллического кварца), вклеенной между призмами. Именно такая прослойка обеспечивает поляризацию и двойное лучепреломление падающего (неполяризованного) света.

3.17. Рассмотреть конструкцию и технические особенности:

  • поляризационной призмы Николя;

  • поляризатора Фуко ссылка на источники литературы.

Поляризационная призма НиколяПризма Николя представлены на рис. 3.8, аРис. 3.08. Поляризационные призмы Николя (а) и Фуко (б); Поляризатор Фукополяризатор Фуко - на рис. 3.8, бРис. 3.08. Поляризационные призмы Николя (а) и Фуко (б). Обе призмы имеют форму скошенного параллелепипеда. В таких поляризаторах пропускается необыкновенный луч е, а отсекается (поглощается или выводится в сторону) обыкновенный луч о.

Конкретные элементы сечения (рис. 3.8, аРис. 3.08. Поляризационные призмы Николя (а) и Фуко (б)) указаны для Поляризационная призма Николяпризмы Николя, изготовленной из исландского шпата. Трехгранные призмы склеены канадским бальзамом. Чернение на нижней грани призмы обеспечивает поглощение обыкновенного луча о, полностью отражаемого от плоскости склейки. Штриховка на рис. 3.8, аРис. 3.08. Поляризационные призмы Николя (а) и Фуко (б) указывает направление оптических осей кристаллов в плоскости чертежа. Направления электрических колебаний световых волн указаны на лучах, как и ранее (см. рис. 3.7Рис. 3.07. Предельные углы падения фи1 и фи2 лучей света на поляризационную призму Глана - Томсона), штрихами и точками.

Для Поляризатор Фукоукороченной поляризационной призмы Фуко с воздушным зазором (рис. 3.8, бРис. 3.08. Поляризационные призмы Николя (а) и Фуко (б)) используются те же обозначения, что и на рис. 3.8, аРис. 3.08. Поляризационные призмы Николя (а) и Фуко (б). В этом поляризаторе, однако, обыкновенный луч о не поглощается, а выводится в сторону от основного направления, заданного падающим (неполяризованным) лучом и сохраненного выходным (необыкновенным) лучом.

Недостатком поляризационных призм Николя и Фуко (имеющих форму скошенного параллелепипеда) является параллельное смещение лучей, проходящих через такие поляризаторы. Поэтому при вращении призмы Николя или Фуко вокруг своей оси лучи, выходящие из поляризатора, перемещаются по кругу (вращаются).

3.18. Рассмотреть конструкцию и технические особенности поляризационных призм Глана, Глазебрука, Франка - Риттера ссылка на источники литературы.

Все указанные призмы имеют форму прямоугольных параллелепипедов (рис.  3.9Рис. 3.09. Поляризационные призмы Глана (а) и Глазебрука (б), рис. 3.10Рис. 3.10. Поляризационная призма Франка - Риттера), что исключает параллельное смещение проходящих лучей, характерное для поляризаторов Николя и Фуко (рис. 3.8Рис. 3.08. Поляризационные призмы Николя (а) и Фуко (б)). Эти свойства также присущи уже рассмотренной Поляризатор Глана-Томсонапризме Глана - Томсона (рис. 3.7Рис. 3.07. Предельные углы падения фи1 и фи2 лучей света на поляризационную призму Глана - Томсона).

Поляризационная призма Глана представлена на рис. 3.9, аРис. 3.09. Поляризационные призмы Глана (а) и Глазебрука (б). Отмечен воздушный промежуток АВ между двумя трехгранными призмами. Точки на этих призмах указывают, что оптические оси призм перпендикулярны плоскости рисунка. Здесь, как и ранее, направления колебаний электрического вектора обыкновенного о и необыкновенного е лучей указаны штрихами и точками.

Поляризатор ГлазебрукаПоляризатор Глазебрука показан на рис. 3.9, бРис. 3.09. Поляризационные призмы Глана (а) и Глазебрука (б). При склейке в плоскости АВ канадским бальзамом необходимое разделение обыкновенного и необыкновенного лучей (при полном внутреннем отражении луча о) достигается, если преломляющий угол α = 12,1°, при использовании для склейки льняного масла угол α = 14°, для глицерина угол α = 17,3°. Оптические оси кристаллов обеих прямоугольных призм перпендикулярны плоскости рисунка и указаны точками.

Поляризатор Франка-РиттераПоляризационная призма Франка - Риттера (склеенная канадским бальзамом) представлена на рис. 3.10Рис. 3.10. Поляризационная призма Франка - Риттера, причем на рис. 3.10, аРис. 3.10. Поляризационная призма Франка - Риттера показан вид сбоку, а на рис. 3.10, бРис. 3.10. Поляризационная призма Франка - Риттера - вид по ходу луча. Оптические оси прямоугольных призм направлены под углом 45° к плоскости (рис. 3.10, аРис. 3.10. Поляризационная призма Франка - Риттера) и под углом 90° к плоскости поляризации необыкновенного луча.

3.19. Пояснить технические особенности поляризатора ссылка на источники литературы, представленного на рис. 3.11.Рис. 3.11. Поляризатор из стекла и исландского шпата

В таком поляризаторе используются две призмы из стекла с прослойкой из исландского шпата или кристаллического кварца (анизотропного одноосного кристалла). При этом показатель преломления стекла приблизительно равен большему показателю преломления кристалла. На пластине из шпата (или кварца) необыкновенный луч полностью отражается, а обыкновенный луч проходит через пластину, не изменяя направления.

3.20. Рассмотреть особенности конструкции поляризационной призмы Аренса, показанной на рис. 3.12.Рис. 3.12. Поляризатор Аренса

Поляризатор АренсаПоляризатор Аренсассылка на источники литературы состоит из трех трехгранных призм, что позволяет уменьшить размеры призмы, но вместе с тем уверенно обеспечить полное внутреннее отражение обыкновенных лучей о.

3.21. Пояснить технические особенности, классифицировать варианты построения двухлучевых поляризационных призм ссылка на источники литературы.

В двухлучевом поляризаторе составные трехгранные призмы имеют такую взаимную ориентацию оптических осей, при которой обыкновенный и необыкновенный лучи отклоняются на границе раздела на различные углы, причем на выходе поляризатора фиксируются два пучка света, линейно поляризованных в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Распространение получили различные варианты двухлучевых (двоякопреломляющих) поляризационных призм, представленные на рис. 3.13Рис. 3.13. Двухлучевые поляризационные призмы Рошона (а), Сенармона (б), Волластона (в), из исландского шпата и стекла (г), Аббе (д). Отметим особенности рассматриваемых рисунков: штриховка указывает направление оптических осей кристаллов в плоскости рисунка; штрихи и точки на лучах указывают направления колебаний электрического вектора

Активно применяются Двулучевая призма Рошонадвухлучевые призмы Рошона (рис. 3.13, аРис. 3.13. Двухлучевые поляризационные призмы Рошона (а), Сенармона (б), Волластона (в), из исландского шпата и стекла (г), Аббе (д)) и Двулучевая призма СенармонаСенармона (рис. 3.13, бРис. 3.13. Двухлучевые поляризационные призмы Рошона (а), Сенармона (б), Волластона (в), из исландского шпата и стекла (г), Аббе (д)); в этих поляризаторах один (обыкновенный) луч не изменяет направления, проходя через призму, а другой (необыкновенный) луч выходит из призмы под углом θ = (n0 - ne) tgα, где α - преломляющий угол трехгранных призм. По оценкам, θ = 5-6°.

В Двулучевая призма Волластонадвухлучевой поляризационной призме Волластона (рис. 3.13, вРис. 3.13. Двухлучевые поляризационные призмы Рошона (а), Сенармона (б), Волластона (в), из исландского шпата и стекла (г), Аббе (д)) обеспечивается удвоенный угол (~2θ) расхождения обыкновенного и необыкновенного лучей (около 10°), причем при перпендикулярном падении входного (неполяризованного) луча света входящие лучи отклоняются от исходного направления в равной степени (симметрично).

Двухлучевой является поляризационная призма (рис. 3.13, гРис. 3.13. Двухлучевые поляризационные призмы Рошона (а), Сенармона (б), Волластона (в), из исландского шпата и стекла (г), Аббе (д)), состоящая из стеклянной призмы и призмы из анизотропного кристалла (исландского шпата или кварца).

В Двулучевая призма Аббедвухлучевой призме Аббе (рис. 3.13, дРис. 3.13. Двухлучевые поляризационные призмы Рошона (а), Сенармона (б), Волластона (в), из исландского шпата и стекла (г), Аббе (д)), составленной из двух стеклянных призм и призмы из поляризующего кристалла, необыкновенный луч не изменяет исходного направления, заданного падающим лучом, а отклоняется лишь обыкновенный луч.

3.22. Пояснить принципы построения и действия фазовых пластин, изготовленных из кристаллов с естественной оптической анизотропией ссылка на источники литературы.

Такие Фазовая пластинапластины относятся к разряду оптических компенсаторов, которые сообщают двум лучам света определенную разность хода или, напротив, уменьшают (компенсируют) уже имеющуюся разность хода лучей. В анизотропных пластинах, изготовленных из кварца, слюды, турмалина, обеспечивается двойное лучепреломление, причем обыкновенный и необыкновенный лучи поляризуются в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Скорости этих лучей в кристалле (а следовательно, и оптические длины их путей) различны, поэтому, проходя через кристалл, лучи приобретают разность хода, определяемую его толщиной.

Если оптические оси кристалла параллельны плоскости пластины (рис. 3.14Рис. 3.14. Фазовая пластина: а - анизотропные свойства; б - распространение обыкновенного и необыкновенного лучей), то фазовая разность между обыкновенным и необыкновенным лучами, набегающая в результате прохождения лучей через пластину толщиной d, определяется соотношением

где λ - длина волны Оптическое излучениеоптического излучения, n0 и ne - коэффициенты преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей.

Важно подчеркнуть, что фазовые пластины должны иметь толщину, строго соответствующую заданной длине волны, на которую они рассчитаны.

3.23. Выделить и рассмотреть стандартные (наиболее распространенные) фазовые пластины.

Активно применяются четвертьволновые (Г = π/2) и полуволновые (Г = π) фазовые пластины ссылка на источники литературы, представленные на рис. 3.15Рис. 3.15. Четвертьволновая (а) и полуволновая (б) фазовые пластины.

Луч света, падающий на четвертьволновую пластину (рис. 3.15, аРис. 3.15. Четвертьволновая (а) и полуволновая (б) фазовые пластины), имеет линейную поляризацию с углом 45° относительно оптических осей кристалла. После такой пластины фазовый сдвиг обыкновенной и необыкновенной составляющих выходного луча достигает 90°. Поэтому возникает вращение электрического вектора вправо и свет приобретает правостороннюю круговую поляризацию.

В полуволновой фазовой пластине (рис. 3.15, бРис. 3.15. Четвертьволновая (а) и полуволновая (б) фазовые пластины) выходной луч света остается линейно поляризованным, но развернутым относительно падающего луча на 90°. Вместе с тем такая пластина преобразует свет с правосторонней круговой поляризацией в оптическое излучение с левосторонней круговой поляризацией (и наоборот).

3.24. Пояснить назначение и функциональные возможности анализаторов.

Такие устройства служат для анализа характера поляризации оптических колебаний, позволяют обнаружить линейно поляризованный свет и определить плоскость его поляризации. В качестве анализаторов используются поляризаторы (призмы, пластины), жестко выделяющие определенное (линейно поляризованное) оптическое излучение. Если плоскости поляризации падающего света и анализатора совпадают, то анализатор пропускает поляризованный свет с минимальными потерями. В других вариантах поляризации падающего света анализатор пропускает лишь определенную компоненту (долю) оптического излучения. Если плоскости поляризации падающего света и анализатора взаимно перпендикулярны (ортогональны), то светопропускание анализатора минимально.

3.3.
Электрооптические модуляторы и дефлекторы

3.25. Пояснить назначение и функциональные особенности модуляторов и дефлекторов оптического излучения (света).

Модулятор оптического излученияМодулятором света является устройство, изменяющее по определенному закону амплитуду (интенсивность), фазу, частоту или поляризацию электромагнитного излучения оптического диапазона (видимого света, ультрафиолетового и инфракрасного излучений). Модуляция дает возможность путем внешних (электрических, магнитных, упругих) воздействий сообщить потоку света определенную (аналоговую или цифровую) информацию. Использование информационных оптических сигналов весьма эффективно в быстродействующей технике передачи, обработки, записи информации большого объема, в прецизионных устройствах и системах измерения, исследования, регулирования и контроля.

Дефлектор оптического излученияДефлекторы света позволяют управлять направлением, ориентированием, распространением оптического излучения. При этом дефлекторы непрерывного действия обеспечивают плавное отклонение луча света (с изменяющимся, не жестко фиксированным положением луча в пространстве). Дефлекторы дискретного действия переводят лучи света в строго определенные (четко квантованные) положения и направления.

3.26. Рассмотреть принципы построения и действия Модулятор оптического излученияпродольного электрооптического модулятора ссылка на источники литературы.

Базовой является схема модулятора (рис. 3.16Рис. 3.16. Продольный электрооптический модулятор), содержащая входной поляризатор, электрооптический кристалл и выходной анализатор. На кристалл (в данном варианте в продольном направлении) может быть подано внешнее напряжение U. Входной неполяризованный свет, проходя через поляризатор (призму или пластину), поляризуется и поступает (вводится) в кристалл. Если напряжение U = 0, то кристалл является изотропным и пропускает входной поляризованный свет, не изменяя его поляризации. На выходе устройства (рис. 3.16Рис. 3.16. Продольный электрооптический модулятор) действует анализатор, ориентированный (поляризованный) под углом 90° к плоскости входного поляризованного света. Поэтому при U = 0 анализатор не пропускает оптическое излучение на выход модулятора.

При подаче (плавном нарастании) напряжения U базовый кристалл поляризуется и по мере увеличения уровня U изменяет плоскость поляризации проходящего света. Если такое изменение угла поляризации на выходе кристалла (входе анализатора) достигает 90°, то кристалл по условиям поляризации оказывается согласованным с анализатором, который теперь пропускает поляризованный свет без заметных потерь. Таким образом, изменение электрического напряжения U позволяет эффективно изменять (коммутировать, модулировать) поток оптического излучения (света).

3.27. Рассмотреть и объяснить появление фазового сдвига Г обыкновенного и необыкновенного лучей в процессе поляризации света в Модулятор оптического излученияпродольном электрооптическом модуляторе (рис. 3.16Рис. 3.16. Продольный электрооптический модулятор).

Полагаем, что вдоль оси z (вглубь кристалла) проникает оптический поток, поляризованный на входе кристалла вдоль оси х (рис. 3.17, аРис. 3.17. Фазовый сдвиг оптических лучей в продольном электрооптическом модуляторе); интенсивность такого потока изменяется синусоидально. При подаче внешнего электрического напряжения U возникает искусственная (наведенная) анизотропия кристалла и оптический поток разделяется на два луча (обыкновенный и необыкновенный), продвигающиеся вдоль кристалла с разными скоростями c/n0 и c/ne, где с - скорость света в вакууме, а n0 и ne&nbso;– коэффициенты преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле.

Необыкновенный луч, постепенно продвигаясь вглубь кристалла, поляризуется вдоль оси у; его интенсивность тоже изменяется синусоидально; однако фазовые соотношения гармонических изменений обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении z все более и более различаются. Возникает характерный фазовый сдвиг Г, причем разность фаз пропорциональна пройденному расстоянию и зависит от приложенного напряжения U. На рис. 3.17, а, бРис. 3.17. Фазовый сдвиг оптических лучей в продольном электрооптическом модуляторе показано постепенное увеличение фазового сдвига Г вдоль оси z (вглубь кристалла). В начале процесса (при z = 0) сдвиг Г = 0; в середине кристалла (при z = L/2, где L - длина кристалла) сдвиг Г = π/2; на выходе кристалла (при z = L) сдвиг Г = π. Существенно, что в этот (заключительный) момент интенсивность необыкновенного луча на выходе электрооптического кристалла достигает максимального значения.

3.28. Определить зависимость фазовой задержки Г в продольном электрооптическом модуляторе от уровня приложенного напряжения U и параметров кристалла.

Обыкновенный и необыкновенный лучи проходят кристалл длиной L с неодинаковыми скоростями c/n0 и c/ne за различное время. Эта временная разность (опережение или задержка) Δt = LΔn/c, непосредственно связанная с величиной двойного лучепреломления Δn = n0 - ne, приводит к фазовому сдвигу Г = 2πνΔt = 2πνLΔn/c, который целесообразно определить и записать в форме

В кристалле с линейным электрооптическим эффектом величина двойного лучепреломления Δn пропорциональна напряженности электрического поля Е: Δn = kE. Параметр

зависит ссылка на источники литературы от электрооптического коэффициента rmn с целочисленными индексами m = 1-3, n = 1-6. Коэффициент rmn определяется конкретными свойствами (материалом, структурой) кристалла и характеризует степень воздействия электрического поля Е на величину двойного лучепреломления Δn кристалла.

Электрическое поле, действующее в Модулятор оптического излученияпродольном модуляторе, Е = U/L; поэтому [с учетом и ] фазовый сдвиг

Согласно сдвиг Г пропорционален напряжению U, но не зависит от длины L кристалла.

3.29. Определить и сформулировать требования к полуволновому электрическому напряжению Uπ продольного электрооптического модулятора.

Согласно рис. 3.17Рис. 3.17. Фазовый сдвиг оптических лучей в продольном электрооптическом модуляторе необходимый фазовый сдвиг Г = π на выходе электрооптического кристалла обеспечивается при соблюдении ряда условий, в частности при строго определенном напряжении Uπ, поданном на кристалл в продольном направлении (рис. 3.16Рис. 3.16. Продольный электрооптический модулятор). При этом в первую очередь учитывается, что сдвиг Г = π соответствует половине длины волны λ света; поэтому в кристалле длиной L в таких условиях должна «набегать» конкретная разность коэффициентов (величина двойного лучепреломления):

Условие выполняется при определенном внешнем напряжении Uπ, которое часто называют полуволновым напряжением. Искомую формулу для напряжения Uπ получаем из соотношения (), полагая Г = π:

С учетом зависимость () можно записать весьма компактно:

3.30. Для Модулятор оптического излученияэлектрооптических модуляторов указать:

  • материалы используемых кристаллов;

  • электрооптические свойства применяемых материалов.

Распространенными материалами с Эффект Поккельсалинейным электрооптическим эффектом Поккельса являются ссылка на источники литературы дегидрофосфат калия КH2РO4 (известный как KDP) и его дейтерированная (с изотопом водорода - дейтерием D) модификация KD2PO4 (DKDP). Успешно применяются электрооптические кристаллы дегидрофосфата аммония NH4H4H2PO4 (ADP) и их дейтерированные варианты; перспективны ниобат лития LiNbO3 и танталат лития LiTaO2.

Эффект КерраКвадратичный электрооптический эффект Керра четко проявляется в титанате бария BaTiO3, танталате-ниобате калия KTaxNb1-xO3 (KTN), а также в жидкостях: сероуглероде, нитробензоле.

Для интегральной оптики (с полупроводниковыми лазерами) важное значение имеют электрооптические свойства арсенида галлия GaAs, фосфида галлия GaP и других полупроводниковых соединений.

Существенные свойства ряда электрооптических материалов представлены в табл. 3.1 ссылка на источники литературы.

  rmn, 10-12  / no, ne

λ=0,55

10-12  /
КH2PO4(KDP) r41=8,6

r63=10,6

no=1,51

ne=1,47

29

34

КH2PO4(DKDP) r63=23,6 ≈1,50 80
NH4H2PO4(ADP) r41=28

r63=8,5

no=1,52

ne=1,48

95

27

LiNbO3 r22=3,4 no=2,22

ne=2,20

37
LiTaO3 r33=30,3 no=2,175

ne=2,180

314

3.31. Определить уровни полуволнового напряжения Uπ для продольных электрооптических модуляторов, использующих кристаллы KDP, DKDP, ADP, LiNbO3, LiTaO3.

Для расчета напряжения Uπ следует использовать формулу и данные табл. 3.1. В результате несложно получить, что Uπ = 8 и 9,5 кВ (для KDP), 3,4 кВ (для DKDP), 2,9 и 10 кВ (для ADP), 7,4 кВ (для LiNbO3), 0,9 кВ (для LiTaO3).

3.32. Пояснить принцип действия фазового электрооптического модулятора.

В фазовом модуляторе ссылка на источники литературы, представленном на рис. 3.18Рис. 3.18. Фазовый электрооптический модулятор действуют входной поляризатор и электрооптический кристалл, а выходной анализатор, изменяющий интенсивность поляризованного излучения, отсутствует. В рассматриваемом техническом варианте базовым является электрооптический кристалл KDP, причем падающий на кристалл пучок света поляризован параллельно оси у, которая в данном случае является осью поляризации необыкновенного луча в кристалле KDP. Поэтому при подаче на кристалл внешнего электрического напряжения U состояние поляризации пучка света, проходящего через кристалл, не изменяется, но в зависимости от уровня переменного (модулирующего) напряжения U согласно изменяется (модулируется) фаза выходного пучка света относительно опорной фазы входного поляризованного пучка. Действие такой фазовой модуляции оптического пучка показано на рис. 3.18Рис. 3.18. Фазовый электрооптический модулятор.

3.33. Определить и построить зависимость коэффициента пропускания a продольного электрооптического модулятора (рис. Рис. 3.16. Продольный электрооптический модулятор3.16) от приложенного напряжения U.

Коэффициент пропускания a Модулятор оптического излучениямодулятора рассматривается как отношение потоков ΦвыхвхФвх или интенсивностей Jвых/Jвх выходного и входного пучков поляризованного света.

Плоскость поляризации света, проходящего через электрооптический кристалл, зависит от напряжения U. При полной поляризации (на уровне напряжения U = Uπ) кристалл в устройстве (рис. 3.16Рис. 3.16. Продольный электрооптический модулятор) согласован с выходным анализатором таким образом, чтобы поляризованный свет проходил в выходной канал модулятора без потерь. В этом режиме коэффициент пропускания α = 1. Вместе с тем при U = 0 коэффициент α = 0.

Согласно расчетам ссылка на источники литературы в модуляторе с линейным электрооптическим эффектом зависимость коэффициента пропускания α от приложенного напряжения U определяется соотношением

Согласно

коэффициент a составляет 0,25 при U = Uπ/3, увеличивается до 0,5 при U = Uπ/2 и достигает 0,75 при U = 2Uπ/3. Эти и другие особенности зависимости α = Ψ(U) наглядно иллюстрируются рис. 3.19Рис. 3.19. Зависимость коэффициента пропускания a продольного электрооптического модулятора от приложенного напряжения U.

3.34. Используя аналитическую зависимость , графически показать действие Модулятор оптического излученияэлектрооптического модулятора в режиме жесткой коммутации (включения и выключения) проходящего пучка света.

В таком режиме управляющее напряжение U изменяется в широких пределах: от 0 до Uπ (при неограниченном пропускании поляризованного света) и от пропускания a продольного электрооптического модулятора от приложенного напряжения U до 0 (в режиме полного прерывания пучка оптического излучения). Особенности управления электрооптическим модулятором импульсами напряжения U(t) значительной амплитуды ясны из временных диаграмм, представленных на рис. 3.20Рис. 3.20. Действие электрооптического модулятора в режиме жесткой коммутации пучка света.

3.35. Пояснить механизм амплитудной модуляции потока света с использованием управляемого электрооптического устройства (рис. 3.16Рис. 3.16. Продольный электрооптический модулятор).

При амплитудной модуляции оптического излучения используется крутой квазилинейный участок характеристики пропускания α = Ψ(U) (рис. 3.19Рис. 3.19. Зависимость коэффициента). Для этого рабочая точка Q модулятора в статическом режиме (рис. 3.21Рис. 3.21. Амплитудная модуляция потока света управляемым электрооптическим устройством) выводится на уровень αQ = 0,5 при напряжении UQ = 0,5Uπ. Модулирующее, например синусоидальное, напряжение Um(t) = Umsinωmt небольшой амплитуды Um изменяет напряжение U в пределах 0,5Uπ + Umsinωmt. При этом рабочая точка модулятора не выходит за пределы приемлемо линейного участка характеристики пропускания (по существу, модуляционной характеристики), а модулированный поток света Ф(t) изменяется по закону, близкому к синусоидальному.

3.36. Обосновать варианты технической реализации режима амплитудной модуляции потока света, рассмотренного в рамках задачи 3.35.

Согласно рис. 3.21Рис. 3.21. Амплитудная модуляция потока света управляемым электрооптическим устройством рабочую точку Q амплитудного модулятора можно перевести на крутой участок модуляционной характеристики двумя техническими приемами:

    - обеспечивая постоянное напряжение смещения UQ = Uπ/2;

    - создавая искусственным путем дополнительную фазовую задержку ГQ = π/2.

Чаще используется второй вариант; схема его реализации представлена на рис. 3.22Рис. 3.22. Амплитудный электрооптический модулятор с четвертьволновой фазовой пластиной. Основные компоненты базового модулятора (рис. 3.16Рис. 3.16. Продольный электрооптический модулятор): входной поляризатор 1, электрооптический кристалл 2, выходной анализатор 3, поляризованный (ориентированный) под углом 90° к плоскости поляризации света на входе кристалла, - сохраняются. Однако дополнительно вводится четвертьволновая пластина 4 (рис. 3.15, аРис. 3.15. Четвертьволновая (а) и полуволновая (б) фазовые пластины), которая и создает необходимый фазовый сдвиг Г = pπ/2 между выходным лучом кристалла и входом анализатора.

3.37. Пояснить принцип действия поперечного электрооптического модулятора ссылка на источники литературы.

Такой модулятор, представленный на рис. 3.23Рис. 3.23. Поперечный электрооптический модулятор, содержит входной поляризатор, электрооптический кристалл, выходной анализатор и в компонентном составе не имеет заметных отличий от продольного модулятора (рис. 3.16Рис. 3.16. Продольный электрооптический модулятор). Однако в данном случае внешнее (управляющее) напряжение U подается на боковые (верхнюю и нижнюю) плоскости (грани) кристалла; поэтому в кристалле создается поперечное электрическое поле E = U/d, которое существенно зависит от размера (толщины) d кристалла вдоль поля Е.

В модуляторе (рис. 3.23Рис. 3.23. Поперечный электрооптический модулятор) плоскость входного поляризатора развернута относительно оси у на 45°; поэтому на входной торец кристалла падает линейно поляризованный свет с плоскостью поляризации, расположенной под углом 45° к оси у. Далее уже в электрооптическом кристалле за счет двойного лучепреломления поступающий (поляризованный) свет разделяется на две компоненты: обыкновенный луч, который в объеме кристалла поляризуется вдоль оси х, и необыкновенный луч, который, проходя кристалл, постепенно поляризуется вдоль оси у. Обе компоненты поляризованного света распространяются в кристалле в одном направлении (вдоль оси z) и пространственно не разделены. Электрическое поле в поперечном модуляторе действует перпендикулярно направлению распространения света.

Обыкновенный и необыкновенный лучи проходят через кристалл с неодинаковой скоростью и на выходе кристалла приобретают фазовый сдвиг, соответствующий половине длины волны (λ/2), что равносильно повороту направления Поляризация светаполяризации на угол 90°. Плоскости поляризации входного поляризатора и выходного анализатора взаимно перпендикулярны (сдвинуты на 90°). Поэтому анализатор по условиям поляризации согласован с кристаллом и пропускает поляризованный луч, выходящий из кристалла, без существенных препятствий и потерь.

3.38. Определить зависимость фазовой задержки Г в Модулятор оптического излученияпоперечном электрооптическом модуляторе от уровня приложенного напряжения U и параметров кристалла. Сравнить полученный результат с зависимостью , характеризующей продольный электрооптический модулятор.

Базовым является соотношение Г = 2πΔnL/λ, дублирующее формулу и отражающее непосредственную связь фазового сдвига Г и величины двойного лучепреломления Δn = n0 - ne. В кристалле с линейным электрооптическим эффектом справедлива пропорциональная связь Δn = kE. Однако согласно исследованиям ссылка на источники литературы в данных технических условиях (поперечном электрическом поле E = U/d, 45°-й поляризации падающего света) коэффициент

т.е. вдвое меньше, чем коэффициент k, определяющий согласно воздействие продольного электрического поля E = U/L на величину двойного лучепреломления. В результате получаем, что фазовый сдвиг в поперечном электрооптическом модуляторе

линейно зависит от приложенного напряжения U, длины кристалла L и обратно пропорционален поперечному размеру (толщине) d кристалла.

Фазовые сдвиги яю< и Г(┴) в электрооптическом кристалле с продольным и поперечным электрическими полями согласно и взаимосвязаны:

Таким образом, параметр Г(┴)Модулятор оптического излучениямодулятора с поперечным полем в отличие от параметра яю< зависит от отношения длины и толщины электрооптического кристалла, что позволяет, применяя кристаллы в форме длинных и узких параллелепипедов (с отношением L >> 2d), существенно увеличить фазовый сдвиг Г(┴) по сравнению с величиной яю<.

3.39. Определить и сформулировать требования к полуволновому напряжению Uπ в поперечном электрооптическом модуляторе. Сопоставить параметры Uπ(║) и Uπ(┴) модуляторов с продольным и поперечным полями.

При напряжении U = Uπ фазовый сдвиг Г должен достигать π. Учитывая это условие и соотношение , получаем, что для электрооптического модулятора с поперечным полем E = U/d полуволновое напряжение

Сопоставляя параметры Uπ(║) и Uπ(┴), полученные согласно и соответственно для продольного и поперечного модуляторов, получаем взаимосвязь:

Согласно управляющее напряжение модулятора с поперечным полем можно существенно уменьшить, используя электрооптические кристаллы в форме тонких и длинных параллелепипедов (с отношением 2d/L << 1).

3.40. Сравнить особенности конструкции, технические достоинства и недостатки продольных и поперечных электрооптических модуляторов.

В продольном модуляторе управляющее напряжение U приложено к торцам электрооптического кристалла, что заставляет использовать прозрачные электроды или металлические (непрозрачные) электроды с отверстием в центре для беспрепятственного ввода и вывода оптического излучения. В поперечном модуляторе металлические электроды для подключения управляющего напряжения U размещены на верхней и нижней плоскостях (гранях) кристалла и не препятствуют вводу, распространению и выводу оптического излучения.

Весьма важным параметром Модулятор оптического излученияэлектрооптических модуляторов является полуволновое напряжение Uπ. Для продольных модуляторов это напряжение является высоким (1-10 кВ); в поперечных модуляторах напряжение Uπ существенно меньше (сотни и даже десятки вольт). Уровни (перепады) управляющих напряжений U непосредственно влияют на быстродействие модуляторов, поскольку сформировать высоковольтные импульсы напряжения, следующие с большой частотой, очень непросто. К тому же следует учитывать, что электрооптический кристалл представляет заметную емкостную нагрузку (десятки пикофарад) для источника управляющих сигналов U(t). Поэтому по быстродействию и частотным характеристикам продольные модуляторы заметно уступают модуляторам с поперечным электрическим полем.

Вместе с тем продольные модуляторы некритичны к размерам (длине, толщине) электрооптического кристалла, что дает возможность, в частности, использовать кристаллы с большим входным отверстием (апертурой). В поперечных модуляторах снижение полуволнового напряжения Uπ достигается за счет существенного уменьшения толщины (площади сечения) электрооптического кристалла, что резко сокращает входное отверстие (апертуру) модулятора.

Существенно различаются области применения Модулятор оптического излученияпродольных и поперечных модуляторов. Менее быстродействующие продольные модуляторы успешно используются для преобразования низкочастотной (например, звуковой) информации, ориентированного на относительно медленное изменение интенсивности, поляризации, фазы лазерного излучения. Поперечные модуляторы активно применяются в высокоскоростных и широкополосных устройствах.

3.41. Оценить влияние естественной анизотропии электрооптического кристалла на параметры и характеристики модулятора.

Материалы, используемые для электрооптических модуляторов, как правило, не являются «чисто» изотропными (), имеют различные коэффициенты преломления для обыкновенного (n0) и необыкновенного (ne) лучей и осуществляют (в определенной степени) двойное лучепреломление даже при отсутствии внешнего (продольного или поперечного) электрического поля.

Влияние исходной разности коэффициентов n0 и ne на фазовый сдвиг

рассчитано ссылка на источники литературы для поперечного электрооптического модулятора, содержащего KDР-кристалл, который согласно табл. 3.1 имеет коэффициент преломления n0 = 1,51 и ne= 1,47 на длине волны λ = =0,55 мкм. Таким образом, фазовый сдвиг Г в анизотропном кристалле содержит составляющую, непосредственно не связанную с приложенным напряжением U.

Фазовый сдвиг Г достигает p при полуволновом напряжении

что позволяет записать соотношение в виде

3.42. Пояснить техническое решение ссылка на источники литературы, предполагающее последовательное включение двух электрооптических кристаллов (рис. 3.24Рис. 3.24. Модулятор с двумя электрооптическими кристаллами).

Рассматриваемое устройство содержит поляризатор 1, управляемые кристаллы 2 и 3, анализатор 4. Учитывается, что показатели преломления n0 и ne зависят от температуры. Эта зависимость приводит к определенным температурным изменениям фазового сдвига и модуляционной характеристики электрооптического устройства. Необходимую температурную компенсацию обеспечивают два электрооптических кристалла, включенных под углом 90° (ортогонально).

3.43. Пояснить использование электрооптического кристалла в качестве электрически регулируемого затвора, который позволяет резко изменять (модулировать) добротность лазера ссылка на источники литературы.

Базовыми являются компоненты лазерной системы (резонатор Фабри - Перо, активная среда), представленные на рис. 3.25Рис. 3.25. Электрооптическое управление добротностью рубинового лазера. В резонаторе, содержащем два параллельных (плоских или вогнутых) зеркала 1 и 2, кроме лазерного (например, рубинового) кристалла 3 размещены поляризатор 4 и электрооптический кристалл 5, управляемый внешним (импульсным) напряжением U.

При накачке лазера мощной лампой-вспышкой к Электрооптический кристаллэлектрооптическому кристаллу приложено значительное электрическое напряжение U, поэтому фазовый сдвиг линейно поляризованного лазерного излучения равен π/2. На выходе электрооптического кристалла свет, бегущий вправо, достигает зеркала 2, отражается и еще раз проходит через электрооптический кристалл. Дополнительный фазовый сдвиг π/2 увеличивает суммарную фазовую задержку до величины π; поэтому лазерный пучок жестко задерживается поляризатором. По существу управляющее напряжение U, поданное на электрооптический кристалл, создает в лазерном резонаторе большие энергетические потери и исключает генерацию лазерного излучения.

Резкое уменьшение управляющего напряжения U в нужный момент (когда Инверсия населенностей энергетических уровнейинверсия населенностей в активной среде лазера достигает максимального уровня) позволяет ликвидировать фазовую задержку поляризованного излучения в электрооптическом кристалле и эффективно пропустить быстро нарастающее лазерное излучение. Управляемый кристалл уже не препятствует резкому повышению добротности лазера и активному увеличению мощности лазерного излучения.

3.44. Рассмотреть действие Электрооптический кристаллэлектрооптического кристалла (рис. 3.26Рис. 3.26. Электрооптическая модуляция добротности рубинового лазера), модулирующего добротность рубинового лазера ссылка на источники литературы.

И в этом случае (см. также рис. 3.25Рис. 3.25. Электрооптическое управление добротностью рубинового лазера) базовым оказывается лазерный резонатор с двумя параллельными зеркалами. Активную среду создает рубин, но дополнительно используются анизотропия кристалла рубина и возникающая таким путем поляризация света (в горизонтальной плоскости). Лазерное излучение в подобной ситуации не проходит через анализатор (поляризационную призму). Однако электрооптический кристалл (затвор), управляемый внешним (импульсным) напряжением, может повернуть плоскость поляризации проходящего света на 90°, пропустить его через анализатор и резко восстановить добротность лазера, что в итоге форсирует возникновение лазерных колебаний.

Таким образом, по материалам задач 3.43 и 3.44 можно четко выделить стадии, характерные для рассматриваемых устройств (рис. 3.25Рис. 3.25. Электрооптическое управление добротностью рубинового лазера и рис. 3.26Рис. 3.26. Электрооптическая модуляция добротности рубинового лазера):

  • в резонаторе между зеркалами и активной средой размещен управляемый поглотитель оптического излучения;

  • в процессе накачки активной среды поглотитель непрозрачен и генерация лазерных колебаний невозможна;

  • при быстром переключении (просветлении) поглотителя (путем четко сфазированных энергетических сдвигов) лазерный цикл генерации автоколебаний замыкается и накопленная (в процессе внешней накачки) энергия «выплескивается» через выходное (полупрозрачное) зеркало лазерного резонатора во внешние каналы и маршруты.

3.45. Пояснить терминологию и классификацию

  • электрооптических дефлекторов.

    ДефлекторДефлектор (от лат. deflecto - отклоняю, отвожу) используется по прямому назначению для отклонения световых пучков. При построении управляемых дефлекторов базовым является электрооптический эффект.

    В аналоговых дефлекторах отклонение луча света управляющим напряжением осуществляется плавно и непрерывно (в широком диапазоне возможных направлений). Для дискретных дефлекторов набор возможных положений (направлений) луча света заранее установлен (жестко квантован и фиксирован).

    3.46. Рассмотреть и аналитически описать механизм отклонения Лазерный пучокпучка света в Электрооптический дефлектораналоговом электрооптическом дефлекторе.

    Действие устройства такого типа поясним с привлечением диаграммы ссылка на источники литературы, приведенной на рис. 3.27Рис. 3.27. Отклонение пучка света в аналоговом электрооптическом дефлекторе. Полагаем, что вдоль электрооптического кристалла толщиной D в направлении у распространяется пучок света (оптический волновой фронт), причем коэффициенты преломления составляющих (лучей) пучка зависят от поперечной координаты х (перпендикулярно направлению света). Для луча В в нижней части пучка света показатель преломления кристалла равен n, а скорость продвижения луча составляет c/n. Кристалл длиной L этот луч проходит за время TB = Ln/c. Если показатель преломления линейно увеличивается в направлении х и для верхнего луча (по маршруту А) достигает n + Δn, то луч А проходит кристалл за время TA = L(n + Δn)/c. В результате луч А на выходе из кристалла отстает от луча В на отрезок

    что приводит к отклонению от горизонтальной оси (и повороту фронта) Лазерный пучокпучка света на угол θ'.

    Согласно рис. 3.27Рис. 3.27. Отклонение пучка света в аналоговом электрооптическом дефлекторе tgθ' = Δy/D. Поскольку в реальных условиях Δy << D, справедливы оценки tgθ'≈ sinθ'≈θ'. Таким образом, искомое отклонение

    При выходе из кристалла лучи отклоняются на угол θ, соответствующий условию sinθ/sinθ' = n. В результате с учетом оказывается, что рассматриваемый дефлектор отклоняет пучок света на угол

    Если в дефлекторе используется кристалл с Электрооптический эффектлинейным электрооптическим эффектом, то Δ = kE и приложенное электрическое поле Е позволяет плавно изменить угол отклонения θ.

    3.47. Пояснить конструкцию и принцип действия аналогового дефлектора, построенного на электрооптическом KDP-кристалле ссылка на источники литературы.

    Электрооптический дефлекторЭлектрооптический дефлектор такого типа представлен на рис. 3.28Рис. 3.28. Аналоговый электрооптический дефлектор. Применяются кристаллы дегидрофосфата калия KH2PO4 (KDP) с линейным электрооптическим эффектом Поккельса. Дефлектор составлен из двух KDP-призм, ребра которых ориентированы вдоль направлений х', у' и z. Оси z этих призм ориентированы навстречу друг другу. Внешнее электрическое поле действует параллельно направлению z, свет, поляризованный вдоль х', распространяется в направлении у. В этом случае показатель преломления для луча А (см. рис. 3.27Рис. 3.27. Отклонение пучка света в аналоговом электрооптическом дефлекторе), который распространяется только в верхней призме, определяется выражением

    В нижней призме знак электрического поля относительно оси z меняется на обратный, поэтому для луча В (рис. 3.27Рис. 3.27. Отклонение пучка света в аналоговом электрооптическом дефлекторе)

    Подставляя разность в соотношение , получаем угол отклонения

    электрооптического дефлектора (рис. 3.28Рис. 3.28. Аналоговый электрооптический дефлектор).

    3.48. Пояснить принцип действия дискретного (цифрового) электрооптического дефлектора ссылка на источники литературы.

    Технический вариант Электрооптический дефлектордефлектора приведен на рис. 3.29Рис. 3.29. Цифровой электрооптический дефлектор. Используется трехкаскадное устройство, причем каждый каскад содержит входной модулятор (электрооптический кристалл с эффектом Поккельса) 1, управляемый внешним напряжением U, и анизотропный кристалл 2, обеспечивающий двойное лучепреломление. Управляющее напряжение U принимает лишь два дискретных уровня: низкий (нулевой) уровень, соответствующий, например, логическому 0, и высокий уровень, моделирующий логическую 1.

    При подаче напряжения U модулятор поляризует каждый падающий луч, четко разделяя плоскости поляризации обыкновенной и необыкновенной составляющих луча. Следующий за модулятором анизотропный кристалл разводит поляризованные лучи пространственно. В рассматриваемом трехкаскадном устройстве возможны восемь (23) положений луча света 3 на выходе дефлектора.

    3.4.
    Акустооптические преобразователи

    3.49. Пояснить физические особенности, указать технические средства излучения ультразвука.

    УльтразвукУльтразвук - колебательные движения частиц упругой среды (упругие колебания и волны), распространяющиеся в газообразной, жидкой или твердой среде с частотами от 15-20 кГц до 1 ГГц. Более низкие частоты характерны для звука; диапазон сверхвысоких частот от 109 до 1012-1013 Гц соответствует гиперзвуку ссылка на источники литературы.

    Для генерирования ультразвуковых колебаний применяют пьезоэлектрические излучатели, которые энергию высокочастотных электрических колебаний преобразуют в механические (упругие) колебания (микродеформации) той же частоты. Излучателями ультразвука служат пластины или стержни из пьезоэлектрического материала: пьезокварца SiO2, ниобата лития LiNbO3, дигидрофосфата аммония NH4H2PO4. Такие излучатели «обрамлены» металлическими электродами, на которые подается переменное (высокочастотное) электрическое напряжение. Колеблющиеся пластины (или стержни) излучают упругие (ультразвуковые) волны, которые распространяются в окружающей среде.

    3.50. Рассмотреть эффект воздействия ультразвука на вещества (материалы), применяемые в акустооптических преобразователях.

    К Ультразвукультразвуковым воздействиям чувствительны различные материалы: тяжелое оптическое стекло (флинт), двуокись теллура ТеO2, молибданат свинца PbMoO4 и др. Излучатель ультразвука прикрепляется к торцу акусточувствительного кристалла и при подаче переменного электрического напряжения создает в этом кристалле периодические упругие колебания (механические микродеформации). Таким образом, в кристалле, воспринимающем ультразвуковые волны, периодически формируются области сжатия и разрежения. Коэффициенты преломления таких областей, которые в первом приближении пропорциональны плотности среды, различны.

    Действие ультразвука на акустооптическую среду в конкретный (фиксированный) момент времени наглядно иллюстрируется ссылка на источники литературы рис. 3.30Рис. 3.30. Формирование регулярной дифракционной решетки в акустооптической среде. Ультразвуковая волна, распространяясь вдоль оси z, периодически деформирует среду и создает чередующиеся темные полосы сжатия и светлые полосы разрежения. Ритмично (по оси z) изменяется коэффициент преломления n. Таким образом, в кристалле под действием ультразвуковых волн искусственно создается регулярная дифракционная решетка.

    3.51. Для регулярных Дифракционная решеткадифракционных решеток пояснить:

    • принципы построения;

    • особенности формирования в акустооптических средах.

    Согласно ссылка на источники литературы Дифракционная решеткадифракционной решеткой (в оптике) является совокупность большого числа препятствий и отверстий, сосредоточенных в ограниченном пространстве, на которых происходит дифракция света. Такая решетка называется регулярной, если ее элементы распределены по определенному закону, например на равных расстояниях.

    В Акустооптическая средаакустооптической среде (рис. 3.30Рис. 3.30. Формирование регулярной дифракционной решетки в акустооптической среде), возбуждаемой высокочастотными электрическими сигналами напряжения Ep(t), регулярная дифракционная решетка формируется естественно, с помощью ультразвука. Моделируя такую решетку, следует учитывать, что показатель преломления не остается постоянным (больше - в участках сжатия, меньше - в разреженных зонах), поэтому падающая волна света частично отражается от границы разрежения и сжатия (как в полупрозрачном зеркале).

    Ультразвуковые возмущения в направлении оси z (рис. 3.31Рис. 3.31. Акустооптический преобразователь) не изменяют коэффициентов преломления среды в направлениях x и у, перпендикулярных оси z. Поэтому полупрозрачные зеркала акустооптической дифракционной решетки являются плоскими и распределены дискретно, перпендикулярно оси z на расстояниях, равных длине волны λs ультразвуковых волн.

    Связь длины волны λs ультразвука со скоростью его распространения vs в акустооптической среде при заданной частоте возбуждения νs упругих колебаний оказывается несложной: λs = vss . Например, для стекла скорость vs = 3,1 ×103 м/с, что при частоте νs = 60 МГц фиксирует длину волны ультразвука (период дифракционной решетки) на уровне λs = 52 мкм.

    Очевидно ссылка на источники литературы, что Дифракционная решеткаакустооптическая дифракционная решетка является динамической; зоны сжатия и разрежения (рис. 3.30) либо распространяются в среде со скоростью звука vs, либо периодически сменяют друг друга в каждой точке среды. Следует также учитывать, что в акустооптических средах относительное изменение показателя преломления невелико (менее 10-5-10-4).

    3.52. Рассмотреть варианты и схемы акустооптической дифракции ссылка на источники литературы, включая:

    • дифракцию Рамана - Ната (рис. 3.32, аРис. 3.32. Акустооптическая дифракция Рамана - Ната (а) и Брэгга (б));

    • дифракцию Брэгга (рис. 3.32, бРис. 3.32. Акустооптическая дифракция Рамана - Ната (а) и Брэгга (б)).

    Указанные физические эффекты существенно зависят от длины волны падающего света (λ0) и ультразвука (λs), а также от ширины Iвз области взаимодействия света и ультразвука.

    При Дифракция Рамана-Натадифракции РаманРамана - НатНата (рис. 3.32, аРис. 3.32. Акустооптическая дифракция Рамана - Ната (а) и Брэгга (б)) выполняется условие Iвз<< и искривление (рефракция) падающего света после относительно тонкой дифракционной решетки оказывается незначительным. Однако появляются периодические всплески (возмущения) на фронте световой волны с характерными многочисленными дифракционными максимумами (m = 0, ±1, ±2, ±3, ...).!

    Дифракция БрэггаДифракция БрэггБрэгга (рис. 3.32, бРис. 3.32. Акустооптическая дифракция Рамана - Ната (а) и Брэгга (б)) происходит, если ; при этом наблюдается существенное пространственное отклонение всего светового пучка. Такое отклонение происходит в первый (+1 или -1-й) дифракционный максимум, если выполняется условие Брэгга

    где n - показатель преломления кристалла.

    Угол БрэггаУгол Брэгга, под которым в этом случае должен падать луч света, определяется соотношением

    Например, в конкретном варианте λ0 = 0,9 мкм, λs = 52 мкм, n = =1,92 (для тяжелого флинта), угол Брэгга θ = 0,45 мрад или θ = 0,25°. Поскольку sinθ<< 1, можно использовать для оценки угла Брэгга более простое соотношение

    Представленные варианты и схемы дифракции в акустооптической среде являются граничными (заметно идеализированными). Реальная дифракция в такой среде происходит по «своим» закономерностям, занимающим промежуточное положение между дифракционными законами Рамана - Ната и Брэгга.

    3.53. Рассмотреть технический вариант конструкции и особенности функционирования акустооптического модулятора.

    Такой модулятор ссылка на источники литературы представлен на рис. 3.33Рис. 3.33. Акустооптический модулятор. Ультразвук генерируется пьезоэлектрическим излучателем (из ниобата лития LiNbO3), который периодически возбуждается генератором высокочастотного напряжения. Упругие (ультразвуковые) волны создают в акустооптической среде дифракционную решетку, которая непосредственно влияет на распространение (пропускание, поглощение, отражение) падающего оптического излучения. Избыток энергии упругих сил отбирается специальным устройством (поглотителем ультразвука).

    Лучи света, падающие перпендикулярно ультразвуковым волнам, далее распространяются согласно дифракционной картине Рамана - Ната (см. рис. 3.32, аРис. 3.32. Акустооптическая дифракция Рамана - Ната (а) и Брэгга (б)). Лучи света, падающие под углом Брэгга, частично отражаются и тем самым заметно отклоняются (см. рис. 3.32, бРис. 3.32. Акустооптическая дифракция Рамана - Ната (а) и Брэгга (б)).

    3.54. Исследовать схему дифракции падающего оптического излучения в акустооптической среде по механизму Брэгга (рис. 3.32, бРис. 3.32. Акустооптическая дифракция Рамана - Ната (а) и Брэгга (б)).

    Схема такой дифракции на ряде отражателей (полупрозрачных зеркал акустооптической дифракционной решетки) строится (рис. 3.34Рис. 3.34. Дифракция оптического излучения по Брэггу) по методике ссылка на источники литературы. Лучи 1 и 2 оптического пучка падают под углом θi на среду, в которой распространяется ультразвуковая волна. Акустооптическая дифракционная решетка рассматривается как набор полупрозрачных зеркал, отстоящих друг от друга на длину волны λs и движущихся со скоростью νs ультразвука. Анализируется конкретный момент взаимодействия света и ультразвука (зеркала решетки не сдвигаются).

    Луч 1 падающего пучка света отражается от конкретного горизонтального зеркала в точке С под углом θr, а луч 2 - в точке В под углом θk. Точки В и С разделены интервалом x0. Дифракция БрэггаДифракция по Брэггу всех отраженных оптических лучей должна происходить синхронно (в первом дифракционном максимуме) в одном строго определенном направлении. Это достигается, если все точки определенного зеркала решетки излучают (отражают) в заданном направлении в одной фазе.

    Согласно рис. 3.34Рис. 3.34. Дифракция оптического излучения по Брэггу разность оптического хода падающего луча 1 и отраженного луча 2? равна [AC] - [BD] = x0(cosθiqi - cosθk). Эта разность должна быть кратной оптической длине волны λ0/n (где n, как и ранее, показатель преломления среды):

    здесь m = 0, ±1, ±2, ... Соотношение выполняется для любых значений x0 только, если m = 0, что возможно лишь при

    Таким образом, в ходе дифракции Брэгга угол θi падения луча света и угол θk его отражения от Акустооптическая решеткаакустооптической решетки одинаковы. Поэтому на рис. 3.34Рис. 3.34. Дифракция оптического излучения по Брэггу углы θk и θr также равны.

    3.55. Исследовать схему, определить условия сфазированного отражения (по Брэггу) лучей света в акустооптической среде.

    Схема отражения оптических лучей от двух смежных зеркал Акустооптическая решеткаакустооптической решетки (рис. 3.35Рис. 3.35. Сфазированное отражение лучей света в акустооптической среде) построена по методике ссылка на источники литературы. Лучи света падают и отражаются в акустооптической среде под одинаковым углом θ. Однако дифрагированные лучи света даже от двух смежных зеркал решетки, расположенных на расстоянии λs (длины волны ультразвука), имеют оптическую разность хода [AО] - [OB], равную 2λssinθ. Эта разность должна быть кратной оптической длине волны λ0/n:

    Полученное соотношение равноценно известному условию , в значительной степени определяющему дифракцию Брэгга.

    3.56. Представить схему, пояснить принцип действия акустооптического преобразователя (модулятора или дефлектора).

    Такая схема, представленная на рис. 3.36Рис. 3.36. Акустооптический преобразователь (дефлектор) лучей света, содержит необходимые элементы преобразователя оптического излучения: источник ультразвука, управляемый высокочастотным генератором напряжения, акустооптическую среду, поглотитель ультразвука. Луч света, падающий под углом θ, из-за Дифракция Брэггадифракции Брэгга отклоняется от горизонтальной линии (перпендикулярной к акустооптической среде) на угол θ. Поэтому суммарный угол φ дифракционного отклонения от исходного направления падающего луча составляет удвоенное значение:

    Такой угол отклонения луча в схеме (рис. 3.36Рис. 3.36. Акустооптический преобразователь (дефлектор) лучей света) обеспечивается включением источника высокочастотного напряжения.

    3.57. Пояснить виляние длины волны λs и частоты νs ультразвука на угол отклонения φ = 2θ луча света, падающего на акустооптическую среду.

    Согласно соотношению угол Брэгга θ непосредственно зависит от длины волны λs ультразвука, а следовательно, и от его частоты λs = vss:

    Изменяя (например, увеличивая) частоту νs  Ультразвукультразвука, можно существенно изменять (увеличивать) углы θ и φ = 2θ отклонения дифрагированного пучка света. Этот эффект ссылка на источники литературы иллюстрируется рис. 3.37Рис. 3.37. Ультразвуковое управление углом отклонения оптического луча.

    3.58. Указать способы и технические средства управления акустооптическими модуляторами и дефлекторами.

    В таких устройствах в процессах преобразования непосредственно участвуют:

    • падающее Оптическое излучениеоптическое излучение;

    • Акустооптическая средаакустооптическая среда;

    • источник Ультразвукультразвука;

    • генератор высокочастотных сигналов напряжения.

    Однако их роль в гибком, оперативном, экономичном управлении акустооптическими модуляторами и дефлекторами весьма различна.

    Задающим является генератор электрических сигналов. Управляемое, четко контролируемое изменение параметров и характеристик (мощности, амплитуды, частоты следования) таких сигналов оказывается технически несложным. Поэтому управление акустооптическими модуляторами и дефлекторами осуществляется по электрическим каналам.

    Сигналы высокочастотного напряжения преобразуют в ультразвуковые волны, которые формируют Дифракционная решеткадифракционную решетку в акустооптической среде. Параметры решетки непосредственно связаны с мощностью, длиной волны, частотой ультразвука, которые легко изменяются (моделируются) управляющими электрическими сигналами.

    Пассивную, но важную роль играют свойства акустооптической среды: показатель преломления, упругооптический коэффициент, показатель поглощения акустических волн, скорость распространения ультразвука. Эти свойства среды непосредственно влияют на эффективность акустооптического преобразования, но не могут перестраиваться (не являются управляемыми).

    Характер дифракционного преобразования света существенно зависит от длины волны и угла падения Оптическая средаоптического излучения. Однако управление этими факторами в акустооптических модуляторах и дефлекторах обычно не практикуется.

    Реально способы и средства управления акустооптическими преобразователями не отличаются разнообразием. В акустооптических модуляторах интенсивность дифрагированных лучей света изменяется путем модуляции мощности высокочастотных электрических сигналов и, как следствие, мощности ультразвука. При этом частота высокочастотных электрических и акустических колебаний сохраняется неизменной.

    Напротив, в акустооптических дефлекторах углы отклонения дифрагированных лучей света изменяются путем модуляции частоты электрических колебаний и ультразвука при неизменной мощности управляющих сигналов.

    3.59. Пояснить действие Акустооптический дефлекторакустооптического дефлектора в схеме импульсного возбуждения твердотельного лазера ссылка на источники литературы.

    Вариант такой схемы представлен на рис. 3.38Рис. 3.38. Акустооптический дефлектор в схеме импульсного возбуждения твердотельного лазера. В оптическом резонаторе Фабри - Перо, состоящем из двух параллельных, тщательно симметрированных зеркал - полупрозрачного (выходного) и непрозрачного, - по одной (горизонтальной) линии с лазерным твердотельным элементом (активной средой лазера) действует акустооптический дефлектор. При возбуждении высокочастотным генератором напряжения такой дефлектор отклоняет лазерный луч. Хотя угол дифракционного отклонения согласно ссылка на источники литературы не превышает 0,5°, значительная часть такого дифрагированного света не попадает на зеркало оптического резонатора, потери в резонаторе оказываются значительными и генерация лазерных колебаний невозможна.

    Как только оптическая накачка активной среды твердотельного лазера завершается, резко прекращается воздействие высокочастотного источника ультразвука, акустооптический дефлектор по существу отключается, восстанавливая поток света по горизонтальной линии, перпендикулярной зеркалам резонатора. Действует положительная обратная связь по оптическому каналу, колебания резко возбуждаются и регенерируются; в результате формируется кратковременный импульс лазерного излучения.

    © Центр дистанционного образования МГУП