Akusto-optinen modulaattori
Akusto-optinen modulaattori (AOM) - laite, jolla muutetaan läpäisevän valon intensiteettiä sen diffraktion vuoksi, joka on muodostunut lasiin muodostuneesta hilasta akustisen aallon taitekertoimen spatiaalisen modulaation seurauksena .
Kuinka se toimii
AOM:n toimintaperiaate perustuu kulkevan ultraääniaallon valon diffraktioon optisesti läpinäkyvässä materiaalissa ( lasi ). Kulkeva ultraääniaalto syntyy lasilevyyn kiinnitetyllä pietsosähköisellä muuntimella . Lasissa esiintyvien puristus- ja jännitysalueiden ilmaantumisen vuoksi, jotka eroavat taitekertoimesta, väliaineeseen muodostuu diffraktiohila. Hilalla taittuva valonsäde muodostaa useita lähtösäteitä (diffraktioasioita), jotka on sijoitettu avaruudessa yhtäläisiin kulmiin toisiinsa nähden. Aukon avulla valitaan kaikista lähtösäteistä ensimmäinen maksimi, joka on olemassa vain ääniaallon läsnä ollessa modulaattorissa, ja kaikki muut on estetty (katso kuva yllä).
Lasirungon paksuudesta riippuen AOM:lla on joitain eroja toiminnassa. Ohuessa modulaattorissa toimintaperiaate ei poikkea aiemmin kuvatusta, mutta paksussa modulaattorissa on otettava huomioon vaihesovituksen ehdot , , missä on tulevan säteilyn aaltovektori ja ovatko äänen ja optisten aaltojen aaltovektorit taittuivat ensimmäisessä järjestyksessä. Paksussa modulaattorissa oikealla tulosäteen tulokulman valinnalla ja tahdistustilanteesta johtuen on mahdollista herättää pääasiassa ensimmäinen (tai miinus ensimmäinen) diffraktiokerta. Teollisuus tuottaa paksuja modulaattoreita, koska ne vaativat pienemmän tehon ääniaallon. Paksuissa modulaattoreissa korkea diffraktiotehokkuus saavutetaan leveämmän diffraktiohilan ansiosta.
Ohut modulaattori (Raman-Nath-diffraktio)
Kun valo osuu kohtisuoraan kiteen pintaan, läpäisevä valo, jolla on aallonpituus ja ääniaalto , taittuu usean diffraktioasteen kulmassa :
Bragg-tila (paksu modulaattori)
Käytännön kiinnostava on tapaus, jossa valo (lasersäde) suunnataan lasille Braggin kulmassa . Tässä tapauksessa havaitaan Bragg-diffraktio , jossa kaikkien diffraktiomaksimien intensiteetit ensimmäistä lukuun ottamatta pienenevät.
AOM:n ominaisuudet
Diffraktiokulma
Ääniaallon aallonpituus lasissa on:
missä on äänen nopeus (katso taulukko alla), on äänen taajuus.
Modulaatiotaajuudella 80 MHz (yleisin AOM-taajuus) ja äänen nopeudella lasissa 3,2 km/s äänen aallonpituus lasissa on µm ja ensimmäisen asteen taipuneen säteen taipumakulma on noin 10 milliradiaaneja.
Intensiteetti
Taittuneiden säteiden intensiteetti riippuu ääniaallon intensiteetistä ja modulaattorin kiertokulmasta (Bragg-kulma). Moduloimalla ääniaallon intensiteettiä voidaan muuttaa (epälineaarisesti) taipuneiden säteiden intensiteettiä. Yleensä nolla-asteen säteen intensiteetti vaihtelee välillä 15-99%, ja ensimmäisen asteen intensiteetti - 0-80%. Modulaatiokontrasti ylittää usein 1000 ja voi helposti saavuttaa 10 000 (40 dB ).
Taajuus
Doppler-ilmiön aiheuttamien taittuneiden säteiden taajuus muuttuu kaavan mukaan:
Tällaisen taajuusmuutoksen määrää myös energian ja liikemäärän (fotonit ja fononit) säilymislaki. Joissakin AOM:issa vastakkaisiin suuntiin etenevät akustiset aallot luovat seisovan aallon, jonka seurauksena diffraktiojärjestysten taajuus ei muutu.
Vaihe
Taittuneiden säteiden vaihetta siirtää myös ääniaallon vaihe.
Polarisaatio
Ääniaalto indusoi lasissa kahtaistaitetta, joten valon polarisaatio modulaattorin läpi kulkemisen jälkeen voi muuttua.
Suorituskyky
AOM:n nopeutta rajoittaa aika, jolloin ääniaalto kulkee valonsäteen poikkileikkauksen läpi ( missä on lasersäteen poikittaiskoko, on äänen nopeus solumateriaalissa) ja se on suuruusluokkaa 2–10 μs halkaisijaltaan usean millimetrin kollimoidulle lasersäteelle. Mitä pienempi tarkennuspiste, sitä parempi AOM-suorituskyky, joten yleensä modulaattori sijoitetaan objektiivin tarkennukseen, kun taas toinen linssi kollimoi lähtösäteet. Paksu modulaattori edellyttää pitkän polttovälin linssin käyttöä; Oikealla asettelulla ja kohdistuksella on mahdollista saavuttaa noin 20 ns nopeus. AOM voi toimia modulaattori- ja deflektorimoodissa (eli se taittaa myös tulevan säteen kulmaan, kun ääniaallon taajuus muuttuu).
AOM:n valmistukseen käytetyt materiaalit
| Materiaali | Optinen alue, µm | Taitekerroin | Ääniaallon nopeus, km/s | Laatukerroin 10 −15 m 2 /W |
|---|---|---|---|---|
| Kalkogenidilasi | 1,0-2,2 | 2.7 | 2.52 | 164 |
| Flint SF-6 | 0,45-2 | 1.8 | 3.51 | kahdeksan |
| kvartsilasi | 0,2-4,5 | 1.46 | 5.96 | 1.56 |
| galliumfosfiitti | 0,59-10 | 3.3 | 6.3 | 44 |
| germaaniumia | 2-12 | 4.0 | 5.5 | 180 |
| indiumfosfaatti | 1-1.6 | 3.3 | 5.1 | 80 |
| litiumniobaatti | 0,6-4,5 | 2.2 | 6.6 | viisitoista |
| Telluuridioksidi | 0,4-5 | 2.25 | 5.5 | 1000 |
Laitesuunnittelu
Optisesti kiillotettu lasi on sidottu metallipainesidoksella litiumniobaatista valmistettuun pietsokanturiin . Litiumniobaattilevyn paksuus valitaan vaaditun modulaatiotaajuuden mukaan ( 1 GHz asti). Lasilevyn vastakkainen pinta on tehty kulmaan ultraääniaallon etenemiseen nähden siten, että heijastunut aalto poikkeaa sivulle niin, ettei seisovaa aaltoa esiinny. Lisäksi tälle pinnalle asetetaan yleensä lohko ääntä vaimentavaa materiaalia.
AOM sijoitetaan yleensä metallikoteloon, jossa on reiät valonsäteen tuloa/lähtöä varten ja RF-liitin moduloivan signaalin syöttämistä varten (yleensä SMA- tai BNC-liitin ). Laite on myös mahdollista suunnitella kuitutuloilla ja -lähdöillä, mikä tekee siitä helpon käyttää kuituoptisissa järjestelmissä .
AOM-modulaatiotaajuus määräytyy akustisen väliaineen elasto-optisten ominaisuuksien mukaan ja voi olla 350 MHz (AOM-tehokkuus sellaisella taajuudella on alhainen, luokkaa 10-20 %).
Sovellus
AOM-laitteita käytetään lasersäteiden nopeaan modulointiin ja kääntämiseen, joten niitä käytetään laajalti optisissa laboratorioissa yksinkertaisena tapana moduloida lasersäde (nopea suljin). AOM:n käyttö laserontelon sisällä mahdollistaa ontelon häviöiden hallinnan ja aktiivisen Q-kytkennän tai lasertilan lukituksen .
Kollineaarisella säteellä varustettua AOM:ta kutsutaan AOPDF :ksi , sillä se pystyy muokkaamaan ultralyhyiden laserpulssien spektrivaihetta ja amplitudia.
