Akustooptický modulátor - Acousto-optic modulator - Wikipedia

Akustooptický modulátor se skládá z a piezoelektrický měnič který vytváří zvukové vlny v materiálu, jako je sklo nebo křemen. Světelný paprsek je rozptýlen do několika řádů. Vibrací materiálu s čistým sinusoidem a nakloněním AOM, takže se světlo odráží od plochých zvukových vln do prvního difrakčního řádu, lze dosáhnout až 90% účinnosti vychýlení.

An akustooptický modulátor (AOM), také nazývaný a Braggova buňka nebo akustooptický deflektor (AOD), používá akustooptický efekt na difrakce a posunout frekvenci světla pomocí zvukové vlny (obvykle v rádiová frekvence ). Používají se v lasery pro Q-přepínání, telekomunikace pro signál modulace a v spektroskopie pro řízení frekvence. A piezoelektrický měnič je připevněn k materiálu, jako je sklo. Oscilační elektrický signál pohání snímač k vibracím, které vytváří zvukové vlny v materiálu. Lze je považovat za pohybující se periodické roviny expanze a komprese, které mění index lomu. Rozptyl přicházejícího světla (viz Brillouinův rozptyl ) z výsledné modulace periodického indexu a rušení se vyskytuje podobně jako Braggova difrakce. Interakci lze považovat za a třívlnný proces míchání což má za následek Generování součtové frekvence nebo Generování rozdílové frekvence mezi fonony a fotony.

Principy činnosti

Typická AOM pracuje pod Stav Bragg, kde dopadající světlo přichází pod Braggovým úhlem ${ displaystyle theta _ {B} přibližně sin theta _ {B} = { frac { lambda} {2n Lambda}}}$ z svisle šíření zvukové vlny.^[1]^[2]

Náčrt vysvětlující Stav Bragg pro AOD. Λ je vlnová délka zvukové vlny, λ je délka světelné vlny a n je index lomu krystalu v AOD. Objednávka +1 má pozitivní frekvenční posun ve srovnání s dopadajícím světlem; 0. řád má stejnou frekvenci jako dopadající světlo. Menší příčný posun 0. řádu od dopadajícího světla představuje lom světla uvnitř krystalu.

Difrakce

Když je dopadající světelný paprsek pod Braggovým úhlem, objeví se difrakční obrazec, kde v každém úhlu θ dojde k řádu rozptýleného paprsku, který splňuje:

{ displaystyle 2 Lambda sin theta = m { frac { lambda} {n}}}

Tady, m = ..., −2, −1, 0, +1, +2, ... je řád difrakce, ${ displaystyle lambda}$ je vlnová délka světla ve vakuu, ${ displaystyle n}$ je index lomu krystalického materiálu (např. křemene) a ${ displaystyle Lambda}$ je vlnová délka zvuku.^[3] ${ displaystyle { frac { lambda} {n}}}$ sama o sobě je vlnová délka světla v materiálu. Všimněte si, že m = +1 a m = -1 vycházejí z Braggova úhlu od svisle šíření zvukové vlny.

Difrakce ze sinusové modulace v tenkém krystalu většinou vede k m = -1, 0, +1 difrakční objednávky. Kaskádová difrakce v krystalech střední tloušťky vede k vyšším difrakčním řádům. Pouze v tlustých krystalech se slabou modulací phasematched objednávky jsou rozptýleny; tomu se říká Braggova difrakce. Úhlová výchylka se může pohybovat od 1 do 5 000 šířek paprsku (počet vyřešitelných míst). V důsledku toho je průhyb obvykle omezen na desítky miliradiáni.

Intenzita

Množství světla rozptýleného zvukovou vlnou závisí na intenzitě zvuku. Intenzitu zvuku lze tedy použít k modulaci intenzity světla v rozptýleném paprsku. Typicky je intenzita, do které se difrakuje m = 0 řád lze měnit mezi 15% až 99% vstupní intenzity světla. Stejně tak intenzita m = +1 objednávka se může pohybovat mezi 0% a 80%.

Vyjádření účinnosti v m = +1 objednávka je:^[4]

${ displaystyle eta = I_ {1} / I = { text {sin}} {} ^ {2} ( Delta phi / 2)}$

kde externí fázová exkurze ${ displaystyle Delta phi = { frac { pi} { lambda}} { sqrt {2 vlevo ({ frac {L} {H}} vpravo) M_ {2} P}}}$ .

Pro získání stejné účinnosti pro různé vlnové délky musí být vysokofrekvenční výkon v AOM úměrný druhé mocnině vlnové délky optického paprsku. Všimněte si, že tento vzorec nám také říká, že když začneme na vysokofrekvenčním výkonu P, může to být vyšší než první vrchol v sinusové kvadratické funkci, v takovém případě, když zvýšíme P, usadíme se na druhém vrcholu s velmi vysoký výkon RF, což vede k přetížení AOM a možnému poškození krystalu nebo jiných komponent. Abyste se tomuto problému vyhnuli, měli byste vždy začít s velmi nízkým RF výkonem a pomalu ho zvyšovat, abyste se usadili na prvním vrcholu.

Všimněte si, že existují dvě konfigurace, které splňují Braggovu podmínku: Je-li dopadající paprsek vlnovodič je součástka na směru šíření zvukové vlny jde proti zvukové vlně, Braggův proces difrakce / rozptylu bude mít za následek maximální účinnost do řádu m = +1, která má pozitivní frekvenční posun; Pokud však dopadající paprsek prochází podél zvukové vlny, je dosaženo maximální difrakční účinnosti do řádu m = -1, která má negativní frekvenční posun.

Frekvence

Jeden rozdíl od Braggovy difrakce spočívá v tom, že světlo se rozptyluje z pohybujících se rovin. Důsledkem toho je frekvence rozptýleného paprsku F v pořádku m bude Doppler - posunut o částku rovnající se frekvenci zvukové vlny F.

{ displaystyle f rightarrow f + mF}

Tento frekvenční posun lze pochopit také tím, že energie a hybnost (z fotony a fonony ) jsou zachovány v procesu rozptylu. Typický frekvenční posun se pohybuje od 27 MHz pro levnější AOM po 1 GHz pro nejmodernější komerční zařízení. V některých AOM cestují dvě akustické vlny v materiálu v opačných směrech a vytvářejí a stojatá vlna. V tomto případě obsahuje spektrum rozptýleného paprsku několik frekvenčních posunů, v každém případě celočíselné násobky frekvence zvukové vlny.

Fáze

Kromě toho bude fáze rozptýleného paprsku posunuta také fází zvukové vlny. Fázi lze libovolně měnit.

Polarizace

Kolineární příčný akustické vlny nebo kolmé podélné vlny může změnit polarizace. Akustické vlny indukují a dvojlomný fázový posun, podobně jako v a Pockelsova buňka^{[pochybný – diskutovat]}. Akustooptický laditelný filtr, zejména oslnivý, který dokáže generovat různé tvary pulzů, je založen na tomto principu.^[5]

Modelování

Akustooptické modulátory jsou mnohem rychlejší než typická mechanická zařízení, jako jsou sklopná zrcadla. Čas, za který AOM posune vystupující paprsek dovnitř, je zhruba omezen na dobu přechodu zvukové vlny přes paprsek (obvykle 5 až 100ns ). To je dostatečně rychlé na to, abyste vytvořili aktivní modelování v ultrarychlý laser. Když je nutná rychlejší kontrola elektrooptické modulátory Jsou používány. Vyžadují však velmi vysoké napětí (např. 1 ... 10kV ), zatímco AOM nabízejí větší rozsah vychýlení, jednoduchý design a nízkou spotřebu energie (méně než 3Ž ).^[6]

Aplikace

Viz také

externí odkazy

http://olympus.magnet.fsu.edu/primer/techniques/confocal/aotfintro.html

Reference

^ „Aplikační poznámky k teorii akusticko-optické teorie“ (PDF).
^ Paschotta, Dr. Rüdiger. „Akustooptické modulátory“. www.rp-photonics.com. Citováno 2020-08-03.
^ „Průvodce akusticko-optickými modulátory“
^ Lekavich, J. (duben 1986). "Základy akusticko-optických zařízení". Lasery a aplikace: 59–64.
^ H. Eklund, A. Roos, S. T. Eng. Rotace polarizace laserového paprsku v akustooptických zařízeních. Optická a kvantová elektronika. 1975;7(2):73–79. doi:10.1007 / BF00631587.
^ https://www.ethz.ch/content/dam/ethz/special-interest/phys/quantum-electronics/ultrafast-laser-physics-dam/education/lectures/ultrafast_laser_physics/lecture_notes/7_Active_modelocking.pdf

[1] „Aplikační poznámky k teorii akusticko-optické teorie“ (PDF).

[2] Paschotta, Dr. Rüdiger. „Akustooptické modulátory“. www.rp-photonics.com. Citováno 2020-08-03.

[3] „Průvodce akusticko-optickými modulátory“

[4] Lekavich, J. (duben 1986). "Základy akusticko-optických zařízení". Lasery a aplikace: 59–64.

[5] H. Eklund, A. Roos, S. T. Eng. Rotace polarizace laserového paprsku v akustooptických zařízeních. Optická a kvantová elektronika. 1975;7(2):73–79. doi:10.1007 / BF00631587.

[6] ttps://www.ethz.ch/content/dam/ethz/special-interest/phys/quantum-electronics/ultrafast-laser-physics-dam/education/lectures/ultrafast_laser_physics/lecture_notes/7_Active_modelocking.pdf

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]