Размещено на http://www.allbest.ru

Реферат

МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНЫМ ЛУЧОМ И ЕГО МОДУЛЯЦИЯ



Содержание

1. О внутренних методах управления лазерным лучом

2. Дисперсионные элементы оптоэлектроники и их применение для перестройки частоты лазеров

3. Распространение света в анизотропных средах и поляризаторы света

4. Электрооптические и магнитооптические эффекты

5 Модуляторы и дефлекторы лазерного луча

Литература



1. О внутренних методах управления лазерным лучом

Методы модуляции лазерного луча можно разделить на внутренние и внешние. лазер луч оптоэлектроника модулятор

Эти методы реализуются путем воздействия на сам квантовый генератор. Для этого либо в состав резонатора Фабри-Перо входит некоторый управляющий элемент (УЭ), либо это управление происходит по цепи питания лазера или его источника активации (ИА). Последнее обычно делают в случае импульсной работы лазеров. Когда лазеры работают на самоограниченных переходах, импульсы управления всегда подаются на ИА, а когда рабочие переходы не самоограничены, импульсы питания могут подаваться на разрядный или излучающий элемент, если это газовые или полупроводниковые лазеры. При этом максимальная частота амплитудной модуляции будет определяться переходными процессами в цепи питания и для современных инжекционных лазеров она не превышает 10 ГГц. Режимы синхронизации мод и модулируемой добротности (лазеры гигантских импульсов) также основаны на внутренних методах управления лазерным лучом. Обычно системы частотной модуляции лазеров являются внутренними и используют в качестве УЭ так называемые дисперсионные элементы и электрооптические эффекты. Системы амплитудной модуляции часто бывают внешними и используют также магнитооптические эффекты и поляризаторы света.

2. Дисперсионные элементы оптоэлектроники и их применение для перестройки частоты лазеров

Дисперсия - это зависимость скорости волны от частоты, а применительно к оптическим средам - это зависимость показателя преломления n от частоты (так как скорость света в среде ). В более общем случае дисперсионные элементы - это элементы, в которых наблюдается и используется зависимость отклонения светового луча при его отражении или преломлении от частоты. Все дисперсионные элементы можно разделить на четыре группы: 1) призмы; 2) дифракционные решетки, в том числе акустооптические дифракционные решетки; 3) интерференционные элементы; 4) устройства на основе двойного лучепреломления и вращения плоскости поляризации, причем эти последние элементы мы рассмотрим в следующих разделах. Рассмотрим последовательно эти дисперсионные элементы.

Рис.1

1. Различие в отклонении призмой на разные углы световых волн разных частот основано на зависимости электрической восприимчивости от частоты . Так как , то показатель преломления среды по отношению к воздуху зависит тоже от частоты, а значит от длины волны . Рассмотрим простейшую симметричную призму и определим, как эта зависимость влияет на разность углов отклонения призмой волн с различной длиной, отличающейся на , причем очевидно, что

, (1)

где называется угловой дисперсией призмы. Пусть для света с какой-то длиной волны так подобрали угол падения (рис.1), что движение луча оказалось симметричным относительно вертикальной прямой ОА, проходящей через вершину призмы, т.е. ; , а так как , то дифференцируя это равенство по и учтя, что (так как эти углы имеют взаимно перпендикулярные стороны), то есть , будем иметь

,

причем угол , так что окончательно получим

. (2)

В случае, если угол при вершине призмы выбран так, что угол равен углу Брюстера, то есть , то формула (2) упрощается и дает

. (3)

Значения величины для различных стекол в видимой области спектра (мкм) приведены в таблице. Там же даны значения показателя преломления n.

	Кварц крист.	Кварцевое стекло	Флинт ТФ-2	Флинт ТФ-5	Флинт ТФ-10	Флинт СТФ-1	Титанат стронция (SrTi03)	Рутил (TiO2)	Флинт СТФ-3
n	1,544	1,458	1,664	1,754	1,804	2,032	2,403	2,604	2,170
-(dn/d) 105(Hм-1)	3,9	3,3	9,8	12,6	14,8	26,3	50,0	70,0	30,5



В области дальнего ультрафиолета для изготовления призм используют диэлектрические кристаллы (фтористый барий и литий), флюорит
() и др. Они же используются в инфракрасной области спектра. Кроме симметричной призмы часто используется призма Аббе и призма Литтрова, работающие на отражение, причем одна из граней таких призм - зеркально отражающая грань.

2. Дифракционные решетки являются диспергирующими устройствами, которые заменяют призму, в частности, в далеких ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, где неизвестны достаточно прозрачные материалы для изготовления призм. Дифракционные решетки изготавливаются путем нарезки алм азом на отполированном стекле или на металле серии одинаковых по профилю канавок, расстояние между которыми выдержано с точностью до 1%. Дифракционные решетки обычно работают на отражение (металлические работают только на отражение).

Рис. 2

На рис. 2 элементы ЕМ длиной а - зеркальные, период решетки ВD=d. Дифракционная картина, получаемая от решетки, представляет собой наложение двух картин: дифракции от отдельного зеркального элемента ЕМ; интерференции от всех зеркальных элементов и вообще от всех соответственных элементов периодической структуры. Проведем перпендикуляры АD и КМ к падающим лучам, а ЕL и ВС - к отраженным лучам. Тогда разность хода крайних лучей пучка, упавшего и отраженного от зеркальной поверхности ЕМ, равна разности длин отрезков (LM-EK) и определяется величиной

_д = а. (4)

Разность хода лучей, интерферирующих от любых двух соответственных точек каждого элемента (на рисунке взяты точки В и D), то есть разность хода лучей между вторичными волнами, исходящими из соседних щелей, будет , а разность фаз этих волн . Обозначим через поле в точке наблюдения, излучаемое первой левой щелью. Поля, излучаемые остальными щелями, представляются выражениями

, (5)

где N- общее число щелей. Полное поле излучаемое всеми щелями, представляется суммой N членов геометрической прогрессии

, (6)

откуда, вынося за скобки в числителе , а в знаменателе , получим

, (7)

так что для интенсивности отраженного света получаем соотношение:

. (8)

Очевидно, что максимумы интенсивности отраженных лучей будут в том случае, когда , то есть при

. (9)

При этом .

В направлениях, определяемых этим условием, получаются максимумы, интенсивность которых в раз превосходит интенсивность волны от одной щели в том же направлении. Они называются главными максимумами. Целое число m называют порядком главного максимума или порядком спектра. Условие (9) определяет направления, в которых излучения от всех щелей решетки приходят в точку наблюдения в одинаковых фазах, а потому усиливают друг друга. В таких направлениях при отдельных значениях m могут и не возникнуть максимумы. Это будет, когда , т.е. в направлениях на дифракционные минимумы от одной щели.

Таким образом, как и в случае призмы, свет с различной длиной волны будет давать дифракционные максимумы под разными углами , что и позволяет использовать дифракционную решетку как дисперсионный элемент оптоэлектроники. Следует заметить, что длина d элемента решетки имеет порядок , т.е. для видимого света d0,5мкм, так что изготовить решетку достаточно сложно. Мы рассмотрели решетку, работающую на отражение. Точно так же, в принципе, работает решетка и на проход.



а) б) в)

Рис. 3

В последние годы широкое применение получили искусственные и перестраиваемые акустическими методами дифракционные решетки. Действительно, если взять прозрачный пьезоэлектрический кристалл и пропускать по нему с помощью внешнего электромагнитного поля бегущую акустическую волну (рис.3,а), то эта волна будет создавать периодические разряжение и сжатие плотности кристалла, то есть даст в кристалле периодические изменения его показателя преломления и таким образом кристалл будет представлять в любой заданный момент времени дифракционную решетку с периодом, равным длине акустической волны (рис.3). Очевидно, что максимум отражения будет идти под таким углом , при котором разность хода любых двух лучей , где к=0;1;2;3;..., n - показатель преломления, - длина световой волны (рис.3,б). Так как это условие должно выполняться при любом х, то следует полагать к=0, . Но при этом следует учитывать также дифракцию от двух соседних уплотнений среды (рис.3,в). Очевидно, что падающий и отраженный углы должны быть такими, чтобы разность хода лучей (АО+ОВ), отраженных от двух соседних уплотнений, была равна длине световой волны в среде (), то есть



. (10)

Дифракция света, при которой выполняется условие (10), называется дифракцией Брегга. Она может успешно реализоваться как на объемных, так и на поверхностных акустических волнах, но лишь при условии, что длина L области взаимодействия (ширина решетки) удовлетворяет условию . Следует заметить, что из-за того, что свет дифрагирует на бегущей волне, то есть на движущейся дифракционной решетке, частота его из-за эффекта Доплера после прохождения решетки изменяется и становится равной сумме или разности частот падающего излучения и акустических колебаний: v_д, (причем будет знак + или - зависит от направления движения акустической волны). Таким образом, и в данном случае угол отклонения падающего луча зависит от длины волны падающего света, то есть устройство является дисперсионным элементом. Однако этот угол в данном случае определяется еще и длиной акустической волны (), так что меняя частоту (а значит и длину волны ) внешних акустических колебаний, мы может менять угол отклонения луча света, то есть управлять движением этого луча, а по углу отклонения можно определить , то есть измерить частоту колебаний, дающих решетку. Именно поэтому акустооптические устройства получили сейчас большое распространение и акустооптика выросла в отдельную большую отрасль оптоэлектроники.

3. Основным интерференционным элементом является интерферометр Фабри-Перо, или резонатор Фабри-Перо, или эталон Фабри-Перо, представляющий собой либо стеклянную пластину с полупрозрачными отражающими слоями (зеркалами), либо воздушный зазор между такими зеркалами, нанесенными на внешние стеклянные пластины (рис.4,а,б).



а) б)

в) г)

Рис. 4.

Работает он на принципе многократного отражения. Определим угол преломления , при котором свет заданной длины волны будет проходить в соответствующем направлении, определяемом величиной этого угла , в эталоне Фабри-Перо толщиной из материала с показателем преломления n (риc.4,в). Рассмотрим два последовательно отраженных луча А₁ и А₂, и найдем разность их хода, определяемую суммой отрезков СВ+ВА, причем СА- перпендикуляр, опущенный на луч ВА. Так как , то разность хода , так что разность фаз этих лучей А₁ и А₂ равна

.

Очевидно, резонансное прохождение будет иметь место, когда , то есть искомая связь параметров n, имеет вид .

Подробный анализ прохождения лучей через эталон Фабри-Перо, проведенный в разделе 11.3 (формула 11.9), дает для отношения прошедшей мощности луча к падающей соотношение

где - коэффициент внутреннего отражения зеркал по мощности. Из этого выражения следует, что зависимости при разных имеют максимумы при , где m=1,2,3... Таким образом, помещая пластинку Фабри-Перо под разными углами падения к лучам, мы будем получать резонансное прохождение через нее лучей света разных частот. То есть резонатор Фабри-Перо имеет разные резонансные частоты при разных углах его поворота по отношению к падающим лучам и таким образом может использоваться как фильтр с зависящей от этого угла резонансной частотой, то есть как дисперсионный элемент оптоэлектроники. Часто интерферометр Фабри-Перо делают с переменной по длине резонансной частотой, то есть с переменным (рис.4,г) расстоянием между зеркалами. В таком случае его следует не поворачивать под разными углами к лучу с целью перестройки частоты, а двигать перпендикулярно лучу.

Как уже упоминалось, дисперсионные элементы широко используются для механической перестройки частоты генерации лазеров и для селекции продольных типов колебаний. В частности, дифракционные решетки и эталоны Фабри-Перо используются в показанных на рис.5 схемах плавной перестройки частоты лазеров на основе красителей, причем 1-полупрозрачное зеркало, 2-активная среда, 3-отражающее зеркало, 4-дифракционная решетка, 5- эталон Фабри-Перо. Таким образом, например, удается перестраивать длину волны, генерируемую жидким раствором родамина 6G от 0,57 мкм до 0,65 мкм,то есть более чем на 10%.

Рис 5

3. Распространение света в анизотропных средах и поляризаторы света

В лазерных системах широко используются монокристаллические элементы оптоэлектроники, поэтому необходимо рассмотреть особенности распространения света в анизотропных монокристаллах. Электрическое поле световой волны Е, проникая в вещество, вызывает вынужденные колебания электронов в атомах и молекулах среды в направлении Е. Колеблющиеся электроны являются, в свою очередь, источниками вторичного излучения света. Таким образом прохождение волны через вещество есть результат последовательного переизлучения света электронами. Но в анизотропных веществах колебания электронов в разных направлениях возбуждаются с разной амплитудой, в одних легче, в других труднее при одной и той же амплитуде внешнего поля Е. Это значит, что показатель преломления среды будет зависеть от поляризации волны Е. Эта анизотропия кристаллов приводит к тому, что все их электрофизические параметры, в частности диэлектрическая проницаемость, вместо скаляров являются тензорами, так что компоненты векторов индукции D и напряженности поля Е связаны соотношениями

, (11)

где i и k - индексы ортогональных координатных осей (i,k=1,2,3, где 1 - ось х₁, 2 - ось х₂, 3 - ось х₃). Из (11) следует, что в анизотропной среде векторы D и Е могут иметь разные направления. Компоненты этих векторов по координатным осям при заданном направлении поля Е зависят от выбора системы координат. Однако в любом кристалле существует такая система координатных осей, в которой остаются только диагональные составляющие тензора , то есть при , так что выражение (11) получает вид

. (12)

Эти координатные оси называются главными диэлектрическими осями кристалла, а компоненты главными значениями тензора диэлектрической проницаемости, причем так как , то можно вести рассмотрение, используя или , или . Мы будем в дальнейшем рассматривать , но записывать эту проницаемость будем без индекса отн. При этом величины называются главными относительными показателями преломления кристалла. Рассмотрим эллипсоид, полуоси которого равны , описываемый уравнением

и называемый оптической индикатрисой кристалла, причем х₁,х₂,х₃ - главные диэлектрические оси кристалла (6). Известно, что любой эллипсоид имеет в общем случае два круговых сечения. Направления, перпендикулярные этим сечениям, называются оптическими осями кристалла. Степень анизотропии у разных типов кристаллов разная. Кристаллы кубической системы изотропны, то есть у них n₁=n₂=n₃ и индикатриса - поверхность шара. Кристаллы тригональной, тетрагональной и гексагональной систем имеют одну оптическую ось, совпадающую с главной диэлектрической осью (пусть эта ось будет ось х₃), и оптическую индикатрису в виде эллипсоида вращения. Кристаллы с орторомбической, моноклинной и триклинной симметрией являются двуосными кристаллами.

В отличие от изотропных сред, в которых могут распространяться волны с любым типом поляризации (линейной, круговой и т.д.), в анизотропных средах распространяются только линейно поляризованные волны, причем так как векторы D и Е не совпадают, то при падении света в любом направлении в кристалле в общем случае распространяются две плоские монохроматические волны, имеющие разные показатели преломления, а значит и разные фазовые скорости распространения и разные направления распространения и поляризации, причем эти волны поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Для того, чтобы найти эти скорости и и показатели преломления и , используют оптическую индикатрису кристалла, через центр которой проводят направление волнового вектора волны К и перпендикулярно ему проводят плоскость. Эта плоскость дает с поверхностью эллипсоида индикатрисы сечение в виде эллипса, оси которого и определяют значение и . Это получается потому, что когда волна бежит вдоль К, поле Е будет перпендикулярно К, т.е. лежит в плоскости этого эллипса. На рис. 6 этот эллипс заштрихован и представлен отдельно.



Рис. 6

Направления главных осей эллипса являются направлениями поляризации рассматриваемых двух волн, бегущих в направлении вектора К. В действительности эти волны бегут в направлениях несколько отличных от К, так как К указывает направление, перпендикулярное внешнему полю, которое дает вектор D, а поля Е у волн не совпадают по направлению с D и друг с другом. Это мы рассмотрели общий случай. Рассмотрим случай одноосных кристаллов, для которых n₁=n₂, так что если вектор К направлен вдоль оптической оси х₃, то обе волны превращаются в одну, так как при этом (эллипс-сечение превратился в круг). Если же направление К распространения волны не совпадает с оптической осью х₃, то легко заметить, что одна из полуосей эллипса, который получается в сечении эллипсоида вращения и плоскости, перпендикулярной к вектору К, будет при любом направлении К всегда равной . То есть одна из волн, называемая обыкновенной волной, будет вне зависимости от ее направления К иметь одну и ту же фазовую скорость и будет поляризована в направлении, перпендикулярном плоскости, проходящей через вектор К и оптическую ось х₃, так как именно в этом направлении всегда будет проходить одна из полуосей заштрихованного эллипса-сечения. Таким образом получается, что в зависимости от значения угла между векторами К и х₃ эллипс-сечение меняет свою конфигурацию от круга с радиусом n_o (при ) до эллипса с полуосями n_o и n₃=n_н (при ).

Пусть вектор К лежит в плоскости х₃х₂ (так как система симметрична относительно оси х₃, то ось х₂ мы можем выбрать как угодно относительно вектора К). Рассмотрим сечение эллипсоида-индикатрисы плоскостью х₃х₂ (рис.7). Это сечение представляет собой эллипс, описываемый уравнением

причем координаты х_3А и х_2А точки А перпендикулярна ОА к вектору К определяются выражениями и выражаются через величину показателя преломления необыкновенного луча, идущего вдоль К. Из последних двух соотношений следует выражение подставляя которое вместе со значением в уравнение эллипса получим

(13)

Поэтому фазовая скорость необыкновенной волны меняется в зависимости от угла и определяется выражением

, (14)

которое легко получить из (13), заменив и определив .

Чтобы найти направление m распространения обыкновенного луча нужно провести касательную к эллипсу в точке его пересечения вектором и тогда нормаль «m» к этой касательной даст нам направление распространения обыкновенного луча, совпадающее с нормалью к фронту волны, причем угол - угол двойного лучепреломления (обычно 1⁰ч3⁰).

Рис 7

Таким образом, когда световая волна приходит из воздуха в анизотропную среду, она разделяется на две линейно поляризованные волны, распространяющиеся с разными фазовыми скоростями, то есть имеет место так называемое двойное лучепреломление (рис.8). В случае одноосных кристаллов эти волны представляют собой поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях обыкновенную волну и необыкновенную волну, причем луч 1 первой волны лежит в плоскости падения, как и в изотропных средах, а луч 2 второй, необыкновенной волны лежит, вообще говоря, не в плоскости падения и поляризован в плоскости, проходящей через лучи 1 и 2. Очевидно, что в частном случае, когда вектор К волны параллелен оптической оси одноосного кристалла, так что V₁=V₂, двойного лучепреломления не будет. Явление двойного лучепреломления было открыто в 1670 году монахом Эразмом Бартолином.

Рис 8

Оно нашло широкое применение в поляризаторах света, которые превращают хаотически поляризованный свет в линейно поляризованный, а линейно поляризованный свет, в зависимости от направления поляризации либо частично или полностью пропускают, либо отражают. Наиболее широко известны три типа поляризаторов.

1. Поляризатор (призма) Фуко-Глана. Принцип его работы основан на том, что обыкновенный и необыкновенный лучи имеют разные показатели преломления, а значит и разные углы полного внутреннего отражения. Поэтому один из лучей, а именно тот, у которого показатель преломления больше, отражается от границы раздела двух сред (материала призмы и воздуха), а второй проходит через нее. Схематически это показано на рис. 9. Есть несколько модификаций такого поляризатора, которые отличаются как направлением оптической оси, так и формой используемых призм, в частности углом и, наклоном входной грани АВ, показанной пунктиром на рис.9. В качестве материала призмы обычно используется исландский шпат (разновидность углекислого кальция CaCO₃), имеющий в диапазоне длин волн =0,2-2мкм; n_о=1,903-1,621 и n_н=1,576-1,473. При этом в случае исландского шпата отражается обыкновенный луч, а проходит необыкновенный. К числу поляризаторов такого типа относятся призмы Рошона, Сенармона, Волластона, Арчарда-Тейлора.

2. Поляризатор (призма) Николя и его разновидности. Этот поляризатор отличается от предыдущих тем, что между двумя призмами помещается не воздушный промежуток, а эти призмы склеиваются материалом, имеющим n, такое, что или



Рис. 9

(при ). В случае CaCO₃ склеивание производят канадским бальзамом (смолой канадской пихты), имеющим n=1,55, или глицерином (n=1,474), так что для обыкновенного луча угол падения , и он отражается, а для необыкновенного и луч проходит. Так как склеивающий материал разрушается под действием температуры, то такие поляризаторы не годятся для работы с мощными лазерами.

3. Дихроические пластинки. В ряде материалов один из лучей очень сильно поглощается за счет такой ориентации их молекул, при которой они поглощают волну лишь с определенным направлением поля и при этом из пластины свет выходит лишь в виде одного из линейно поляризованных лучей. Так, кристалл турмалина практически полностью поглощает обыкновенный луч на длине в 1 мм, а в поляроиде, представляющем собой целлулоидную пленку с растворенным в ней сульфатом йодистого хинина, такое поглощение происходит на длине в 0,1мм. Для мощных лазеров такие поляризаторы также не годятся.

Очевидно, что когда на любой из рассмотренных выше поляризаторов падает линейно поляризованная волна, то, если направление ее поляризации совпадает с направлением поляризации обыкновенного луча, она идет по пути обыкновенного луча, если с направление поляризации необыкновенного луча, - она идет по его пути. А если ее поляризация направлена частично в сторону направления поляризации обыкновенного луча и частично в сторону необыкновенного, то на выходе каждого из этих лучей мы будем иметь такую интенсивность, которая пропорциональна квадрату косинуса угла между направлением поляризации падающего света и направлением поляризации соответствующего луча. Этот закон называется законом Малюса

I_луча. (15)

Поляризатор, преобразующий падающий на него линейно поляризованный свет, называется анализатором.

4. Электрооптические и магнитооптические эффекты

Электрооптические эффекты представляют собой эффекты создания или изменения оптической анизотропии при помещении кристалла или вещества в электрическое поле Е. Линейный электрооптический эффект (эффект Поккельса) имеет место только в кристаллах, лишенных центра симметрии (или в так называемых пьезокристаллах, или в кристаллах с квадратичной нелинейностью среды), и заключается в том, что под влиянием внешнего поля Е одноосный кристалл приобретает свойства двуосного кристалла, а изотропный кристалл - свойства либо одноосного, либо двуосного кристалла, в зависимости от направления внешнего поля. Из 32 кристаллических классов квадратичной нелинейностью среды обладают 20 классов. Среди электрооптических материалов наибольшее распространение получили одноосные кристаллы дигидрофосфатов, относящиеся к кристаллографическому классу D_2d. К ним принадлежат NH₄H₂PO₄ (сокращенно называемые АDР), KH₂PO₄ (KDP), ND₄D₂PO₄ (DADP), KD₂PO₄ (DKDP), RвD₂PO₄ и др. Оптическая индикатриса таких кристаллов в отсутствии внешнего поля есть эллипсоид вращения, главные полуоси которого имеют длины (по оптической оси х₃) и (по осям х₁ и х₂). При приложении внешнего поля Е вдоль оптической оси х₃ эллипсоид вращения становится несимметричным относительно оси х₃. А его оси смещаются и поворачиваются, так что значения компонент тензора диэлектрической проницаемости по повернутым осям и будут

; , (16)

и главные показатели преломления (теперь их будет три) имеют значения:

(17)

, (18)

где - основная применяемая в кристаллах класса D_2d электрооптическая постоянная.

Соотношения, аналогичные формулам (17) и (18), можно получить и для изотропных кристаллов класса Т_d, имеющих кубическую ячейку. К их числу принадлежат ZnS, CuCl, ZnSe, GaAs, GaP и др. Но в случае этих кристаллов вместо r₆₃ в формулах (17) и (18) будет при аналогичных условиях (поле Е вдоль оси х₃) стоять другая постоянная r₄₁.

Рассмотрим теперь поведение световой волны при прохождении через электрооптический кристалл. Здесь следует выделить два случая:

1) свет распространяется вдоль оси х₃, то есть вдоль постоянного поля Е (продольный эффект Поккельса). В этом случае, как следует из материалов предыдущего раздела, внутри кристалла распространяются две линейно поляризованные волны с поляризациями вдоль оси (скорость волны ) и вдоль оси (скорость волны ). Скорости этих волн на основе (17) и (18) можно представить в виде

(19)

После прохождения участка пути разность фаз этих волн, с учетом того что составит величину

(20)

2) свет распространяется перпендикулярно к направлению поля (поперечный эффект Поккельса). Пусть свет идет вдоль оси . При этом в кристалле распространяются две волны, одна из которых поляризована по оси (скорость ее ), а вторая по оси (ее скорость ). После прохождения пути разность фаз этих волн будет

(21)

Первый член справа определяет сдвиг фаз за счет естественной анизотропии кристалла и двойного лучепреломления, а второй член вызван внешним полем.

Рассмотрим квадратичный электрооптический эффект (эффект Керра), который реже используется в оптоэлектронике, чем эффект Поккельса. Эффект Керра проявляется в центросимметричных кристаллах, жидкостях и газах, или, иначе, в средах с кубической нелинейностью среды. Этот эффект особенно заметен в кристаллах группы перовскитов, находящихся в параэлектрической фазе, то есть при температуре большей температуры фазового перехода (точки Кюри, Т_к). Особенно интересны кристаллы танталата ниобата калия (КТа_0,65Nb_0,35О₃ называемые KTN, причем Т_к=250 К), титаната бария BaTiO₃(Т_к=393 К) и титаната калия КТiО₃(Т_к=1 К), причем у всех этих кристаллов относительная диэлектрическая проницаемость . Эти кристаллы оптически изотропны и имеют центр симметрии, но при приложении внешнего поля Е они становятся одноосными кристаллами с оптической осью, параллельной направлению поля, так что главные значения тензора диэлектрической проницаемости при этом имеют вид:

(22)

При получаем

. (23)

Здесь обыкновенная волна - это та волна, которая распространялась в среде до включения поля, а при включении поля дополнительно появляется еще и необыкновенная волна, скорость которой легко определить, подставив в выражение (14) соотношение (23) для n_о и n_н. В случае, когда угол в (14) между направлением вектора К волны и полем Е равен , из (23.) и (14) следует

. (24)

Пусть свет, идущий перпендикулярно полю Е, прошел путь . Тогда разность фаз обыкновенной и необыкновенной волн будет



(25)

где называется постоянной Керра. Видно, что в этом случае , а не , как в случае эффекта Поккельса. Поэтому эффект Керра называют квадратичным электрооптическим эффектом. Кроме упомянутых кристаллов, эффект Керра наблюдается в таких жидкостях как нитробензол, имеющий наибольшую для жидкостей постоянную Керра, сероуглерод и др.

Следует заметить, что в ряде анизотропных парамагнитных веществ при больших внешних постоянных магнитных полях Н, приложенных перпендикулярно направлению светового луча, также наблюдается явление двойного лучепреломления, причем, как и в случае эффекта Керра, в соответствии с формулой (25) . Этот эффект появления двойного лучепреломления в магнитных полях, называемый эффектом Коттона-Мутона, широкого применения в оптоэлектронике не нашел из-за его малости (в нитробензоле при Н=20000 эрстед, см ).

Второй магнитооптический эффект, эффект Фарадея, заключается в следующем. Если диэлектрик с магнитной анизотропией (феррит) поместить в постоянное магнитное поле, а перпендикулярно ему приложить переменное магнитное поле, поляризованное по кругу (например, пустить вдоль постоянного поля волну с круговой поляризацией), то магнитная проницаемость феррита по отношению к этому переменному полю будет разной в зависимости от направления вращения переменного поля. Если пустить линейно поляризованную волну, то так как ее можно разложить на две волны, поляризованные по кругу в разные стороны и имеющие разные , и так как фазовые скорости волны , то эти поляризованные по кругу волны будут иметь разные фазовые скорости, что приведет по мере их движения к повороту плоскости поляризации суммарной линейно поляризованной волны. Этот поворот и называется эффектом Фарадея. При этом угол поворота плоскости поляризации при длине образца в поле Н равен

, (26)

где С_н - постоянная Верде, которая достигает наибольшего значения у трехбромистого хрома (CrBr₃; C_н=27) и у железо-иттриевого граната (Y₃Fe₅O₁₂; C_н=5). Таким образом, электрооптические эффекты позволяют:

1) менять фазу одной или двух волн путем вариации внешнего поля Е;

2) менять показатель преломления n одной или двух волн при вариации внешнего поля Е, что дает возможность менять направление луча преломленного света изменением поля Е;

3) менять полем Е сдвиг фаз между двумя волнами, что позволяет изменять характер поляризации (при получается круговая поляризация) или направление поляризации (при плоскость поляризации поворачивается на ). Последнее свойство электрооптического эффекта нуждается в пояснении. Пусть в какой-то момент времени в случае, например, продольного эффекта Поккельса поле луча на входе в кристалл находится под углом 45^о к направлениям поляризации и и волны, поляризованные в этих направлениях, синфазны (рис.10,а). И пусть после прохождения лучом пути длиной у этих волн появилась разность фаз . Это значит, что одна из волн изменила на фазу (то есть направление) по отношению ко второй волне, поле Е которой мы будем считать направленной вертикально, так же как и в первый момент (рис.10,б). Видно, что при этом результирующее поле изменило направление своей поляризации на .

Рассуждая точно так же, можно убедиться, что при , когда обе волны окажутся сдвинутыми по фазе на 90^о, результирующий вектор будет иметь круговую поляризацию.

a) б)

Рис. 10

5. Модуляторы и дефлекторы лазерного луча

Рассмотрим методы модуляции оптического излучения. Модуляция бывает четырех типов в зависимости от того, какой из четырех параметров (фаза, частота, амплитуда или направление поляризации) излучения подвергается модуляции. Рассмотрим методы внешней модуляции, когда модулируются параметры уже сформированного луча. Так как волновой процесс описывается соотношением

(27)

то амплитудную модуляцию можно создавать вариацией параметра затухания среды , а фазовую - вариацией показателя преломления n с помощью какого-либо из электрооптических эффектов.

Таким образом, фазовая модуляция производится пропусканием лазерного луча через ячейку Керра или Поккельса, на электроды которой подается модулирующий электрический сигнал.

Из всех возможных типов внешней амплитудной модуляции наибольшее распространение получили поляризационные модуляторы (рис.1,а), состоящие из поляризатора 1, ячейки Керра, или Поккельса, или Фарадея (2), поворачивающей под влиянием полей Е или Н плоскость поляризации луча на 90^о, и анализатора (3), который имеет плоскость поляризации, повернутую на 90^о относительно плоскости поляризации поляризатора 1 (вариант 1). При отсутствии поля Е в ячейке 2 она не поворачивает плоскость поляризации луча и луч через систему не проходит, а при включении поля Е луч проходит (внизу рис.11,а показана реализация 4 ячейки Фарадея Ф, содержащая индуктивную катушку, внутри которой помещен кристалл, обладающий магнитооптическим эффектом). В случае варианта 2 поляризатор 1 и анализатор 3 имеет параллельно расположенные плоскости поляризации, когда свет в отсутствие поля Е проходит через систему, а при его наличии не проходит.

а) б)

Рис.11

Помимо использования постоянного поля E для поворота плоскости поляризации путем изменения показателя преломления, можно создать это изменение и соответствующий поворот плоскости поляризации дополнительным, мощным импульсом света облучающего кристалл. И тогда появится возможность соответствующей импульсной модуляции основного луча (импульсный затвор).

Вторая группа весьма эффективных способов амплитудной модуляции луча-интерференционные способы, которые лучше всего иллюстрируются с помощью интерферометра Фабри-Перо. Если на обкладки, выполненные из полупрозрачного слоя металла, эталона Фабри-Перо, изготовленного из электрооптического материала, подать электрическое поле, то меняя его, можно менять показатель преломления n, а значит резонансную частоту эталона и интенсивность пропускаемого через него света определенной частоты .

В интегральной оптике, где свет распространяется не по круглым световодам, а по прямоугольным тонким диэлектрическим пленкам, большое применение нашел модулятор Маха-Цендера, описание которого вместе с описанием других модуляторов и коммутаторов применяемых в интегральной оптике будет дано далее.

Внешнюю частотную модуляцию света можно получить, используя акустооптическую дифракцию Брегга, так как мы знаем, что частота дифрагированного при этом света _д, где - частота падающего света, а - частота акустических колебаний, которую можно менять по желаемому закону требуемой частотной модуляции выходной частоты _д. До сих пор мы обсуждали внешние способы модуляции.

Внутренние методы модуляции излучения основаны на воздействии на колебательную систему лазерного автогенератора. Амплитудная модуляция при этом основана либо на вариации накачки лазера, либо на изменении добротности, причем такое изменение легче всего получить помещая внутри открытого резонатора на пути луча в качестве УЭ любой из указанных выше внешних амплитудных модуляторов. Частотную модуляцию лазера можно получить, помещая в открытый резонатор на пути луча любой из внешних фазовых модуляторов.

Однако значительно больший интерес представляет использование для частотной модуляции перестраиваемых электрооптических или акустооптических дисперсионных элементов. В частности, используя призму из электрооптического материала (рис.11,б), на боковые грани которой нанесены металлические электроды 4, и меняя на них напряжение и, тем самым, показатель преломления призмы, можно получить отклонение луча данной частоты на различные углы, и на зеркало 2 направлять излучение различных частот, то есть тем самым модулировать или менять частоту генерации лазера, состоящего из зеркал 1 и 2, активной среды 3 и призмы с электродами 4. Аналогичное отклонение и модуляцию частоты генерации лазера можно получить с помощью акустооптического элемента путем изменения частоты акустической волны, управляющей отклонением лазерного луча. При этом акустооптический элемент фактически заменяет призму в предыдущей схеме лазера. На этом мы закончим рассмотрение вопроса о методах модуляции лазерного излучения и вкратце коснемся получения варьируемого электрически отклонения лазерного луча. Два основных метода такого отклонения (с помощью призмы с электродами и с помощью акустооптического элемента) мы только что обсудили. Третий метод, также получивший применение, основан на отклонении луча (рис.12,а) в неоднородном по оси х электрическом поле внутри электрооптического материала (рис.12,б), таком, чтобы вдоль этой оси создавался перепад показателя преломления, равный (рис.12,в). При этом расчеты дают, что угол отклонения луча . Неоднородное электрическое поле удобно создавать с помощью квадрупольного конденсатора (рис.12,г), помещая внутри него электрооптическую среду и пропуская вдоль системы луч, направлением которого на выходе можно управлять с помощью изменения разности потенциалов на электродах конденсатора.



а) б)

в) г)

Рис. 12

Перечисленные методы отклонения лазерного луча используются для создания соответствующих отклоняющих систем (дефлекторов) и систем отклонения в двух взаимно перпендикулярных направлениях, сканирующих систем, которые нашли применение в голографических лазерных запоминающих системах.

Размещено на Allbest.ru

...