Акустооптические устройства и их применение - Магдич Л.Н.
Скачать (прямая ссылка):
/==52 мм; Яо=0,6328 мкм; /2 = 1,728; /0=80 МГц; Л=45 мкм. Время нарастания акустического импульса tra = =20 не
8 4 2 1 0,5 а
Компромисс между полосой и эффективностью модулятора может быть достигнут при близких соотношениях расходимостей света и звука. Поэтому область значений I для АОМ считается оптимальной.
2.2. Предельная полоса модулирующих частот
Рассмотрим ограничение полосы АОМ при уменьшении акустической частоты, связанное с перекрытием прошедшего и дифрагированного пучков. Как легко видеть, для достижения высокой контрастности необходимо, чтобы радиус перетяжки светового пучка wo
в области акустического поля удовлетворял условию
w0=wMsy (2.13)
где: wM=2v/nfo - радиус перетяжки, при которой прошедший и дифрагированный пучки перекрываются на уровне 1/е2 по интенсивности; s - коэффициент запаса. Соотношения (2.4) и (2.13) определяют допустимую
полосу модулирующих частот Д/м0 на уровне 0,5
= (2.14)
Найдем предельную полосу модулирующих частот при а=1 с учетом ограничения (2.14). В предположении слабого взаимодействия распределение поля дифрагированного света при а=1 незначительно отличается от распределения падающего поля. Это позволяет с некото-
39
л
рым приближением воспользоваться формулами, выведенными для а<Cl. Из (1.44) и (2.4) следует, что полоса АОМ при а-1, равна
AfMl = Vh[y2(v>!LXf0).
Графики функций AfM0 и AfMi в зависимости от центральной частоты представлены на рис. 2.4. Область ча стот, в которой дифрагированный и прошедший пучки перекрываются, заштрихована. Максимальная (предель ная) полоса модуляторов Д/м max достигается в точке
Рис. 2.4. Полоса частот акусто-оптического модулятора в зависимости от центральной частоты.
Область частот, которые нельзя реализовать, заштрихована
пересечения кривых Д/мо и A/Mi- Она реализуется на центральной частоте Дн
= (2.15)
и равна
Д/мшах = 0/1(2.16)
Из (2.16) следует, что предельная полоса АОМ является функцией длины его преобразователя. Выражения (2.15) и (2.16) определяют оптимальные параметры АОМ.
Определим наибольшее значение величины произведения эффективности на полосу модулирующих частот. Из выражений (1.36) (при а= 1 формула (1.36) дает значение эффективности, завышенное примерно на 20%) и (2.16) имеем
w"m" ^ *2 УШ^Л42Ра уГ/(4у7п'х* ущ.
Ширину пьезопреобразователя Н выбирают с коэффициентом запаса Su так что H-2siW0. Выражая w0 как функцию L из условия равенства расходимостей света и звука на частоте /оь для произведения эффективности
4Q ...
(
МоДуЛя-юра tfa его полбсу йолучйМ
Практические расчеты удобно производить по видоизмененной формуле (2.17)
где T]i - эффективность, отнесенная к 1 Вт акустической мощности.
Последнее выражение показывает, что произведение эффективности на полосу для оптимального сконструированного АОМ определяется лишь свойствахми акустооптического вещества и длиной волны излучения. Полагая rji=l, например для молибдата свинца, найдем при длине волны излучения 0,63 мкм
Для АОМ на германии с длиной волны 10,6 мкм
Разумеется, эти числа имеют оценочный характер, тем не менее предложенные формулы могут оказаться полезными при конструировании АОМ.
2.3. Конструкция акустооптического модулятора
Внешний вид АОМ видимого диапазона показан на рис. 2.5. Акустооптической средой этого модулятора является стекло (тяжелый флинт ТФ-7), отличающееся от других стекол относительно невысоким поглощением звука (по сравнению с поглощением в распространенных кристаллических акустооптических материалах этот параметр у стекла ТФ-7 велик и составляет 3 дБ/см на частоте 100 МГц). Продольная акустическая волна воз-уждается пьезопреобразователем из ниобата лития, вырезанного под углом 36° к оси F. С поверхностью стекла
41
^3,43-10-
nv
2I плавленого кварца
относительно
•)
SSX\*0 (мкм)
Д/мшахМ1/<>2.7-10* (МГц/Вт).
мтах
Л/"твхМ1/ОЗ,4-10* (МГц/Вт).
Рис. 2.5. Внешний вид АОМ на длину волны Я0=0,6328 мкм
пьезопреобразователь соединен методом диффузионной индиевой сварки. Акустический пучок имеет размеры Ь= 10 мм, II=0,7 мм.
С тыльной стороны к пьезопреобразователю через теплопроводную пасту присоединен теплоотвод из сапфира. Для поглощения акустической энергии, прошедшей через световой луч, к поверхности звукопровода, противоположной пьезопреобразователю, методом холодной сварки присоединялась пластина из индия. Чтобы отраженный от индиевой нагрузки луч не участвовал
Рис. 2.6. Осциллограмма фронта светового импульса. Масштаб развертки 20 нс/см. Увеличение интенсивности - вниз
42
В процессе дифракции, эта / Оо/
поверхность скашивалась ' °
под углом 2°.
Центральная рабочая частота модулятора /о=
==80 МГц. Импеданс преобразователя согласован с 50- ^ омным трактом модулирующего СВЧ сигнала в полосе частот ±10 МГц с помощью 20 трансформаторной согласующей системы. Величина перетяжки света до0=0,1 мм | О
(коэффициент запаса 5=
=3,5). Измерения проводи- рис 2.7. Эффективность АОМ ЛИСЬ на длине ВОЛНЫ Яо= В зависимости от СВЧ мощно-=0,63 мкм. На рис. 2.6 по- сти
казана фотография фронта
светового импульса, переданного АОМ. Экспериментальная зависимость относительной интенсивности /1 /7° дифрагированного света (эффективности) от СВЧ мощности приведена на рис. 2.7. Эффективность дифракции достигает 50% на 1 Вт СВЧ мощности.
