Акустооптические устройства и их применение - Магдич Л.Н.
Скачать (прямая ссылка):
2.4. Тепловые искажения в модуляторах
При работе любого акустооптического устройства в последнем возникают температурные градиенты вследствие выделения тепла в преобразователе, звуковом столбе и звукопоглотителе. Они вызывают искажения оптических характеристик звукопровода и соответственно искажения полей как прошедшего, так и дифрагированного пучков. Тепловая фокусировка в акустооптических устройствах на халькогенидных стеклах и прустите была рассмотрена в работе [23], в работе [24] исследовано влияние тепловыделения на характеристики акустооптических дефлекторов на молибдате свинца. В этом параграфе даны рекомендации по уменьшению тепловых искажений в акустооптических модуляторах на стеклах.
Предположим, что нагрев прибора обусловлен поглощением акустической мощности в звукопроводе. Такая ситуация обычно имеет место в акустооптических модуляторах на стеклах из группы тяжелых флинтов, которые обладают большими коэффициентами поглощения звука, чем монокристаллические вещества. Будем считать, что световой пучок проходит достаточно далеко от пьезопреобразователя и согласованной акустической нагрузки, и выделением тепла в них можно пренебречь. В большинстве реальных акустооптических модуляторов света это условие как правило выполняется, редположим также, что апертура сфокусированного светового пуча мала, так что затухание звука вдоль апертуры не происходит.
43
В этом случае в области поглощения звукопровод приобретает свойства цилиндрической линзы, действующей в плоскости, перпендикулярной плоскости дифракции. Фокусное расстояние этой линзы F определяется выражением [24]:
г х//
F - 2Р(яа + dn/dT)Pa ' (2Л8)
где х, Р и а - коэффициенты теплопроводности, поглощения и тер омического расширения, dti/dT - температурный коэффициент показателя преломления.
Для гауссовых пучков (вообще говоря, для пучков, описывающихся функциями с разделяющимися переменными) распределение поля дифрагированного света в плоскости, перпендикулярной плоскости дифракции, не зависит от величины акустической мощности и совпадает с распределением падающего пучка. На распределение поля в этой плоскости влияет только тепловая линза. Распределение останется гауссовым, но расходимость пучка будет зависеть от акустической мощности. Расходимость дифрагированного пучка будет зависеть также от расположения модулятора относительно перетяжки падающего света. С помощью формул Когельника [25] легко показать, что для любого значения акустической мощности существует точка, в которой модулятор не искажает дифрагированного поля, а при условии
F> (я/Хо)а>2о (2.19)
ее положение не зависит от акустической мощности и совпадает с положением перетяжки. Расходимость дифрагированного пучка увеличивается, если модулятор находится до перетяжки и уменьшается, если модулятор помещается после перетяжки.
Условие (2.19) позволяет произвести селекцию акустооптиче-ских материалов, применение которых в модуляторах заведомо не вызовет температурных искажений.
Предположим, что АОМ имеет оптимальные параметры, определяемые выражениями (2.15) и (2.16), а также, что акустическая мощность такова, что перекачка в брэгговский порядок максимальна. Тогда из (1.34), (2.-15), (2.18), (2.19) и условия а=1 получим
р/х [а + (1/я) (dn/dT)] M2/X*0s.
Последнее выражение не зависит от геометрии модулятора, а определяется только константами материала и длиной световой волны. Оно определяет класс акустооптических материалов, применение которых в АОМ, оптимизированных по полосе модулирующих частот, не приведет к тепловым искажениям прошедшего и дифрагированного лучей.
2.5. Применение акустооптических модуляторов
АОМ могут использоваться в тех же устройствах или экспериментальных установках, где ранее использовались электрооптические модуляторы (ЭОМ), успешно конкурируя с ними.
44
Преимуществом АОМ является: более высокая контрастность, определяемая отношением максимальной дифрагированной световой мощности к минимальной; меньшая управляющая мощность и низковольтный вход, что позволяет использовать транзисторный подмодуля-тор; простая оптическая схема, в которой отсутствуют склоки элементов; температурная стабильность модуля-, ционной характеристики.
АОМ может размещаться как вне резонатора лазера, так и внутри его. Внешние и внутренние АОМ отличаются по конструкции и параметрам. Рассмотрим сначала внешние АОМ по сравнению с внешними ЭОМ.
Контрастность. Характерная величина контрастности ЭОМ 102, для АОМ легко получить величину 103-10V Эта цифра главным образом определяется рассеянием света в материале и может быть еще увеличена.
Управляющая мощность. Известно, что ЭОМ, представляющий собой чистую емкость, не потребляет, если отвлечься от диэлектрических потерь, при модуляции энергии. Вся энергия источника модулирующего сигнала рассеивается на его внутреннем сопротивлении. Для того, чтобы обеспечить диапазон частот модуляции от 0 до /м (по уровню 3 дБ), внутреннее сопротивление источника должно составлять]/3(2nCfM)~l Ом, где С - емкость ЭОМ. Мощность, рассеиваемая в источнике, при непрерывной модуляции на частоте fM определится выражением
