Акустооптические устройства и их применение - Магдич Л.Н.
Скачать (прямая ссылка):
Парателлурит (химическая формула ТеОг)-тетрагональный кристалл класса (422), обладающий оптической активностью. Вдоль его оптической оси право- и левоциркулярно-поляризованные световые волны распространяются с отличающимися скоростями, причем соответствующая разность коэффициентов преломления составляет всего 4,5-10-3. Парателлурит обладает редким сочетанием свойств, сделавших этот материал одним из самых перспективных в акустооптике. Так, сдвиговая звуковая волна, распространяющаяся вдоль оси [110], имеет очень небольшую скорость - всего 0,61 X ХЮ5 см/с, что позволяет при тех же апертурах светового луча получать большее по сравнению с другими
75
материалами разрешение. Коэффициент акустооптического качества при дифракции света на этой волне по отношению к плавленому кварцу составляет 510. Управляющая мощность в дефлекторах на Те02 относительно невелика даже при L/#<1, что позволяет использовать световые лучи с круглым сечением и обходиться без сложной формирующей оптики с цилиндрическими лик зами. Уже сейчас доступны кристаллы парателлурит: размером до нескольких сантиметров. Впервые анизотропный дефлектор на парателлурите был изучен в ра боте [45]. Векторная диаграмма дифракции соответст вует рис. 4.2. Звуковая волна в кристалле распростра нялась вдоль оси [110], излучение - под небольших углом к оси [001]. Центральная частота диапазона, за висящая от длины световой волны, определяется выра жением (4.2). Например, при Хо=0,63 мкм fo-42 МГц при Аю=0,44 мкм Д>=85 МГц. В изотропных дефлекто рах для достижения необходимого частотного диапазоне приходится жертвовать эффективностью, чтобы обеепе чить большую расходимость звуковой волны. При ЭТОУ возникает дифракция света в более высокие порядки, свойственная режиму Рамана - Ната. В дефлекторе на парателлурите, благодаря слабой зависимости угла падения луча от частоты, для достижения необходимой расходимости звука не нужно укорачивать пьезопреобразователь. В частотном диапазоне от 60 до 120 МГц в парателлурите расходимость звука должна составлять 0,15°, для изотропного дефлектора эта же величина равна 1,2°. Это означает, что длина пьезопреобразователя L изотропного дефлектора в восемь раз меньше, чем анизотропного. Соответственно должна возрасти и управляющая мощность, что крайне нежелательно из-за термических эффектов, возникающих при больших уровнях перекачки.
Все же преимущество анизотропной дифракции в описанной геометрии проявляется не полностью, и дефлектор имеет следующие недостатки: слишком низкая центральная частота не позволяет получать частотный диапазон сканирования с таким распространенным источником излучения, как лазер на смеси Не-Ne; в центре частотной характеристики расположен глубокий провал, связанный с двухфононным процессом.
В работе [48] предложена геометрия взаимодействия, при которой частота вырождения выводится из частотного диапазона дефлектора, а частотный диапазон для света длиной волны 0,63 мкм
76
расположен от 47 до 97 МГц. Для этого в акустооптическом элементе дефлектора, изготовленном из парателлурита, волновой вектор звуковой волны направлен под небольшим углом 0а к оси [110] (рис. 4.5). Разница скоростей распространения падающей и дифрагированной волны, как видно из рисунка, определяется уже не оптической активностью, а двулучепреломлением кристалла. Величины волновых векторов падающего и дифрагированного света и звуковой волны зависят от углов
А(6б) =2лл (0Б)/ХО; А, (0.) =2кя, (б^/Х.;
К( 8а)=Й/С-(0а).
Для работы в широком частотном диапазоне необходимо, чтобы они образовывали на центральной частоте прямоугольный треуголь-
Рис. 4.5. Векторная диаграмма дефлектора на парателлурите с неаксиальной геометрией
ш
Рис. 4.6. Конструкция акустооптического элемента дефлектора с неаксиальной геометрией:
1 - прошедший свет; 2 - дифрагированный свет; 3 - пьезопреобразователь; 4-поглотитель звука
ник, т. е. чтобы звуковой вектор касался кривой, образованной движением конца волнового вектора обыкновенной волны (рис. 4.5).
Из-за асимметрии векторной диаграммы вторичная дифракция отклоненного излучения на этой частоте невозможна.
На рис. 4.6 показана конструкция акустооптического элемента, реализующая эту векторную диаграмму. Угол 0а составляет 6°, звуковой луч наклонен к оси [110] под углом 51,3°. Такой наклон является следствием сильной акустической анизотропии парателлурита.
На рис. 4.7 приводится зависимость углов падения и дифракции от частоты звука. При падении света с разных сторон на фронт звуковой волны условие ddB/df=0 выполняется на частотах
f0i=72 МГц и /о2=136 МГц. Между этими двумя частотами лежит частота вырождения fo= 111 МГц, не попадающая в частотный диапазон дефлектора.
Угол падения излучения 0Б = 4,2° на частоте 72 МГц, которая
была выбрана центром рабочего диапазона. Для обеспечения перпендикулярного падения света на входную грань акустооптического
77
элемента последняя была скошена под этим же углом по отношению к оси [110].
Отклонение от аксиальной геометрии на 6° приводит к уменьшению коэффициента качества примерно на 20% и к увеличению скорости звука от 0,61 -105 до 0,65-105 см/с. В приборе для получения эффективности 92% потребовалась мощность 0,21 Вт. На рис. 4.8 показаны частотные характеристики анизотропных дефлекторов со звуковой волной, бегущей по оси [110], и с волной, имеющей нормаль, наклоненную под углом 0а=6° к этой оси!
