Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
Важнейшей характеристикой фильтра является его разрешающая способность, определяемая выражением (14.70), из которого следует, что для получения высокой разрешающей способности (малые ДХ1/2) требуются кристаллы с большой длиной АО взаимодействия. Если для оценки принять А. = 0,5-Ю^4 см, Дл = 0,01, L = 5 см, то разрешающая способность АО фильтра оказывается на уровне 5-10~8 см. В действительности разрешающая способность несколько хуже из-за того, что Ак возникает и из-за неоднородности среды. Для достижения разрешающей способности, близкой к теоретической, однородность среды должна быть такой, чтобы изменения показателя преломления были на уровне ЮЛ
Эффективность АО фильтра г) = hll оценивается в процентах на единицу акустической мощности Рзв. Эффективность обычно определяется для уровня акустической мощности, при котором сохраняется
327
линейная зависимость между и Рзв. Переходя в (14.65) от интенсивности звука /зв к мощности звука (Ав = /зв//2), получим
ЗВ*
(15.13)
Для АО фильтра, в котором длина рабочего элемента L может быть достаточно большой, важным обстоятельством, лимитирующим L, могут оказаться потери акустической мощности в результате поглощения звука в кристалле у.
Третьей важнейшей характеристикой АО фильтра является быстродействие. Возможность перестройки длины волны света, пропускаемого фильтром, с помощью изменения акустической длины волны позволяет использовать АО фильтр как быстодейсгвующий спектрометр. Для регистрации спектра обычно используется последовательность акустических импульсов с изменяющейся от импульса к импульсу длиной волны звука Л. Каждый акустический импульс позволяет из спектра начального излучения Jo выделить дифрагированный луч света J\. Если область регистрируемого спектра обозначить как ЪХ (видимой области спектра соответствует ЪХ = 400 нм), а разрешающую способность спектрометра АХ, то для регистрации всего спектра нужно получить число точек, равное N = SX/AX. Для повышения надежности регистрации каждая точка измеряется несколько т раз с целью статистической обработки данных. Тогда время измерения каждой точки т = m(t + .?), где t - длительность импульса, s -скважность, а время измерения всего спектра
Очевидно, что стремление увеличить разрешающую способность фильтра не повышает его быстродействие. Величиной, влияющей на быстродействие, является время прохождения импульса через АО элемент (t + s), которое тем больше, чем больше длина АО взаимодействия и чем меньше скорость звука в кристалле. Для повышения быстродействия (уменьшения т) следует (если это возможно) выбирать материал с большими скоростями звука.
В качестве примеров реализации АО фильтров можно привести устройства, созданные на кристаллическом кварце [5, 6], молибдате кальция [7] и ниобате лития [8].
328
= m(t + s)(?>X/AX).
(15.14)
15.3.2. Примеры реализации коллинеарного
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИ СОЗДАНИИ АКУСТООПТИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ
Фильтр на кристаллах кварца
Схема АО фильтра на кварце показана на рис. 15.4. Ось кристаллического элемента направлена вдоль оси х. Продольная звуковая волна после отражения от скошенной грани элемента направляется вдоль оси х со скоростью vx = 5,75 км/с. Начальный световой луч поляризован вдоль оси г (необыкновенная волна). Звуковая волна создает деформацию Si 1. Эта деформация поворачивает оптическую индикатрису кварца на угол, определяемый величиной компоненты тензора диэлектрической восприимчивости туз = />п2з5ц (т^ = p\*Si). Поворот оптической индикатрисы происходит вокруг оси х (рис. 15.4, б). В результате необыкновенная волна Ее разлагается на две Ег и ?у, суммарная проекция которых на ось у определяет появление на выходе кристалла волны с обыкновенной поляризацией Е0. Таким образом, АО взаимодействие приводит к возникновению оптических волн с поляризацией Е0, ортогональной к поляризации начальной волны Ее, для тех длин волн, которые отвечают условию Х\ = ДиЛ.
Ориентируя на выходе фильтра анализатор так, чтобы он пропускал луч с поляризацией Е0, получаем на выходе свет с длиной волны Х\. Акусто оптическая эффективность кварца невелика (Мг = = 0,15-10 18 с3/г), поэтому перестраиваемые АО фильтры на кварце требуют значительной акустической мощности (Рш до 10 Вт). Эти недостатки кварца компенсируются тем, что кварц имеет величину Ди = = 0,009, что позволяет использовать относительно низкочастотный звук в фильтрах видимого диапазона длин волн. Кроме того, имеется промышленное производство кристаллов кварца больших размеров и достаточно высокого качества, что позволяет создавать фильтры с большой длиной АО взаимодействия и хорошей разрешающей способностью.
Рис. 15.4. Схема акустооптического фильтра на кристалле кварца:
а - принципиальная схема АО элемента (ко, ki и К- волновые векторы начальной, дифрагированной световых волн н акустической волны соответственно); б - поворот оптической индикатрисы кварца под действием звуковой волиы, создающей деформацию 5;/ - поляризатор; 2 - анализатор
329
Фильтр на кристаллах CaMoOi
Кристаллы молибдата кальция перспективны для создания коллине-арных АО фильтров для видимого диапазона длин волн [9]. Молиб-дат кальция не обладает рекордными характеристиками, и конкурентноспособным его делает благоприятное сочетание свойств. Мо-либдат кальция имеет оптимальную для создания фильтров видимого диапазона величину двупреломления (Ал = 0,01). Акустооптическое качество СаМо04 хотя и не очень велико, однако на порядок выше, чем у кварца (для СаМо04 Мг = 2-10-18 с3/г). Скорость сдвиговых волн в этих кристаллах относительно невысока (V = 2,95-105 см/с). Кристаллы обладают низким затуханием звука. Они достаточно технологичны, могут быть получены больших размеров и высокого оптического качества. Схема коллинеарного АО фильтра на СаМо04 показана на рис. 15.5. Кристалл, имеющий симметрию 4шт, позволяет организовать АО взаимодействие с направлением волновых векторов света и звука вдоль [010] для поляризации света [001] (необыкновенная волна).
