Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
(7.12)
(7.13)
(7.14)
случае Uu2 может служить характеристикой кристалла. Напряжение Uх/2 обеспечивает достижение минимума I и используется в электро-оптических затворах.
Для модуляции света может быть важно, чтобы закон модуляции наиболее точно соответствовал закону изменения электрического напряжения. Это возможно, если модуляция осуществляется так, что зависимость I(U) близка к линейной. Как видно из рис. 7.3, при изменении напряжения от -U до +U зависимость I{U) нелинейна. Если колебания управляющего напряжения совершаются в пределах от-U до + U при том, что величине U - О соответствует минимум I, то колебания I будут гораздо меньше, чем в том случае, если U колеблется около напряжения, соответствующего сдвигу волн по фазе, равной л/2 (оптическая разность хода >74). Кроме того, модуляция света при изменении напряжения от -U до +U происходит с удвоенной частотой. Наиболее близка зависимость I(U) к линейной вблизи Urn- Начальный сдвиг фаз на я/2 можно получить двумя путями: подав постоянное электрическое поле Uu4, либо введя в промежуток между поляризатором и кристаллом пластинку, обеспечивающую разность хода Х/4. Последний прием гораздо проще и им обычно пользуются при создании электр о оптических модуляторов.
В электрическом смысле электрооптический элемент представляет собой конденсатор. При повышении частоты управляющего электрического поля возрастает реактивная составляющая электропроводности, равная
Рис. 7.3. Пропускание системы поляризатор - кристалл-анализатор. Поляроиды скрещены, оптическая ось кристалла составляет 45° с осями поляроидов:
/о - интенсивность падающего света; 11 - интенсивность света, прошедшего через электрооптический модулятор; U - управляющее напряжение. Под осью абсцисс показано переменное управляющее напряжение: a - без сдвигающей постоянной составляющей; б - с постоянным сдвигающим напряжением С/м; /,' н /[' - модуляция света, проходящего через модулятор без постоянной составляющей U и с постоянной составляющей Uх/4 соответственно; Uxn - управляющее напряжение, обеспечивающее экстремальное пропускание модулятора
149
nr = 2п/а,
(7.16)
где f - частота электрического поля;
Ск - емкость кристаллического элемента.
Величина емкости кристаллического элемента определяется как
где s - площадь электродов;
h - расстояние между электродами.
В выражении (7.17) Ск определяется в пикофарадах, если линейные размеры кристаллического элемента взяты в миллиметрах.
Ток через кристалл определяют по формуле
где ак - активная электропроводность, равная 2nfCK tg5 (tg5 - тангенс угла диэлектрических потерь).
Из (7.18) следует, что /к возрастает с ростом частоты управляющего поля.
Мощность, потребляемая электр о оптическим элементом,
тоже возрастает с ростом частоты.
Мощность, необходимая для достижения в кристалле полуволнового напряжения,
и при высоких частотах может оказаться недостижимой из-за слишком большого нагрева кристалла. Практически кристалл перестает возбуждаться (требуемая для возбуждения мощность становится слишком большой) при частотах управляющего поля порядка 100 МГц. Поэтому для высокочастотных приборов в качестве рабочей характеристики электрооптического элемента следует брать не U^ji, а мощность Рх/2- Критерием качества кристаллов для высокочастотных приборов служит величина наведенного сдвига фаз Дер, отнесенная к величине управляющей мощности. Поскольку Дер * U, а Р * IP, критерием качества кристалла, применяемого для высокочастотных приборов, является отношение
Ск = 8,85 • I0\s/h),
(7.17)
Ik = U(gк + /2л/Ск),
(7.18)
P = ^U2oK=U2nfCKtg&
(7.19)
Pm = (IMVCk tg5
(7.20)
(7.21)
Величина q имеет размерность рад2/Вт.
150
7.3. ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ ЗАТВОРЫ НА РЕГУЛЯРНОЙ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЕ
Принцип действия электрооптического затвора на кристаллах с регулярной доменной структурой (РДС) основан на том, что в этих кристаллах создается структура, модулированная по электрооптическим свойствам. В частности, в кристалле ниобата лития (оптически одноосный кристалл симметрии 3т) с РДС создаются домены, с антипа-раллельными векторами спонтанной поляризации. Следовательно, в соседних доменах меняет знак кристаллофизическая ось 3 (ось г). В отсутствие внешнего электрического поля такие домены оптически неразличимы, так как оптическая индикатриса при изменении знака оси z не меняется. Однако изменение знака оси z меняет знак тех электроопгических коэффициентов гт, у которых в состав индексов входит индекс 3. В частности, меняет знак коэффициент г333 (в матричной записи г33). В результате под действием электрического поля изменение показателя преломления в соседних доменах может отличаться по знаку, а в кристалле с РДС возникает фазовая дифракционная решетка1.
Период дифракционной решетки (размер доменов) составляет несколько десятков микрон, и для света с направлением волнового вектора, параллельного доменной стенке, реализуется режим дифракции Рамана - Ната. Интенсивность излучения в дифракционном максимуме порядка т составляет
/„ = [2п1Ап(Е)/Ц, (7.22)
где /о - интенсивность света, прошедшего через кристалл с РДС в отсутствие электрического поля;
