Оптические волны в кристаллах - Ярив А.
Скачать (прямая ссылка):
" Это означает, что в направлении, которое отвечает максимальному значению ]ехр(/Дкт)с/3г, где Дк = к' — к — К, происходит рассогласование импульса и интегрирование ведется по области взаимодействия. Акустооптические ус гройс гва
л®
Падающий световой пучок
Пучок,
дифрагированный на звуке частотой
/ + Д/ Пучок,
дифрагированный на звуке частотой
J0
Звуковая волна переменной частоты
РИС. 10.4. Изменение частоты звуковой волны от /0 до /0 + Д/ приводит в соответствии с ?10.2.1) к изменению направления дифрагированного пучка на угол Д0.
Окружность радиуса к с центром в точке О X.
2п ,г
дк=—д/
А
2" ,. * = — Д/о
РИС. 10.5. Диаграмма импульсов, иллюстрирующая отклонение дифрагированного светового пучка от в до в + Ав, обусловленное изменением частоты звука от L до /о + Д.г-
вдоль направления OB и приводит к отклонению пучка на величину Дв. Вспоминая, что углы В и AB малы и что к sin В = К, получаем
м = 1-г = -(10.2.1)
к COS Ub nv cos вв ' 412
Глава 10
где вв — угол брэгговской дифракции на частоте /0. Таким образом, угол отклонения пропорционален изменению частоты звука.
Как и в случае электрооптических дефлекторов, нас не интересует абсолютное значение отклонения Ав. Гораздо больший интерес представляет число разрешимых элементов пучка, т. е. число, определяющее, во сколько раз величина Ав превышает угловую расходимость пучка. Если угловую расходимость пучка рассматривать как дв = 2Х/7Гпш0 [см. (10.1.5)], где ш0— размер гауссова пучка в перетяжке, то число разрешимых элементов запишется в виде
где величина г = жьз0/2юсо%вв приблизительно равна времени прохождения звука через перетяжку гауссова оптического пучка и называется постоянной времени дефлектора.
Обычно качество дефлектора характеризуется параметром, равным отношению полного числа разрешимых элементов и постоянной времени. Этот параметр, определяющий быстродействие дефлектора, в соответствии с (10.2.2) записывается в виде
Таким образом, высокое быстродействие дефлектора возможно, лишь когда полоса модуляции Af велика. Поэтому для дефлекторов пучка желательно использовать высокочастотные звуковые волны, поскольку, согласно (10.1.8), большая полоса модуляции Af возможна только в случае, когда частота модуляции/0 является достаточно высокой.
На практике полоса модуляции Af ограничивается широкополосным преобразователем и допустимыми отклонениями угла Брэгга. Последнее связано с тем, что соответствующий угол падения света при резонансной брэгговской дифракции зависит от частоты звука (i9В ~ \f/2nv). Для того чтобы дефлектор имел полосу Af угол падения (угол между волновым вектором падающего светового пучка к и звуковым волновым фронтом) должен перекрывать диапазон порядка
Ав Wfajn , , N= M = I^TrV =^
(10.2.2)
(10.2.3)
де» = д/>
в 2nv
(10.2.4) Акусгооп гические устройства
413
что позволит получить высокую разрешающую способность. Падающий световой пучок обычно хорошо коллимирован (т. е. угол расходимости пучка 6В мал). Следовательно, звуковая волна должна иметь конечную угловую расходимость дф, сравнимую с ABb или даже больше (т. е. ABb < 5ф). Используя соотношение /0А0 = = и, из выражений (10.1.5) и (10.2.4) получаем
? < (10.2.5)
/о
здесь A0 — длина волны звука с частотой /0. Таким образом, чтобы иметь большую полосу модуляции, длина L преобразователя должна быть малой. Однако в соответствии с (10.1.12) небольшая длина взаимодействия L приводит к низкой эффективности дифракции. Для преодоления этой трудности был предложен метод управления пучком, в котором звуковой пучок при изменении частоты отслеживает угол Брэгга [6]. Этого можно добиться, если создать систему акустических преобразователей, управляемых электрическими сигналами с постепенно возрастающим сдвигом фаз между последовательными элементами преобразователя (рис. 10.6). Такое устройство позволяет избежать ограничивающего условия (10.2.5) и существенно увеличить рабочую полосу Af, а также эффективность дифракции т] за счет концентрации мощности звука в соответствующем направлении, отвечающем брэгговской дифракции для всех частот в пределах Af.
Для иллюстрации характеристик акустооптического дефлектора пучка рассмотрим отклоняющую систему, в которой в качестве среды используется флинт, а частота звука может изменяться от 80 до 120 МГц, т. е. Af = 40 МГц. Пусть диаметр оптического пучка равен 1 см. Тогда из табл. 9.3 находим v = 3,1- IO5 см/с. Следовательно, постоянная времени г равна 3,2 10~6 с, а число разрешимых элементов равно N = гAf = 130.
Увеличение полосы акустооптического дефлектора пучка было продемонстрировано с помощью сфазированной решетки, схематически показанной на рис. 10.6, в кристалле PbMoO4 длиной 3 см [8]. Лазерный пучок (А = 5145 А) отклонялся в такой системе на 2000 разрешимых элементов с постоянной времени 8,5 мкс. При этом была получена ширина полосы 200 МГц. При мощности 0,1 Вт дефлектор отклонял 8% падающей мощности света.
Была также продемонстрирована работа двумерного акустооптического дефлектора на основе кристалла PbMoO4 [9], в котором используются два одинаковых отклоняющих устройства, расположенных ортогонально друг к другу. і 414
