Акустооптический модулятор

Акустооптический модулятор (АОМ) , также называемый ячейкой Брэгга или акустооптическим дефлектором (АОД) , использует акустооптический эффект для дифракции и смещения частоты света с помощью звуковых волн (обычно на радиочастоте ). Они используются в лазерах для модуляции добротности , в телекоммуникациях для модуляции сигнала и в спектроскопии для управления частотой. Пьезоэлектрический преобразователькрепится к такому материалу, как стекло. Колеблющийся электрический сигнал заставляет преобразователь вибрировать, что создает звуковые волны в материале. О них можно думать как о движущихся периодических плоскостях расширения и сжатия, которые изменяют показатель преломления . Входящий свет рассеивается (см. Рассеяние Бриллюэна ) в результате периодической модуляции индекса, и возникает интерференция, аналогичная дифракции Брэгга . Взаимодействие можно рассматривать как процесс трехволнового смешения, приводящий к генерации суммарной частоты или генерации разностной частоты между фононами и фотонами .

Типичный АОМ работает в условиях Брэгга , когда падающий свет падает под углом Брэгга от перпендикуляра распространения звуковой волны. ^{[1] [2]}${\ displaystyle \ theta _ {B} \ приблизительно \ sin \ theta _ {B} = {\ frac {\ lambda} {2n \ Lambda}}}$

Когда падающий световой луч находится под углом Брэгга, появляется картина дифракции, в которой порядок дифрагированного луча возникает при каждом угле θ, который удовлетворяет:

Здесь m  = ..., -2, -1, 0, +1, +2, ... - порядок дифракции, - длина волны света в вакууме, - показатель преломления кристаллического материала (например, кварца ), а – длина волны звука. ^[3] сама по себе является длиной волны света в материале. Обратите внимание, что m = +1 и m = -1 порядка выхода под углом Брэгга от перпендикуляра распространения звуковой волны.${\ Displaystyle \ лямбда}$${\ Displaystyle п}$${\ Displaystyle \ лямбда}$ ${\ Displaystyle {\ гидроразрыва {\ лямбда} {п}}}$

Дифракция от синусоидальной модуляции в тонком кристалле в основном приводит к порядкам дифракции m  = -1, 0, +1. Каскадная дифракция в кристаллах средней толщины приводит к более высоким порядкам дифракции. В толстых кристаллах со слабой модуляцией дифрагируют только фазовые порядки; это называется дифракцией Брэгга . Угловое отклонение может составлять от 1 до 5000 ширины луча (количество разрешаемых пятен). Следовательно, отклонение обычно ограничивается десятками миллирадиан .

Количество света, дифрагированного звуковой волной, зависит от интенсивности звука. Следовательно, интенсивность звука можно использовать для модуляции интенсивности света в дифрагированном луче. Как правило, интенсивность, которая дифрагирует до порядка m  = 0, может варьироваться от 15% до 99% от интенсивности входного света. Точно так же интенсивность порядка m  = +1 может варьироваться от 0% до 80%.

Акустооптический модулятор состоит из пьезоэлектрического преобразователя, который создает звуковые волны в таких материалах, как стекло или кварц. Световой пучок дифрагирует на несколько порядков. Вибрируя материал с чистой синусоидой и наклоняя АОМ так, чтобы свет отражался от плоских звуковых волн в первом порядке дифракции, можно достичь эффективности отклонения до 90%.

Эскиз для объяснения условия Брэгга для AOD. Λ — длина волны звуковой волны, λ — световой волны, n — показатель преломления кристалла в АОД. Порядок +1 имеет положительный частотный сдвиг по сравнению с падающим светом; 0-й порядок имеет ту же частоту, что и падающий свет. Незначительное поперечное смещение 0-го порядка от падающего света представляет преломление внутри кристалла.