Модуляторы и дефлекторы лазерного луча

Рассмотрим методы модуляции оптического излучения. Модуляция бывает четырех типов в зависимости от того, какой из четырех параметров (фаза, частота, амплитуда или направление поляризации) излучения подвергается модуляции. Рассмотрим методы внешней модуляции, когда модулируются параметры уже сформированного луча. Так как волновой процесс описывается соотношением.

(27).

то амплитудную модуляцию можно создавать вариацией параметра затухания среды, а фазовую — вариацией показателя преломления n с помощью какого-либо из электрооптических эффектов.

Таким образом, фазовая модуляция производится пропусканием лазерного луча через ячейку Керра или Поккельса, на электроды которой подается модулирующий электрический сигнал.

Из всех возможных типов внешней амплитудной модуляции наибольшее распространение получили поляризационные модуляторы (рис. 1,а), состоящие из поляризатора 1, ячейки Керра, или Поккельса, или Фарадея (2), поворачивающей под влиянием полей Е или Н плоскость поляризации луча на 90^о, и анализатора (3), который имеет плоскость поляризации, повернутую на 90^о относительно плоскости поляризации поляризатора 1 (вариант 1). При отсутствии поля Е в ячейке 2 она не поворачивает плоскость поляризации луча и луч через систему не проходит, а при включении поля Е луч проходит (внизу рис. 11,а показана реализация 4 ячейки Фарадея Ф, содержащая индуктивную катушку, внутри которой помещен кристалл, обладающий магнитооптическим эффектом). В случае варианта 2 поляризатор 1 и анализатор 3 имеет параллельно расположенные плоскости поляризации, когда свет в отсутствие поля Е проходит через систему, а при его наличии не проходит.

а) б) Рис. 11.

Помимо использования постоянного поля E для поворота плоскости поляризации путем изменения показателя преломления, можно создать это изменение и соответствующий поворот плоскости поляризации дополнительным, мощным импульсом света облучающего кристалл. И тогда появится возможность соответствующей импульсной модуляции основного луча (импульсный затвор).

Вторая группа весьма эффективных способов амплитудной модуляции луча-интерференционные способы, которые лучше всего иллюстрируются с помощью интерферометра Фабри-Перо. Если на обкладки, выполненные из полупрозрачного слоя металла, эталона Фабри-Перо, изготовленного из электрооптического материала, подать электрическое поле, то меняя его, можно менять показатель преломления n, а значит резонансную частоту эталона и интенсивность пропускаемого через него света определенной частоты .

В интегральной оптике, где свет распространяется не по круглым световодам, а по прямоугольным тонким диэлектрическим пленкам, большое применение нашел модулятор Маха-Цендера, описание которого вместе с описанием других модуляторов и коммутаторов применяемых в интегральной оптике будет дано далее.

Внешнюю частотную модуляцию света можно получить, используя акустооптическую дифракцию Брегга, так как мы знаем, что частота дифрагированного при этом света _д, где — частота падающего света, а — частота акустических колебаний, которую можно менять по желаемому закону требуемой частотной модуляции выходной частоты _д. До сих пор мы обсуждали внешние способы модуляции.

Внутренние методы модуляции излучения основаны на воздействии на колебательную систему лазерного автогенератора. Амплитудная модуляция при этом основана либо на вариации накачки лазера, либо на изменении добротности, причем такое изменение легче всего получить помещая внутри открытого резонатора на пути луча в качестве УЭ любой из указанных выше внешних амплитудных модуляторов. Частотную модуляцию лазера можно получить, помещая в открытый резонатор на пути луча любой из внешних фазовых модуляторов.

Однако значительно больший интерес представляет использование для частотной модуляции перестраиваемых электрооптических или акустооптических дисперсионных элементов. В частности, используя призму из электрооптического материала (рис. 11,б), на боковые грани которой нанесены металлические электроды 4, и меняя на них напряжение и, тем самым, показатель преломления призмы, можно получить отклонение луча данной частоты на различные углы, и на зеркало 2 направлять излучение различных частот, то есть тем самым модулировать или менять частоту генерации лазера, состоящего из зеркал 1 и 2, активной среды 3 и призмы с электродами 4. Аналогичное отклонение и модуляцию частоты генерации лазера можно получить с помощью акустооптического элемента путем изменения частоты акустической волны, управляющей отклонением лазерного луча. При этом акустооптический элемент фактически заменяет призму в предыдущей схеме лазера. На этом мы закончим рассмотрение вопроса о методах модуляции лазерного излучения и вкратце коснемся получения варьируемого электрически отклонения лазерного луча. Два основных метода такого отклонения (с помощью призмы с электродами и с помощью акустооптического элемента) мы только что обсудили. Третий метод, также получивший применение, основан на отклонении луча (рис. 12,а) в неоднородном по оси х электрическом поле внутри электрооптического материала (рис. 12,б), таком, чтобы вдоль этой оси создавался перепад показателя преломления, равный (рис. 12,в). При этом расчеты дают, что угол отклонения луча. Неоднородное электрическое поле удобно создавать с помощью квадрупольного конденсатора (рис. 12,г), помещая внутри него электрооптическую среду и пропуская вдоль системы луч, направлением которого на выходе можно управлять с помощью изменения разности потенциалов на электродах конденсатора.

а) б).

в) г) Рис. 12.

Перечисленные методы отклонения лазерного луча используются для создания соответствующих отклоняющих систем (дефлекторов) и систем отклонения в двух взаимно перпендикулярных направлениях, сканирующих систем, которые нашли применение в голографических лазерных запоминающих системах.