Электрооптическая модуляция добротности.

Этот метод модуляции добротности основан на использовании электрооптического эффекта, заключающегося в изменении показателя преломления среды под действием внешнего электрического поля. Различают два электрооптических эффекта — квадратичный (эффект Керра) и линейный (эффект Поккельса). В первом случае изменение показателя преломления пропорционально квадрату электрической напряженности внешнего поля, а во втором — первой степени напряженности поля. Эффект Поккельса существует лишь в кристаллах, не имеющих центра симметрии. В качестве примера укажем одноосные кристалы (химическая формула и (формула: или, точнее, , где х — степень дейтерирования).

Рассмотрим электрооптическую модуляцию добротности резонатора на основе эффекта Поккельса. Предварительно поясним сущность самого эффекта.

Рис. 3.21

Рис. 3.22

На рис. 3.21 изображена оптическая индикатриса одноосного кристалла, представляющая собой эллипсоид вращения вокруг оптической оси — показатели преломления для обыкновенной и необыкновенной волн соответственно (они являются главными показателями преломления кристалла). У кристаллов и при длине волны света около 1 мкм и температуре образца

Приложим к кристаллу внешнее электрическое поле, направленное по оси . Под действием поля оптическая индикатриса кристалла превратится из эллипсоида вращения в трехосный эллипсоид (кристал превратится из одноосного в двухосный). На рис. 3.22 показаны сечения оптической индикатрисы плоскостью, перпендикулярной оси (перпендикулярной направлению приложенного поля): штриховая линия — до включения поля, непрерывная — после включения поля. Главные показатели преломления кристалла после включения поля главные диэлектрические оси (последняя перпендикулярна плоскости рисунка). Эффект Поккельса описывается в рассматриваемом случае соотношениями

где Е — напряженность электрического поля; — одна из электрооптических постоянных кристалла.

Рис. 3.23

Будем рассматривать продольный эффект Поккельса — свет распространяется вдоль направления поля (перпендикулярно плоскости рис. 3.22). В этом случае внутри кристалла будут распостраняться две линейно-поляризованные волны, поляризации которых направлены вдоль осей X (скорость волны и (скорость волны ). Используя (3.5.1), находим разность фаз указанных волн после прохождения светом пути в кристалле:

Здесь — длина волны света в вакууме, — напряжение, приложенное к кристаллу — длина кристалла по оси ). Для кристалла для кристалла

На рис. 3.23, а приведена схема лазера с модуляцией добротности на основе продольного эффекта Поккельса. Здесь 1 — активный элемент, 2 — ячейка Поккельса (К — кристалл DKDP, Э — электроды), 3 - линейные поляризаторы, 4 — зеркала резонатора. Направление поляризации света, прошедшего через поляризатор (направление на рисунке) составляет угол с направлением главной диэлектрической оси кристалла X (направление на рисунке).

Предположим, что на кристалл подано напряжение (ячейка Поккельса включена). В этом случае световые волны с поляризациями вдоль оси X и вдоль оси окажутся после прохождения ячейки сдвинутыми по фазе друг относительно друга на величину определяемую соотношением (3.5.2). В результате линейно-поляризованный

Рис. 3.24

световой пучок, входящий в ячейку Поккельса, превратится на выходе из ячейки в эллиптически поляризованный пучок. Пусть на ячейку подано напряжение, при котором ; такое напряжение называют полуволновым и обозначают как Из (3.5.2) следует, что

При использовании полуволнового напряжения поляризация светового пучка на выходе из ячейки остается линейной, однако при этом направление поляризации оказывается повернутым на угол относительно исходного направления. Это хорошо видно на рис. 3.23, б, где А — амплитудный вектор световой волны на входе ячейки, на выходе. Представим входящую в ячейку волну как суперпозицию двух линейно-поляризованных волн — с показателем преломления (амплитудный вектор и с показателем преломления (амплитудный вектор . Так как при указанные волны, проходя через ячейку, сдвигаются друг относительно друга на половину длины волны, то один из амплитудных векторов (вектор или вектор должен изменить свое направление на противоположное.

Вследствие поворота направления поляризации на угол световая волна, вышедшая из ячейки Поккельса, сможет лишь частично пройти через второй поляризатор. Интенсивность волны, прошедшей через второй поляризатор (обозначим ее через связана с интенсивностью волны, прошешей через первый поляризатор (интенсивностью соотношением

которое легко усматривается из рис. 3.24.

Таким образом, включение ячейки Поккельса в схеме на рис. 3.23, а приводит к увеличению потерь по сравнению со случаем, когда ячейка выключена. Максимальная степень повышения потерь при включении ячейки достигается при в этом случае — затвор полностью заперт. При выключении ячейки Поккельса (при снятии

напряжения с ее электродов) реализуется быстрое и значительное увеличение добротности резонатора. Время переключения добротности определяется скоростью изменения напряжения на электродах ячейки Поккельса; оно составляет несколько наносекунд.