Глава 15. ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ АКУСТООПТИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

15.1. АКУСТООПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР СВЕТА

Пространственно-временные модуляторы света используются и как внутрирезонаторные затворы лазеров и как устройства ввода информации в оптические обрабатывающие системы. На основе АО дифракции созданы оптические системы для одно- и многоканального анализа спектра сигналов, в частности обработки сигналов, поступающих от радиолокационных антенных решеток [5, 9]. Для АО модуляторов используется и дифракция Рамана - Ната, и дифракция Брэгга (рис. 15.1).

Основными характеристиками акусто оптических модуляторов являются:

а) глубина модуляции

б) ширина полосы пропускания

Глубина модуляции определяется отношением интенсивности дифрагированного и падающего на АО ячейку лучей.

Выразив интенсивность звука через его мощность как

Рис. 15.1. Схема модуляторов, работающих в режиме Рамана-Ната (а) и в режиме Брэгга (б): I - начальный луч, - дифрагированные (рабочие) лучн

где и Н - поперечные размеры звукового луча, определяемые (без учета расходимости луча) размерами пьезопреобразователя, и используя (14.47), получим

Здесь интенсивность звука есть интенсивность в зоне акустооптического взаимодействия, которая обычно находится на некотором расстоянии от пьезопреобразователя. Определяя мощность, которую пьезопреобразователь должен передать в среду получим

Поэтому при оценке мощности звука, необходимой для обеспечения требуемой глубины модуляции, коэффициент затухания у может играть роль не меньшую, чем и геометрические размеры пьезопреобразователя.

Ширина полосы пропускания АО модулятора (или предельная частота работы прибора ) обычно определяется шириной полосы пропускания пьезопреобразователя Однако ограничение по частотам сверху может возникать при меньших частотах, чем это определяется частотной характеристикой пьезопреобразователя. Действительно, если модуляция обеспечивается акустическими импульсами, при апертуре оптического луча интенсивность дифрагированного луча будет нарастать по мере заполнения апертуры оптического луча цугом акустических волн, фронт которого движется со скоростью звука V. Длительность нарастания интенсивности оптического

дифрагированного импульса Величина х определяет быстродействие АО прибора. Следовательно, предельная частота, которую может пропустить модулятор,

В этом случае для увеличения полосы пропускания можно уменьшить апертуру однако при некоторых предельных величинах это теряет смысл из-за увеличения расходимости оптического луча. Предельное значение можно определить как апертуру, при которой дифракционная расходимость оптического луча не превосходит расходимость акустического луча - Оценивая расходимость оптического луча и акустического луча при условии для получим Если начинает превосходить то возрастает число фотонов, для которых не находятся соответствующие фононы, взаимодействие с которыми удовлетворяло бы условиям сохранения импульса, и эффективность дифракции снижается. Наиболее эффективному режиму работы модулятора соответствует отношение Следует заметить, что при этом условии на распределение интенсивности по сечению дифрагированного луча (форму пятна) влияет распределение интенсивности звука по сечению акустического луча. Поэтому такой режим работы приемлем только в тех случаях, когда этот эффект не является существенным. Например, изменение распределения интенсивности в луче не важно, если задачей модулятора является интегральная модуляция света по амплитуде (измеряется интегральная интенсивность дифрагированного света).

Если возможности расширения с помощью уменьшения апертуры исчерпаны, то повышения можно добиться, увеличивая скорость звука, т.е. выбором материала. Этот путь далеко не всегда приемлем, так как выбор материала определяется группой параметров, среди которых не последнюю роль играют технологичность и возможность производства. Таким образом, для характеристики материала акустооптического модулятора следует прежде всего рассматривать коэффициент акустооптического качества скорость и затухание звука.