Акустооптическое устройство для управления двухцветным излучением

Полезная модель относится к акустооптическому устройству, предназначенному для управления, в частности, отклонения, расщепления, сдвига частоты и т.п. двухцветного излучения, и может быть использовано в лазерной доплеровской анемометрии, двухлучевой интерферометрии, лазерных гироскопах и т.д.

Акустооптическое устройство содержит одноосный кристалл с входной и выходной оптическими поверхностями и пьезопреобразователь, расположенный на поверхности кристалла, параллельной его оптической оси и ортогональной входной поверхности. Входная оптическая поверхность кристалла расположена под углом а к его оптической оси, выбранным из условия

где - длина волны коротковолновой составляющей двухцветного излучения, n₀ и n_e - главные показатели преломления света в кристалле для указанной длины волны ; L - размер пьезопреобразователя в направлении оптической оси кристалла.

Заявленное устройство обладает минимальными оптическими потерями и искажением оптического сигнала, а также обеспечивает широкий диапазон измеряемых величин.

Полезная модель относится к акустооптическому устройству, предназначенному для управления, в частности, отклонения, расщепления, сдвига частоты и т.п.двухцветным излучением, и может быть использовано в лазерной доплеровской анемометрии, двухлучевой интерферометрии, лазерных гироскопах и т.д.

Известно акустооптическое устройство для управления двухцветным излучением [1], содержащее одноосный кристалл с входной и выходной оптическими поверхностями, ориентированными под углом 85.6° к оптической оси кристалла, и пьезопреобразователь, расположенный на поверхности кристалла, ориентированной под углом 4.4° к оптической оси кристалла и под углом 90° к входной и выходной оптическим поверхностям. Для управления оптическим излучением в кристалле с помощью пьезопреобразователя возбуждаются две акустические волны с разными частотами, одна из которых управляет коротковолновой, а другая - длинноволновой составляющими двухцветного излучения.

Недостатком этого устройства является использование двух электрических высокочастотных сигналов, подаваемых на пьезопреобразователь, что означает подвод к устройству двойной акустической мощности. Это приводит к перегреву устройства в целом. Кроме того, использование двух и более электрических сигналов приводит к появлению на выходе устройства дополнительных оптических лучей в результате дифракции на комбинированных частотах (частотной интермодуляции) [2], что приводит в конечном итоге к потерям оптического излучения. Другим недостатком описываемого устройства является то, что в нем необходимо использовать кристаллы большой длины, что обусловлено «сносом» акустической волны вследствие наклона пьезопреобразователя к оптической оси кристалла.

Наиболее близким к предлагаемой конструкции является устройство [3], которое обеспечивает управление двухцветным излучением посредством одного высокочастотного электрического сигнала. Это устройство содержит одноосный кристалл с входной и выходной оптическими поверхностями, ортогональными его оптической оси, пьезопреобразователь, расположенный на поверхности кристалла, параллельной его оптической оси и ортогональной его входной и выходной оптическим поверхностям, и селективный ротатор плоскости поляризации излучения, расположенный на входе устройства под углом ~ 45° к оптической оси кристалла.

Недостатком этого устройства является искажение выходного оптического сигнала, обусловленное большим углом падения излучения на входную оптическую поверхность кристалла, приводящим к расщеплению излучения в кристалле на монохроматические составляющие и появлению на его выходе двух несоосных лучей. Другим недостатком прототипа является ограниченный диапазон измеряемых величин, например, скоростей частиц при использовании устройства в анемометрах. Это обусловлено узким диапазоном рабочих частот сигнала, обеспечивающим функционирование такого устройства. Кроме того, наличие дополнительного элемента (ротатора) приводит к увеличению оптических потерь устройства в целом.

Техническая задача, решаемая в предложенной конструкции, состоит в значительном уменьшении искажений выходного оптического сигнала, расширении диапазона измеряемых величин и уменьшении оптических потерь в устройстве.

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве, содержащем одноосный кристалл с входной и выходной оптическими поверхностями и пьезопреобразователь, расположенный на поверхности кристалла, параллельной его оптической оси и ортогональной входной поверхности, входная оптическая поверхность кристалла, в отличие от прототипа, расположена под углом а к его оптической оси, выбранным из условия

где - длина волны коротковолновой составляющей двухцветного излучения, n₀ и n_e - главные показатели преломления света в кристалле для указанной длины волны , L - размер пьезопреобразователя в направлении оптической оси кристалла.

Предложенное техническое решение поясняется рисунками, где на фиг.1 приведена оптическая схема предлагаемого акустооптического устройства, на фиг.2 показана векторная диаграмма взаимодействия двухцветного оптического излучения с одной акустической волной в одноосном кристалле, на фиг.3 приведена зависимость частоты f электрического сигнала от угла .

Предлагаемое устройство содержит одноосный кристалл 1 (фиг.1) с оптической осью 2, входной 3 и выходной 4 оптическими поверхностями и поверхностью 5, на которой расположен пьезопреобразователь 6 с размером L в направлении оптической оси 2. Входная оптическая поверхность 3 ориентирована под углом к оптической оси 2 кристалла, выбранным в соответствии с соотношением (1). Выходная оптическая поверхность 4 в общем случае ориентирована произвольным образом относительно входной поверхности 3. Поверхность 5, на которой расположен пьезопреобразователь 6, параллельна оптической оси 2 кристалла и ортогональна входной оптической поверхности 3.

Акустооптическое устройство может быть изготовлено из одноосного положительного кристалла ТеО₂. Поверхностью 5 кристалла, на которой располагается пьезопреобразователь 6, выбирается поверхность {110}, оптической осью 2 кристалла является направление [001]. Входной оптической поверхностью 3 является поверхность, ортогональная поверхности {110} и наклоненная к оптической оси [001] на угол .

Устройство работает следующим образом. Двухцветное оптическое излучение 7 (фиг.1) с длинами волн ₁ и ₂ и с поляризациями, параллельными поверхности 5, направляется на кристалл 1 ортогонально его входной оптической поверхности 3. На пьезопреобразователь 6 подается высокочастотный электрический сигнал с частотой, обеспечивающей выполнение брэгговского синхронизма между излучением с указанными длинами волн и акустической волной. В результате брэгговской дифракции на выходе устройства образуются два продифрагировавших луча 8 и 9 с длинами волн ₁ и ₂, соответственно, поляризации которых ортогональны поляризациям падающего излучения 7, и непродифрагировавшие лучи 10 с теми же длинами волн ₁ и ₂, поляризации которых параллельны поляризациям падающего излучения 7. Непродифрагировавшие лучи 10 могут распространяться по-разному в зависимости от ориентации выходной оптической поверхности 4 относительно входной 3. В частности, если выходная поверхность 4 параллельна входной 3, то направления распространения непродифрагировавших лучей 10 совпадают между собой и совпадают с направлением падающего на устройство излучения 7. На выходе кристалла образуются по сути три луча 8, 9 и 10. Такая схема может найти применение в трехпучковых двухцветных лазерных доплеровских анемометрах. Этот вариант проиллюстрирован на фиг.1. Если выходная поверхность 4 ортогональна оптической оси 2 кристалла, то на выходе кристалла образуются четыре луча, при этом два продифрагировавших луча 8 и 9 лежат в одной плоскости, а два непродифрагировавшиих луча 10, расщепленные на две монохроматические составляющие, лежат в другой плоскости, причем вышеуказанные плоскости ортогональны друг другу. Эта схема может найти применение в четырехпучковых двухцветных лазерных доплеровских анемометрах.

Векторная диаграмма дифракции в одноосном положительном кристалле представлена на фиг.2. Здесь приведено сечение поверхностей волновых векторов плоскостью, содержащей направление [110], являющееся направлением

распространения акустической волны. Плоскость наклонена к оптической оси кристалла [001] на угол . Угол связан с углом а соотношением: =90°-. Направление OZ' является проекцией оптической оси [001] на плоскость сечения. Кривые Р1 и Р2 описывают распространение «необыкновенного» и «обыкновенного» лучей излучения с длиной волны ₁, кривые Р3, Р4 - излучения с длиной волны ₂. Пунктирная прямая А - проекция поверхности {110} на плоскость сечения. Падающее двухцветное излучение распространяется в кристалле под углом к направлению OZ'. Оба падающих луча - «обыкновенные», их волновые векторы обозначены как к₀ и К₀ для лучей с длинами волн ₁ и ₂, соответственно. Расчеты, основанные на методике, изложенной в [4], показывают, что в случае, когда оба падающих луча - «обыкновенные», угол - мал (не более 1-2 град.), поэтому входное излучение падает практически ортогонально к входной оптической поверхности, расщепления двухцветного излучения в кристалле не происходит, а, значит, не происходит и сдвига между лучами на выходе кристалла. В результате брэгговской дифракции на акустической волне с волновым вектором q луч к₀ дифрагирует в направлении «необыкновенного» луча к₁, а луч К₀ - в направлении «необыкновенного» луча K₁. Таким образом, в кристалле распространяются два продифрагировавших отклоненных луча с волновыми векторами к₁ и K₁ и с длинами волн соответственно ₁ и ₂, и два непродифрагировавших луча к₀ и К₀ с теми же длинами волн, направления которых совпадают между собой.

На фиг.3 приведены расчетные зависимости частоты акустической волны f от угла наклона для дифракции двухцветного излучения Аr лазера, генерирующего две наиболее яркие линии с длинами волн ₁=0.5145 мкм и ₂=0.488 мкм. Частота f связана с величиной волнового вектора q акустической волны соотношением f=qV/2, где V - скорость акустической волны. Дифракция происходит в монокристалле ТеО₂, показатели преломления которого n₀=2.3303, n_e=2.494 для излучения ₁, и N₀=2.3115, N_e=2.4735 для излучения ₂. Скорость акустической волны в ТеО₂ - 0.617*10⁵ см/с. Зависимость получена на основе методики расчетов, изложенной в [4]. Данные для кристалла взяты из [5]. Значение =90° соответствует ортогональной ориентации входной оптической поверхности относительно оптической оси. Видно, что по мере уменьшения а растет частота акустической волны /. При =74° частота достигает значения 300 МГц, что в ~ 7-8 раз превышает частоту, используемой в прототипе [3]. Частоту 300 МГц можно считать предельной для ТеО₂, поскольку при более высоких частотах акустическая волна претерпевает сильное поглощение, эффективность работы акустооптического устройства падает. Устройство неэффективно работает и при низких акустических частотах, где брэгговский режим дифракции переходит в режим дифракции Рамана-Ната [6], при этом продифрагировавшее излучение не концентрируется в одном порядке, а распределяется по многим дифракционным порядкам. Граница между двумя режимами определяется параметром Клейна-Кука Q [6], равным где - длина волны света в кристалле; L - размер пьезопреобразователя вдоль направления распространения оптического луча; V - скорость акустической волны; f-ее частота. Режим Брэгга реализуется при выполнении условия Q4 [6]. Для двухцветного излучения вполне достаточно, чтобы это условие выполнялось для коротковолновой составляющей двухцветного излучения, при этом для длинноволновой составляющей оно будет выполняться автоматически.

Условие Q4 накладывает ограничение на значение угла . На основе методики [4] нетрудно получить условие для угла , при котором дифракция двухцветного излучения будет брэгговской:

где - длина волны коротковолновой составляющей двухцветного излучения, n₀ и n_e - главные показатели преломления света в кристалле для указанной длины волны , L - размер пьезопреобразователя вдоль направления распространения оптического луча. Поскольку предельные значения угла а не сильно отличаются от 90°, За L можно взять размер пьезопреобразователя в направлении оптической оси.

Пусть, для примера, L=1 см. Тогда для двухцветного излучения Аr лазера, генерирующего лучи с длинами волн ₁=0.5145 мкм и ₂=0.488 мкм, дифракция в монокристалле ТеO ₂ будет брэгговской при 87,8°, наименьшая частота дифракции f_min46.4 МГц. В отрицательном кристалле РbМоO₄ брэгговский режим будет при 87,65°, здесь f_min185 МГц. В отрицательном кристалле LiNbO₃ режим Брэгга наступает при 86,9°, здесь f_min310 МГц. Значения для показателей преломления в вышеприведенных кристаллах и скоростей звука в них взяты из [5].

Как видно из этих примеров, предложенная модель устройства, будучи изготовленной из различных одноосных кристаллов, может работать на очень высоких частотах, значительно превышающих частоту акустической волны, используемую в прототипе. Верхняя граница частоты будет определяться главным образом поглощением звука в кристалле.

Таким образом, в сравнении с прототипом, в заявленном устройстве не используются какие-либо дополнительные оптические элементы, что уменьшает оптические потери. Частота электрического сигнала, посредством которой осуществляется управление лучами двухцветного излучения, значительно больше частоты, используемой в прототипе, что расширяет диапазон измеряемых величин. Кроме того, входное излучение распространяется вблизи нормали к входной поверхности, что существенно уменьшает эффект расщепления лучей двухцветного излучения в устройстве, а, значит, искажения выходного оптического сигнала.

Источники информации

1. Gazalet M.G., Waxin G., Rouvaen J.M., Torguet R., and Bridoux E. Independent acoustooptic modulation of the two wavelengths of bichromatic light beam//Applied Optics, 1984. V.23, No.5. P.674-681.

2. Hecht D.L. Multifrequency Acoustooptic Diffraction.//IEEE, 1977. V. SU-24, No 1. P.7-18.

3. Антонов С.Н., Котов В.М., Сотников В.Н. Брэгговские поляризационные расщепители света на основе кристалла ТеО₂.//Журнал Технической Физики, 1991. Т.61, B.1. C.168-173 (прототип).

4. Леманов В.В., Шакин О.В. Рассеяние света на упругих волнах в одноосных кристаллах.//Физика твердого тела, 1972. Т.14, B.1. C.229-236.

5. Акустические кристаллы/ Под ред. Шаскольской М.П. Москва: Наука, 1982.

6. Балакший B.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. М.: Радио и Связь, 1985. 280 с.

Акустооптическое устройство для управления двухцветным излучением, содержащее одноосный кристалл с входной и выходной оптическими поверхностями и пьезопреобразователь, расположенный на поверхности кристалла, параллельной его оптической оси и ортогональной входной поверхности, отличающееся тем, что входная оптическая поверхность кристалла расположена под углом к его оптической оси, выбранным из условия

,

где - длина волны коротковолновой составляющей двухцветного излучения, n₀ и n_e - главные показатели преломления света в кристалле для указанной длины волны , L - размер пьезопреобразователя в направлении оптической оси кристалла.