Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Устройство, дифрактирующее свет посредством звуковых волн.
Device which diffracts light via sound waves
Акустооптический модулятор (AOM), также называемый ячейкой Брэгга или акустооптическим дефлектором (AOD), использует акустооптический эффект для дифракции и сдвига частоты света с помощью звуковых волн (обычно радиочастотных). Они применяются в лазерах для Q-коммутации, в телекоммуникациях для модуляции сигнала и в спектроскопии для управления частотой. Пьезоэлектрический преобразователь прикреплен к материалу, например, к стеклу. Колеблющийся электрический сигнал заставляет преобразователь вибрировать, создавая звуковые волны в материале. Эти волны можно представить как движущиеся периодические плоскости расширения и сжатия, изменяющие показатель преломления. Входящий свет рассеивается (см. рассеяние Брилюэна) на образовавшейся периодической модуляции показателя преломления, и происходит интерференция, аналогичная дифракции Брэгга. Это взаимодействие можно рассматривать как процесс смешения трех волн, приводящий к генерации суммы частот или разности частот между фононами и фотонами.
An acousto optic modulator (AOM), also called a Bragg cell or an acousto optic deflector (AOD), uses the acousto optic effect to diffract and shift the frequency of light using sound waves (usually at radio frequency). They are used in lasers for Q switching, telecommunications for signal modulation, and in spectroscopy for frequency control. A piezoelectric transducer is attached to a material such as glass. An oscillating electric signal drives the transducer to vibrate, which creates sound waves in the material. These can be thought of as moving periodic planes of expansion and compression that change the index of refraction. Incoming light scatters (see Brillouin scattering) off the resulting periodic index modulation and interference occurs similar to Bragg diffraction. The interaction can be thought of as a three wave mixing process resulting in sum frequency generation or difference frequency generation between phonons and photons.
Принципы работы
Типичный AOM работает в условиях Брэгга, когда падающий свет направлен под углом Брэгга к нормали к направлению распространения звуковой волны.
A typical AOM operates under Bragg condition, where the incident light comes at Bragg angle from the perpendicular of the sound wave's propagation.
Частота
Одно из отличий от дифракции Брэгга заключается в том, что свет рассеивается от движущихся плоскостей. Следствием этого является то, что частота дифракционного пучка f порядка m будет подвержена доплеровскому сдвигу, величина которого равна частоте звуковой волны F.
One difference from Bragg diffraction is that the light is scattering from moving planes. A consequence of this is the frequency of the diffracted beam f in order m will be Doppler shifted by an amount equal to the frequency of the sound wave F.
Этот сдвиг частоты также можно объяснить сохранением энергии и импульса (фотонов и фононов) в процессе рассеяния. Типичный сдвиг частоты варьируется от 27 МГц для менее дорогостоящих AOM до 1 ГГц для современных коммерческих устройств. В некоторых AOM две акустические волны распространяются в противоположных направлениях в материале, создавая стоячую волну. В этом случае спектр дифракционного пучка содержит несколько сдвигов частоты, в любом случае кратных частоте звуковой волны.
This frequency shift can be also understood by the fact that energy and momentum (of the photons and phonons) are conserved in the scattering process. A typical frequency shift varies from 27 MHz, for a less expensive AOM, to 1 GHz, for a state of the art commercial device. In some AOMs, two acoustic waves travel in opposite directions in the material, creating a standing wave. In this case the spectrum of the diffracted beam contains multiple frequency shifts, in any case integer multiples of the frequency of the sound wave.
Фаза
Кроме того, фаза дифрагированного луча также будет сдвинута фазой звуковой волны. Фазу можно изменить на любую величину.
In addition, the phase of the diffracted beam will also be shifted by the phase of the sound wave. The phase can be changed by an arbitrary amount.
Поляризация
Коллинеарные поперечные акустические волны или перпендикулярные продольные волны могут изменять поляризацию. Акустические волны индуцируют двулучепреломляющий сдвиг фазы, подобно тому, как это происходит в ячейке Покельса. Акустооптический настраиваемый фильтр, в особенности формирователь импульсов (dazzler), способный генерировать переменные формы импульсов, основан на этом принципе.
Collinear transverse acoustic waves or perpendicular longitudinal waves can change the polarization. The acoustic waves induce a birefringent phase shift, much like in a Pockels cell. The acousto optic tunable filter, especially the dazzler, which can generate variable pulse shapes, is based on this principle.
Замыкание режима
Акустооптические модуляторы значительно быстрее, чем типичные механические устройства, такие как поворотные зеркала. Время, необходимое акустооптическому модулятору для переключения выходного луча, приблизительно ограничено временем прохождения звуковой волны через луч (обычно от 5 до 100 нс). Этого достаточно для создания активной модуляции режима в ультракоротком лазере. Когда требуется более быстрое управление, используются электрооптические модуляторы. Однако они требуют очень высокого напряжения (например, 110 кВ), в то время как акустооптические модуляторы обеспечивают больший диапазон отклонения, простую конструкцию и низкое энергопотребление (менее 3 Вт).
Acousto optic modulators are much faster than typical mechanical devices such as tiltable mirrors. The time it takes an AOM to shift the exiting beam in is roughly limited to the transit time of the sound wave across the beam (typically 5 to 100 ns). This is fast enough to create active modelocking in an ultrafast laser. When faster control is necessary electro optic modulators are used. However, these require very high voltages (e. g. 1 10 kV), whereas AOMs offer more deflection range, simple design, and low power consumption (less than 3 W).