2Lsinqб = l,(2)
то практически вся энергия светового луча сосредотачивается в пучке, соответствующем первому порядку дифракции.
Рис. 1. Схема дифракции света на ультразвуке: а − дифракция Рамана – Ната,
б − дифракция Брэгга
Режимы дифракции Рамана – Ната и Брэгга представляют собой два предельных случая, соответствующих малой и большой длине области взаимодействия света и звука. Плавный переход между этими режимами происходит при непрерывном изменении L. Таким образом, по мере увеличения L происходит уменьшение числа дифракционных максимумов и сужение допустимых пределов углов падения света. Строгие границы режимов дифракции не могут быть установлены по той причине, что число дифракционных максимумов существенно зависит от мощности ультразвуковой волны, с ее увеличением число дифракционных максимумов растет.
В общем случае соотношение между интенсивностями дифрагированного луча и луча, вышедшего из кристалла параллельно падающему, зависит от длины взаимодействия и амплитуды звуковой волны. Чтобы значительная часть падающего светового потока оказалась дифрагированной при интенсивности звука 1 Вт/см2, длина взаимодействия для различных веществ должна по порядку величины составлять 0.1 – 10 см.
Цель работы. Целью работы является ознакомление с устройством, принципом работы и основными характеристиками акустооптического модулятора.
Общие сведения об акустооптических модуляторах света
С помощью акустических волн можно управлять любыми параметрами световой волны: амплитудой, фазой, частотой, поляризацией. В соответствии с этим возможны различные виды акустооптических модуляторов: амплитудные, фазовые и т. д.
Из всего возможного многообразия акустооптических модуляторов к настоящему времени детально исследованы и находят применение лишь некоторые виды.
Рассмотрение акустооптических модуляторов начнем с наиболее важного вида таких устройств − широкополосных модуляторов, в которых используется бегущая ультразвуковая волна. Принцип их действия основан на зависимости интенсивности прошедшего через акустооптическую ячейку светового излучения от амплитуды упругой волны. В соответствии с этим схема модулятора (рис. 2) включает генератор высокой частоты (1) и акустооптическую ячейку (2).
Рис. 2. Принципиальные схемы модуляторов, работающих в Раман-Натовском (а)
и Брэгговском (б) режимах дифракции
Электрические колебания модулируются по амплитуде информационным сигналом S(t) и затем поступают на преобразователь (3). Частота несущих колебаний f0 выбирается равной центральной частоте преобразователя.
В ячейке возбуждается амплитудно-модулированная упругая волна, на которой дифрагирует световой пучок (4). Режим бегущих акустических волн обеспечивается поглотителем (5). Дифракционные модуляторы традиционно делят на две группы: Раман-Натовские и Брэгговские. Раман-Натовские модуляторы работают на частотах звука, не превышающих обычно 10 МГц и используют Раман-Натовский режим дифракции. При изменении амплитуды упругой волны модулируется интенсивность всех максимумов. Если рабочими максимумами являются боковые (6), то в фокальной плоскости выходной линзы (7) располагается экран (8), задерживающий непродифрагировавший свет. Используется и другая схема модулятора, где через отверстие в экране пропускается нулевой дифракционный максимум, являющийся рабочим, а остальные − задерживаются. Недостатком этой схемы является невысокий контраст модуляции. (Контрастом модуляции, или коэффициентом экстинкции акустооптического модулятора, называется максимальное значение отношения интенсивностей света в рабочем максимуме при наличии и отсутствии акустического сигнала в ячейке).
Общим недостатком Раман-Натовских модуляторов является неширокая полоса модуляции Df. Стремление увеличить Df автоматически приводит к Брэгговскому режиму дифракции. Отличительная особенность схемы Брэгговского модулятора заключается лишь в том, что угол падения выбирается равным углу Брэгга. В качестве рабочих можно использовать максимумы, как первого, так и нулевого порядков.
Описание лабораторной установки
Структурная схема лабораторной установки представлена на рис. 3.
Рис. 3. Структурная схема лабораторной установки
Она состоит из следующих основных частей: источника когерентного оптического излучения 1, который представляет собой полупроводниковый лазер; генератора высокой частоты 2, с выхода которого сигнал подается на акустооптическую ячейку 3; фотодетектора 4; индикаторного устройства 5 и экрана 6, задерживающего побочные дифракционные максимумы.
Порядок выполнения работы
1. Расположить источник лазерного излучения таким образом, чтобы световой поток, пройдя акустооптическую ячейку, попал на экран.
2. Включить генератор высокой частоты, установив выходную мощность на 75 % от максимальной.
3. Перемещением фотодетектора добиться попадания на него первого дифракционного максимума и появления показаний на индикаторном устройстве.
4. Снять зависимость тока фотодетектора Iфд, который пропорционален интенсивности светового потока первого дифракционного максимума, от тока генератора ВЧ Iвч, которому пропорциональна интенсивность акустической волны, возбуждаемой в акустопроводе. Используя полученные данные, построить модуляционную характеристику Iфд = f(Iвч) акустооптического модулятора.
5. Измерить значение интенсивности света в рабочем дифракционном максимуме при наличии I1 и отсутствии I2 акустического сигнала в ячейке. По полученным данным определить контраст модуляции I1/I2.
Содержание отчета
1. Структурная схема лабораторной установки.
2. Таблица значений и график модуляционной характеристики.
3. Рассчитанное значение контраста модуляции.
4. Анализ полученных результатов.
Контрольные вопросы
1. Объясните физические явления, лежащие в основе акустооптического эффекта.
2. Объясните различие между дифракцией Рамана – Ната и дифракцией Брэгга.
3. Получите выражение для угла отклонения дифракционных максимумов при дифракции Рамана – Ната.
4. Получите выражение для угла отклонения дифракционных максимумов при дифракции Брэгга.
5. Нарисуйте схему акустооптической ячейки, объясните назначение элементов.
6. Нарисуйте структурную схему акустооптического модулятора, поясните принцип работы.
7. Назовите основные параметры, характеризующие работу акустооптических модуляторов, и пути их улучшения.
8. Дифракционные максимумы каких порядков в акустооптическом модуляторе могут быть использованы в качестве рабочих?
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.