Электрооптические и некоторые другие типы модуляторов

В настоящее время существует достаточно большое число модуляторов, основанных на электрооптических эффектах Керра и Поккельса, магнитооптическом эффекте Фарадея, акустооптическом эффекте, эффектах Зеемана и Штарка, известных из курса физики и физической оптики.

Одним из первых электрооптических модуляторов было устройство (ячейка Керра), в котором поток проходит между обкладками конденсатора, помещенными в жидкость, обладающую свойством двойного лучепреломления. Перед ячейкой Керра находится поляризатор, плоскость его поляризации расположена под углом 45° относительно силовых линий электрического поля, возникающего при подаче напряжения на пластины конденсатора. За ячейкой Керра расположен анализатор, плоскость поляризации которого составляет угол 90° с плоскостью поляризации поляризатора. В отсутствие напряжения на пластинах ячейки происходит полное гашение потока, т.е. поток не проходит через такую систему.

При подаче напряжения на конденсатор линейно поляризованное излучение, входящее в него, на выходе трансформируется в эллиптически поляризованное. Через анализатор пройдет только та составляющая потока, вектор поляризации которой совпадает с плоскостью поляризации анализатора. При изменении напряжения на пластинах меняется эксцентриситет эллипса поляризации (соотношение между векторами поляризации обыкновенного и необыкновенного лучей, угол между которыми составляет 90°).

Сила излучения на выходе

где I₀ — сила излучения на входе поляризатора; t — пропускание всего модулятора; В — постоянная Керра; l — длина пути излучения между пластинами; U — напряжение на пластинах конденсатора; d — расстояние между пластинами.

Наиболее часто в качестве наполнителя используется нитробензол, обладающий хорошим пропусканием в области 0,4...2,1 мкм. Однако потери в поляризаторе (свыше 50%), на отражение и другие потери приводят к тому, что общее пропускание такого модулятора обычно не превышает 15%. Апертура ячейки Керра определяется в основном расстоянием между пластинами и их конфигурацией; ее предельное значение составляет 1:4 при d=l...2 мм. Для создания большой глубины модуляции к пластинам приходится прикладывать большие напряжения (до десятков киловольт), что усложняет блок питания модулятора и увеличивает потребляемую мощность до десятков и даже сотен ватт.

Кроме квадратичного электрооптического эффекта Керра для модуляции потока используется и линейный электрооптический эффект — эффект Поккельса, который заметно проявляется в ряде кристаллов (дигидрофосфаты калия KDP и аммония ADP, сегнетоэлектрические перовскиты — ниобат лития, танталат лития, ниобат бария-натрия, танталат-ниобат калия и др.). Эти модуляторы широко используют в лазерной технике. Их мощность потребления составляет десятки, а иногда и сотни ватт.

Кристаллы KDP и ADP гигроскопичны, поэтому требуют защиты от воздействия влаги. В видимой области спектра световые потери в них составляют 3...4% на 1 см длины; отражение от торцов составляет 4...5%.

Лучшими эксплуатационными параметрами обладает ниобат лития LiNbO₃, который почти не растворяется в воде и кислотах. Показатель преломления LiNbO₃ для обыкновенного луча n=2,286, для необыкновенного n_e =2,2; коэффициент его теплового расширения составляет 16,7·10^-6 K^-1. Однако LiNbO₃ необходимо просветлять, так как отражение от торцов может составлять 30...32% для l=0,53; 1,06 мкм. Поглощение в этом материале на 1 см составляет для указанных длин волн 1...2%.

В [19] приведены данные по объемной и поверхностной стойкости ряда электрооптических кристаллов к мощному лазерному излучению. В этих модуляторах достигнуты частоты модуляции свыше 4 ГГц и полосы частот около 1,5 ГГц при потребляемой мощности 1...60 МВт на 1 МГц полосы.

Среди материалов для магнитооптических модуляторов, основанных на использовании явления поворота плоскости поляризации при наложении магнитного поля, наиболее распространены монокристаллы железоиттриевого граната. Их применяют для модуляции в ближней и средней ИК области спектра (1...5 мкм), они потребляют сравнительно небольшие мощности (доли ватта) и обеспечивают глубину модуляции до 40% на частотах до 200 МГц.

В некоторых кристаллах и жидкостях показатель преломления изменяется при механической деформации. Этот эффект, называемый фотоупругостью, можно использовать для отклонения лучей, проходящих через такие вещества, т.е. для создания модулятора.

Если сигнал s(t)~sin(w₁t) звуковой частоты w₁ прикладывается к пьезоэлектрическому элементу, помещенному на одном из концов ультразвуковой ячейки, выполненной из материала, обладающего ярко выраженными акустооптическими свойствами (кварцевая пластина, кювета с жидкостью и т.п.), то по длине х ячейки наблюдается синусоидальное изменение показателя преломления, описываемое как

где т — глубина модуляции; n₃ — скорость распространения звука в ячейке.

Иными словами, ячейка превращается в периодическую структуру, аналогичную дифракционной решетке. Если на такую ячейку под определенным углом q₁ (углом Брэгга) падает пучок параллельных лучей с длиной волны l, то в результате дифракции он отклонится на угол q₁+q_д»w ₁l/2pn₃. При этом будет иметь место лишь первый порядок дифракции. Угол дифракции q_д линейно связан с частотой w₁ управляющего сигнала.

Меняя амплитуду приложенного к ячейке напряжения и частоту w₁, можно управлять глубиной модуляции и углом отклонения выходящих из ячейки лучей. Поместив после ячейки линзу с фокусным расстоянием f¢ в ее фокальной плоскости, получим линейное смещение сфокусированного пучка

Акустооптические модуляторы используются и как динамические транспаранты (см. ниже § 9.7).

К настоящему времени создано большое количество модуляторов, основанных и на других физических явлениях (интерференционные и дифракционные модуляторы; модуляторы на основе нарушения оптического контакта, т.е. явления полного внутреннего отражения; модуляторы, в которых используется изменение поглощения в полупроводнике при изменении концентрации свободных носителей; фотохромные и др.). Но большинство таких модуляторов практически не вышло из стадии лабораторных или опытных образцов и не нашло широкого промышленного применения. Описание механизма их работы и некоторые конструктивные данные можно найти в литературе, например [10, 19].