вход Вход Регистрация



Различают модуляцию:

- амплитудную,

- фазовую,

- частотную,

- поляризационную.

Регистрация излучения, модулированного по частоте, фазе или поляризации сопряжена с определенными техническими трудностями, поэтому на практике все виды модуляции преобразуют в амплитудную либо непосредственно в модуляторе, либо с помощью специальных устройств.

Возможны два режима модуляции:

1) без поднесущей (модулируются непосредственно параметры световой волны);

2) с поднесущей (сначала модулируют промежуточное СВЧ колебание, затем используют для модуляции световой волны).

Простейший амплитудный модулятор представляет устройство, обеспечивающее периодическое прерывание светового потока с помощью колеблющихся или вращающихся заслонок, зеркал, призм, дисков с отверстиями и т.д. Применение ограничено из-за значительной инерционности и недостаточной надежности.

Наиболее употребляемые кристаллы для электрооптических модуляторов:

ДСДА-дидейтероарсенат цезия, АДР-дигидрофосфат аммония, КДР-дигидрофосфат калия, ДКДР-дидейтерофосфат калия, BaTiO3, LiNbO3 и др.

В основе современных модуляторов лежат физические эффекты в оптически анизотропных средах - линейный электрооптический эффект Поккельса, а также акусто и магнитооптический эффекты.

Наиболее характерным свойством анизотропных кристаллов является двойное лучепреломление, т.е. раздвоение в них светового луча, обусловленное зависимостью показателя преломления среды от характера поляризации.

Другими словами, при падении на анизотропную среду произвольно поляризованной волны в ней возникают две волны со взаимно перпендикулярной ориентацией плоскостей их поляризации, распространяющейся с различными скоростями.

Принцип действия ЭОМС основан на линейном электрооптическом эффекте.

При приложении электрического поля к электрооптическому кристаллу в результате двойного лучепреломления изменяется направление поляризации прошедшей через кристалл световой волны.

Если (рис.4.1) электрооптический кристалл поместить между скрещенными поляризаторами 1, 2 и на вход одного из них подать световой поток 5 с поляризацией, соответствующей его пропусканию, то при отсутствии напряжения на кристалле световой поток на выходе второго поляризатора- анализатора будет отсутствовать, а при приложении к кристаллу напряжения, равного полуволновому (Ul/2), будет достигать своего максимального значения.

Для характеристики электрооптического эффекта в модуляторах вводится понятие «полуволновое напряжение» U = Ul/2 обеспечивающее фазовый сдвиг Dj=p, т.е. размер прикладываемого напряжения, при котором фаза выходящего из кристалла света изменяется на 180°, т.е Dj=p

 

1- поляризатор,

2- анализатор,

3- электрооптический кристалл,

4- электроды,

5- световой поток ОКГ.

Рисунок 2.16. Схема электрооптического модулятора (ЭОМ) [6].

Интенсивность светового потока будет определяться выражением:

,

где Iвх- интенсивность световой волны на входе,

n0- коэффициент преломления обыкновенной волны,

r- электрооптический коэффициент,

U- приложенное напряжение,

l- длина волны.

 

Основные параметры, характеризующие модуляторы света

1. Полуволновое напряжение МС – минимальное напряжение, необходимое для изменения коэффициента пропускания модулятора от минимального до максимального значения, т.е. напряжение, обеспечивающее фазовый сдвиг выходящего света на 180°.

2. Коэффициент пропускания- определяется отношением интенсивности светового потока на выходе МС к световому потоку на его входе, в %.

3. Полоса пропускания, не выше 100 МГц(полоса модулируемых частот) – это разность верхней и нижней граничных частот.(нижняя может быть = 0, а верхняя частота определяется условием, что фаза волны при прохождении через кристалл изменяется не больше, чем на p.

4. Полоса прозрачности – диапазон длин волн лазерного излучения, проходящего через прибор без заметного ослабления ( до 3дб )

5. Коэффициент контрастности – отношение коэффициента пропускания прибора при полном просветлении (I/I0max) к коэффициенту пропускания при полном затемнении I/I0min ), обычно от 30:1 до 200:1. Здесь I-интенсивность светового потока на выходе, I0- интенсивность светового потока на входе.

6. Удельная управляющая мощность(q) – определяет затраты мощности сигнала при 100% глубине модуляции в единичной полосе частот и измеряется в Вт/МГц. –(для оценки эффективности МС)

Недостатками ЭОМ считают:

1) высокие управляющие напряжения,

2) невысокая оптическая прочность,

3) критичность к колебаниям Т0 окружающей среды.

К достоинствам ЭОМ можно отнести:

1) возможность пространственной модуляции оптического излучения,

2) возможность осуществления равномерной модуляции света по всему поперечному сечению пучка

В настоящее время разрабатываются магнитооптические модуляторы, основанные на эффекте Фарадея ( эффекте поворота плоскости поляризации в некоторых средах под действием магнитного поля).

Угол поворота плоскости поляризации jм в пара- и диамагнитных материалах равен [4:]

jм = VHlcosq,

где V-постоянная Верде,

1 – поляризатор,

2 – анализатор,

3 – кристалл,

4 – намагничивающая катушка

Рисунок 2.17. Схема магнитооптического (фарадеевского) модулятора (МОМ).[6]

H-напряженность внешнего магнитного поля,

l-длина оптического пути в веществе,

q-угол между направлением магнитного поля и направлением распространения света.

Для ферромагнитных материалов напряженность заменяется намагниченностью, постоянная Верде – постоянной Кундта.

Используют для изготовления МОМ ферритгранаты, некоторые марки стекла.

Недостатки МОМ: для эффективной модуляции нужны сильные магнитные поля, отсюда невысокое быстродействие, граничная частота не больше 104-105 Гц, в ИК диапазоне резко ограничен выбор подходящего материала, поэтому МОМ не нашли широкого применения.

Преимущества : потребляемая мощность МОМ на порядок меньше, чем у лучших ЭОМ.

Акустооптические модуляторы (АОМ)

Принцип действия основан на дифракции света на акустических волнах.

Акустическая (ультразвуковая) волна, распространяющаяся в оптически прозрачной среде, создает в ней области локального сжатия и разрежения и вызывает периодическое изменение показателя преломления n за счет эффекта фотоупругости.

Эффект фотоупругости (или линейный упругооптический эффект) заключается в том, что показатель преломления среды изменяется пропорционально механической деформации.

В отличие от линейного электрооптического эффекта, наблюдаемого только в пьезокристаллах, линейный упругооптический эффект характерен для всех кристаллов и аморфных сред.

В фотоупругой среде образуются периодические слои с различающимися показателями преломления, движущиеся со скоростью звука. Такую среду можно рассматривать как квазистационарную (Vак << C )фазовую дифракционную решетку с периодом lак/2.

При падении света на такую решетку происходит дифракция, характер которой зависит от параметра [4]

,

где l- длина акустически возмущенной среды в направлении распространения света,

l- длина световой волны.

lак – длина волны акустических колебаний

При Q ® 1 имеет место дифракция Рамана – Ната [4] с большим числом дифракционных максимумов.

В другом предельном случае наблюдается дифракция Брэгга.[4]

При этом происходит исчезновение максимумов интенсивности всех порядков кроме 1-го, падающего под углом 2qБ к падающему потоку при условии, что угол падения должен быть близок к углу Брэгга qБ, который может быть найден из соотношения [4]:

.

Рисунок 2.18. Дифракция Рамана- Ната [4]

Дифракционная картина [4] состоит из 2-х максимумов 0го и 1го порядка дифракции.

Интенсивность света в первом максимуме

,

где Мак-коэффициент эффективности фотоупругого материала, зависящий от целого ряда параметров (показатель преломления, плотность материала, скорость звука в материале …),

Рак – акустическая мощность,

S - площадь поперечного сечения акустического столба.

Для выбора режима работы АОМ длина волны lак акустического колебания выбирается из условий обеспечения требуемой величины угла Брэгга, а модуляция интенсивности осуществляется путем изменения напряжения, подводимого к преобразователю.

Достоинства: - АОМ широко используется в лазерной технике из-за простоты и надежности. При этом амплитудные, фазовые, частотные, поляризационные модуляторы могут быть реализованы на базе одного и того же устройства при незначительных изменениях входной и выходной оптики.;

- пространственное разделение дифрагированного и нулевого пучков на выходе АОМ обеспечивает 100% глубину модуляции;

- суммарные оптические потери в 3-6 раз меньше , чем в ЭОМ;

- высокая температурная стабильность.

Недостатки: - невысокое быстродействие, ограниченное временем распространение акустической волны.

© 2018
  • Сайт "Литературка"
  • мы собираем различную техническую, образовательную, научную литратуру