RU2703930C1

RU2703930C1 - Double-crystal acoustooptical modulator

Info

Publication number: RU2703930C1
Application number: RU2019108913A
Authority: RU
Inventors: Михаил Михайлович Мазур; Любовь Ивановна Мазур; Владимир Николаевич Шорин; Александр Владимирович Рябинин
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2019-10-22

Abstract

FIELD: acoustooptics; laser equipment.SUBSTANCE: acoustooptical optical radiation modulator comprises a light and sound conductor with input and output facets. Optical beam falls on the facets of the light-and-sound line at the Brewster angle. Light-conducting conductor is made of two mirror-like prisms so that optical beam passes all 4 faces at Brewster’s angle. Arrangement of prisms, ultrasonic transducers on faces of prisms and phase of signals supplied to them provides in-phase of wave fronts of ultrasonic beams in prisms.EFFECT: technical result consists in possibility of using modulator for laser beams of high power with preservation of laser beam position, which leads to simplification of operation with modulator.1 cl, 1 tbl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к акустооптике и лазерной технике, в частности к управлению характеристиками коллимированного монохроматического излучения.The invention relates to acousto-optics and laser technology, in particular to controlling the characteristics of collimated monochromatic radiation.

Во многих практических задачах используется модулированное оптическое излучение, в частности для передачи сигналов (аналоговых и цифровых), для периодического воздействия на объект, для внутрирезонаторной модуляции излучения в лазерах и т.п. Модуляторы на основе акустооптического взаимодействия (АО модуляторы) являются одними из наиболее эффективных, они позволяют формировать модулирующее воздействие наиболее общего вида со временем переключения менее 1 мкс.In many practical problems, modulated optical radiation is used, in particular for transmitting signals (analog and digital), for periodic exposure of an object, for intracavity modulation of radiation in lasers, etc. Modulators based on acousto-optical interaction (AO modulators) are one of the most effective, they allow you to form a modulating effect of the most general form with a switching time of less than 1 μs.

Известно много видов АО модуляторов (В.И. Балакший и др. Физические основы акустооптики. М.: Радио и связь, 1985, стр. 170, рис. 8.1 и табл. 6.2).Many types of AO modulators are known (V.I. Balakshy et al. Physical foundations of acoustooptics. M: Radio and communications, 1985, p. 170, Fig. 8.1 and Table 6.2).

Аналогом данного изобретения является изобретение (патент 2476916), в котором не изменяется направление распространения выходного светового луча относительно направления входного светового луча. При использовании для модуляции световых пучков с большой плотностью мощности АО модулятора с падением света на входную и выходную оптические грани под углом близким к нормали возникает проблема лучевой прочности просветляющих покрытий. Решением этой проблемы может быть применение АО модулятора (Акустооптический модулятор с повышенной эффективностью. Л.Н. Магдич, В.Н. Сасов. - Электронная техника Сер. Квантовая электроника, 1975, №1, с. 65-67), который включает в себя светозвукопровод из прозрачного для лазерного излучения материала, к которому прикреплено средство для возбуждения ультразвуковой (УЗ) волны, две грани светозвукопровода расположены под углом Брюстера для ввода модулируемого и вывода модулированного светового пучка. Грань кристалла, противоположную излучателю покрыта поглощающим звук материалом. Данный вариант АО модулятора принят за прототип.An analogue of this invention is the invention (patent 2476916), in which the propagation direction of the output light beam does not change relative to the direction of the input light beam. When a modulator is used to modulate light beams with a high power density, an AO modulator with incident light on the input and output optical faces at an angle close to the normal, the radiation strength problem of antireflective coatings arises. The solution to this problem can be the use of AO modulator (Acousto-optic modulator with increased efficiency. LN Magdich, VN Sasov. - Electronic Technology Ser. Quantum Electronics, 1975, No. 1, pp. 65-67), which includes a light-sound pipe made of a material transparent to laser radiation, to which a means for exciting an ultrasonic (ultrasound) wave is attached, two faces of the light-sound pipe are located at a Brewster angle to introduce a modulated and output modulated light beam. The crystal face opposite the emitter is coated with sound-absorbing material. This option AO modulator adopted as a prototype.

При использовании АО модулятора в мощных лазерах требуется соответствующая лучевая стойкость среды АО модулятора и просветляющих покрытий входных и выходных оптических граней. Применение модуляторов с вводом и выводом излучения под углом Брюстера решает проблему потерь на оптических гранях и отпадает необходимость в просветляющих покрытияхWhen using an AO modulator in high-power lasers, the corresponding radiation resistance of the AO modulator medium and antireflection coatings of the input and output optical faces is required. The use of modulators with input and output radiation at a Brewster angle solves the problem of losses on optical faces and eliminates the need for antireflection coatings

Недостатком такого АО модулятора в том, что происходит существенный сдвиг положения падающего относительно входного светового пучка, что в свою очередь существенно усложнят конструкцию резонатора лазера и его юстировку. (Сдвиг Δх=L⋅sin(Θ_Бр-arcsin((1/n)sinΘ_Бр), где L - длина светозвукопровода, Θ_Бр - угол Брюстера равный arctg(n), n - коэффициент преломления светозвукопровода.The disadvantage of this AO modulator is that there is a significant shift in the position of the incident light beam relative to the input light, which in turn will significantly complicate the design of the laser resonator and its alignment. (Shift Δx = L⋅sin (Θ _Br -arcsin ((1 / n) sinΘ _Br ), where L is the length of the light pipe, Θ _Br is the Brewster angle equal to arctan (n), n is the refractive index of the light pipe.

Техническим результатом, получаемым от использования изобретения, является возможность использовать его для лазерных пучков высокой мощности с сохранением положения лазерного пучка, что приводит к принципиальному упрощению работы с таким модулятором.The technical result obtained from the use of the invention is the ability to use it for high-power laser beams while maintaining the position of the laser beam, which leads to a fundamental simplification of the work with such a modulator.

Поставленный технический результат достигают за счет того, что в акустооптическом модуляторе оптического излучения, содержащем светозвукопровод с входной и выходной гранями, на которые оптический луч падает под углом Брюстера, светозвукопровод выполнен из двух зеркально симметричных призм таким образом, чтобы оптический луч проходил все 4 грани под углом Брюстера, а расположение призм, ультразвуковых преобразователей на гранях призм и фазы подаваемых на них сигналов обеспечивали синфазность волновых фронтов ультразвуковых пучков в призмах.The technical result achieved is achieved due to the fact that in an acousto-optical modulator of optical radiation containing a light-sound pipe with input and output faces onto which the optical beam falls at a Brewster angle, the light-sound pipe is made of two mirror-symmetric prisms so that the optical beam passes through all 4 faces under Brewster angle, and the location of the prisms, ultrasonic transducers on the faces of the prisms and the phases of the signals supplied to them ensured the phase matching of the wave fronts of the ultrasonic beams in rismach.

Условие синфазности выполняется тогда, когда фаза светового пучка, дифрагировавшего на ультразвуковой волне во втором светозвукопроводе, совпадает с фазой светового пучка, попавшего во второй светозвукопровод после дифракции в первом светозвукопроводе.The phase condition is satisfied when the phase of the light beam diffracted by an ultrasonic wave in the second light guide is the same as the phase of the light beam entering the second light guide after diffraction in the first light guide.

При этом призмы могут быть выполнены из кристаллов калий-иттриевого вольфрамата, или калий-гадолиниевого вольфрамата, или калий-иттербиевого вольфрамата, или калий-лютециевого вольфрамата.In this case, the prisms can be made of potassium-yttrium tungstate crystals, or potassium-gadolinium tungstate, or potassium-ytterbium tungstate, or potassium-lutetium tungstate.

Схема предложенного решения изображена на фиг. 1. АО модулятор содержит два светозвукопровода (2) и (2') с размещенными на них ультразвуковыми преобразователями (3) и (3'). Входные грани (1) и (1'), выходные грани (4) и (4'). Грани, противоположные преобразователю скошены для предотвращения отражения распространяющегося ультразвукового пучка в обратном направлении.A diagram of the proposed solution is shown in FIG. 1. AO modulator contains two light and sound ducts (2) and (2 ') with ultrasonic transducers (3) and (3') placed on them. Input faces (1) and (1 '), output faces (4) and (4'). The faces opposite the transducer are beveled to prevent the propagating ultrasonic beam from reflecting in the opposite direction.

Оптические грани могут быть скошены под углом Брюстера для света поляризованного перпендикулярно волновому вектору ультразвуковой волны или для света с поляризацией коллинеарной волновому вектору ультразвуковой волны. Световой пучок в светозвукопроводе расширяется в n раз, где n коэффициент преломления материала светозвукопровода. В первом случае расширение происходит в плоскости ультразвукового преобразователя, при этом потребуется в n раз большая мощность сигнала на преобразователе. Во втором случае в n раз вырастет время переключения.Optical faces can be beveled at a Brewster angle for light polarized perpendicular to the wave vector of the ultrasonic wave or for light with polarization of the collinear wave vector of the ultrasonic wave. The light beam in the light-sound pipe extends n times, where n is the refractive index of the material of the light-sound pipe. In the first case, the expansion occurs in the plane of the ultrasonic transducer, and this will require n times greater signal power at the transducer. In the second case, the switching time will increase n times.

Устройство работает следующим образом. Световой пучок входит в светозвукопровод 2 через грань 1 под углом Брюстера. Происходит дифракция света на ультразвуковой волне, излучаемой преобразователем 3. Выходной световой пучок под углом Брюстера проходит грань 4 и попадает на грань 1' под углом Брюстера, что обеспечивается выбором угла β, под которым расположены грани основания 5, на которых крепятся призмы светозвукопроводов. Происходит дифракция света на ультразвуковой волне, излучаемой преобразователем 3'. Выходной световой пучок под углом Брюстера проходит грань 4' и распространяется далее параллельно и соосно входному пучку.The device operates as follows. The light beam enters the light and sound conduit 2 through face 1 at an angle of Brewster. Light is diffracted by an ultrasonic wave emitted by the transducer 3. The output light beam at the Brewster angle passes face 4 and hits the face 1 'at the Brewster angle, which is ensured by the choice of the angle β, at which the edges of the base 5 are located, on which the prism of the light and sound ducts are mounted. Diffraction of light by an ultrasonic wave emitted by the transducer 3 'occurs. The output light beam at an angle of Brewster passes face 4 'and then spreads parallel and coaxial to the input beam.

Акустооптический модулятор может быть выполнен из кристаллов KMe(WO₄) со структурой альфа-калий-итриевого вольфрамата (α-KYW), относящиеся к моноклинным двуосным кристаллам, где Me атом Y или Gd или Yb или Lu. Ультразвуковой излучатель размещен на грани кристалла перпендикулярной оси N_g эллипсоида коэффициентов преломления кристалла.The acousto-optic modulator can be made of KMe crystals (WO ₄ ) with a structure of alpha-potassium-yttrium tungstate (α-KYW), referring to monoclinic biaxial crystals, where Me atom is Y or Gd or Yb or Lu. An ultrasonic emitter is placed on the crystal face perpendicular to the axis N _{g of the} ellipsoid of the refractive index of the crystal.

Так как коэффициенты преломления этих кристаллов незначительно отличаются, то и углы Брюстера, а также угол β (см. фиг. 1) также будут отличаются. В таблице 1 представлены расчетные значения углов Брюстера и углов β для излучения с длиной волны 2,097 мкм при поляризации света коллинеарной оптической оси N_m кристалла.Since the refractive indices of these crystals differ slightly, the Brewster angles and the angle β (see Fig. 1) will also be different. Table 1 presents the calculated values of the Brewster angles and angles β for radiation with a wavelength of 2.097 μm with polarization of light of the collinear optical axis N _{m of the} crystal.

Claims

1. An acousto-optic optical radiation modulator, comprising a light guide with input and output faces onto which the optical beam falls at a Brewster angle, characterized in that the light guide is made of two mirror-symmetric prisms so that the optical beam passes through all 4 faces at a Brewster angle, and the location of the prisms, ultrasonic transducers on the faces of the prisms and the phases of the signals supplied to them ensured the phase matching of the wave fronts of the ultrasonic beams in the prisms.

2. The acousto-optic modulator according to claim 1, characterized in that the prisms are made of crystals of potassium-yttrium tungstate, or potassium-gadolinium tungstate, or potassium-ytterbium tungstate, or potassium-lutetium tungstate.