Для акустооптической модуляции света обычно применяют режим Бэгга, так как модуляторы Рамана - Ната не дают широкой полосы частот, следовательно ограничены в применении. Вид дифракции определяют, используя параметр $Q$, равный:
где $L$ - длина звукового столба. Приближенно считают, что при $Q\ll 1$ имеет место дифракция Рамана -- Ната, при $Q\gg 1$ -- дифракция Брэгга.
Один и тот же акустический модулятор можно применять в разных системах модуляции. Диксон и Гордон описали гетеродинный способ модуляции, Хендерсон предложил частотные и импульсные параметры для удаленного на большое расстояние приемника, который регулирует некоторую часть отклоненного излучения. Чаще всего встречается случай амплитудной модуляции. Данный случай исследован Майданом. В его работах исследовались искажения импульсов света, которые возникают при прохождении акустических фронтов через конечную апертуру падающего пучка.
Амплитудный модулятор
Рассмотрим слабое акустическое поле и передачу модулятором акустических импульсов. Частотная характеристика модулятора определена суммарным влиянием частотной характеристики системы возбуждения звука и собственной частотной характеристикой модулятора. Пусть акустическая мощность не зависит от частоты. Пусть акустическое поле с частотой $f_0\ $смодулировано по амплитуде частотой $f_m=\frac{\Omega }{2\pi }$. Спектр акустического сигнала -- спектр модулированного сигнала, имеющего спектральные составляющие на частотах: $f_1=f_0-f_m\ и\ f_2=f_0+f_m\ .\ \ $В таком случае поле света, прошедшего дифракцию разложится в пространстве на 3 составляющие:
которые распространяются под разными углами. Оптические частоты компонент поля, подвергшегося дифракции отличаются от начальной частоты $\nu$ на $f_0-f_m\ и\ f_0+f_m$.
В том случае, если свет после дифракции направить на квадратичный фотоприемник, то фототок ($I_f$) содержит сигнал модулирующей частоты $f_m$:
Чаще всего встречается случай, когда $f_m\ll f_{0.}$ Тогда пространственные распределения полей $E_1и\ E_2$ считают одинаковыми и записывают:
Выражение (4) -- формула для частотной характеристики всякого акустооптического устройства, применимое для слабого акустического поля.
Акустические модуляторы часто работают при близких значениях расходимости светового и акустического полей.
Рассмотрим случай, когда поле подающей волны распределяется в плоскости дифракции по закону Гаусса:
где $r_m$ -- радиус пучка света, а его минимальном сечении (перетяжке). Пучок света падает под углом $\theta $ к фронту акустической волны. Пусть для центральной частоты ($f_0$) угол падения является Брэгговским ($\theta $=${\theta }_B(f_0)$). В таком случае распределение амплитуды поля после дифракции имеет вид:
Тогда выражение (4) представится как:
Для случая $\alpha \ll 1$ получим:
Полоса модулирующих частот на уровне $0,5$ определена формулой:
полоса модулятора при $\alpha \ll 1$ связана с конечным временем ($\tau $) пробега звуковой волны сквозь падающий пучок света.
При $\alpha \gg 1$ получают выражение:
Полоса моделирующих частот на уровне $0,5$ будет равна:
Компромисс между полосой и эффективностью модулятора достигается при близких соотношениях расходимости света и звука.
Задание: Покажите, что полоса моделирующих частот амплитудного модулятора при $\alpha \gg 1$ не зависит от величины перетяжки падающего света.
Решение:
Полоса моделирующих частот на уровне $0,5$ определяются выражением:
\[\triangle f_m=1,2\frac{v}{L\left(\frac{\lambda }{\Lambda }\right)}\left(1.1\right),\]где величина $L\left(\frac{\lambda }{\Lambda }\right)$ -- проекция светового пучка, который пересекает акустический столб, на направление распространения волны звука. Следовательно, полосу модулирующих частот можно определить временем пробега звуковой волны через пучок падающего на нее света ($\tau $):
\[\tau =\frac{L\left(\frac{л}{Л}\right)}{2v}\left(1.2\right).\]В данном случае полоса модулятора не зависит от размера перетяжки падающего света, она определяется длиной преобразователя, выражение (1.1) можно представить в виде:
\[\triangle f_m=1,2\frac{v^2}{L\lambda f_0}\left(1.3\right),\]где видно, что полоса модулятора обратно пропорциональна центральной рабочей частоте.
Задание: В чем преимущества акустооптических модуляторов перед электрооптическими модуляторами и наоборот.
Решение:
Акустооптические модуляторы могут применяться в тех же приборах, где использовались электрооптические модуляторы. Преимуществами акустооптических модуляторов служат:
-
Высокая контрастность (порядка ${10}^3-{10}^4\ против\ {10}^2\ $у электрооптических модуляторов), которая определяется как отношение максимальной мощности света после дифракции к минимальной.
-
Невысокая управляющая мощность ($\approx 1\ Вт$) и низковольтный вход.
-
Несложная оптическая схема. Отсутствие склеек элементов.
-
Температурная стабильность характеристик модуляции.
Единственным преимуществом электрооптических модуляторов перед акустооптическими является принципиальная возможность получить более широкую полосу модуляции.
Акустооптические модуляторы могут располагаться вне лазерного резонатора и внутри него. Внешние и внутренние модуляторы отличны по конструкции и параметрам.
