научная статья по теме АНАЛИЗАТОР ПОЛЯРИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ДИФРАКЦИИ СВЕТА НА ЗВУКЕ Физика

Текст научной статьи на тему «АНАЛИЗАТОР ПОЛЯРИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ДИФРАКЦИИ СВЕТА НА ЗВУКЕ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 5, с. 103-107

ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА

УДК 535.51

АНАЛИЗАТОР ПОЛЯРИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ДИФРАКЦИИ СВЕТА НА ЗВУКЕ

© 2014 г. В. М. Котов, С. В. Аверин, П. И. Кузнецов

Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Россия, 141190, Фрязино Московской обл., пл. Введенского, 1 E-mail: vmk277@ire216.msk.su Поступила в редакцию 18.10.2013 г.

Для регистрации поляризационно-модулированного оптического сигнала разработано устройство, основным узлом которого является акустооптический поляризационный расщепитель. Он пространственно разделяет входное излучение на два луча с взаимно ортогональными поляризациями, различие интенсивностей которых служит мерой изменения плоскости поляризации входного излучения. Эксперименты, выполненные с использованием монокристалла ТеО2 в качестве акустооп-тического расщепителя, показали высокую эффективность расщепления оптического излучения с длиной волны 0.63 мкм в диапазоне частот звука 10—26 МГц.

DOI: 10.7868/S003281621404020X

ВЕДЕНИЕ

В настоящее время в связи с бурным развитием методов передачи информации в виде оптического излучения необходимы разработки устройств для выделения "нужного" излучения из всего оптического потока, а также измерения его характеристик, в частности поляризации. Актуальность этой проблемы возросла с появлением, например, поляритонных лазеров — источников когерентного излучения, основанных на явлении Бо-зе-конденсации [1—3]. Эти лазеры притягательны тем, что могут служить источниками когерентного света малой (фактически беспороговой) интенсивности. Такие источники очень перспективны для оптических линий связи [4], поскольку их число в существующих волоконных сетях можно увеличить во много раз. Понятно, что при этом амплитудная модуляция становится малоэффективной, однако лазеры позволяют достаточно просто менять фазу и поляризацию излучаемого ими света.

Акустооптическая (а.о.) дифракция широко применяется для управления параметрами оптического излучения (амплитудой, частотой, фазой и поляризацией) как большой, так и малой интенсивности [5, 6]. К тому же она характеризуется высокой селективностью к длине волны оптического излучения, которая меняется в зависимости от частоты звука. Для управления параметрами света, генерируемого поляритонными лазерами, наибольший интерес представляет собой поиск режимов а.о.-взаимодействия, позволяющих отслеживать изменение поляризации света независимо от изменения интенсивности всего излучения. В на-

стоящей работе описаны такой режим, а также устройство, основанное на его использовании.

Известно [7], что оптическое излучение, распространяясь через анизотропную среду, разделяется на два луча со взаимно ортогональными поляризациями. Лучи в общем случае распространяются в кристалле с разными скоростями. Режимы брэгговской дифракции, обеспечивающие фазовый синхронизм обоих расщепленных лучей с одной акустической волной, могут быть положены в основу углового разделения лучей с разными поляризациями.

Заметим, что подобную операцию можно сделать и с помощью пассивных элементов, например двулучевых поляризационных призм [8]. Однако а.о.-ячейки способны не только разделять два луча с разными поляризациями, но и отфильтровывать "нужную" длину волны, а также про-модулировать оптическое излучение по интенсивности, тем самым увеличивая чувствительность приемного тракта.

ТЕОРИЯ

На рис. 1 приведен эскиз кристалла парателлу-рита С, вырезанного в форме параллелепипеда, грани которого ортогональны кристаллографическим осям [110], [110], [001]. Акустическая волна q распространяется вдоль направления [110]. Направления [110] и [001] образуют плоскость Р. Оптическое излучение с волновым вектором к падает на грань {001} под углом а к плоскости Р, при этом проекция к на плоскость Р образует угол в с направлением оптической оси [001]. Внутри кристалла С излуче-

104

КОТОВ и др.

[110]

[001]

[001] у

к'

Рис. 1. Геометрические условия падения света на кристалл.

ние преломляется, расщепляясь при этом на два луча с разными поляризациями.

Строго говоря, парателлурит является гиро-тропным кристаллом. Оптические лучи, распространяющиеся вблизи его оптической оси, имеют эллиптические поляризации. Однако, если угол между волновым вектором к0 и оптической осью [001] больше ~6° (в конечном устройстве это выполняется), эллиптичностью можно пренебречь и считать, что лучи поляризованы линейно. На выходе кристалла расщепленные (непродифраги-ровавшие) лучи образуют луч к0, а продифрагиро-

вавшие — отклоняются в направлениях к 1 и к '2.

На векторной диаграмме (рис. 2) показан процесс расщепления лучей и их дифракции на акустической волне для случая когда а = 0°. Падающее излучение к0 расщепляется внутри кристалла на лучи к! и к2. Проекции к! и к2 на направление

Рис. 2. Векторная диаграмма а.о.-дифракции двух лучей на одной звуковой волне.

[110] равны между собой согласно закону Снел-лиуса. Внутри кристалла распространяется акустическая волна с волновым вектором q, параллельным направлению [110].

В результате а.о.-взаимодействия излучение к! дифрагирует в направлении луча к 1, а к2 — в направлении к '2. В общем случае дифракция происходит с расстройкой брэгговского синхронизма [5, 6]. На рис. 2 векторы расстроек обозначены Ак и Ак2 соответственно.

Рис. 2, по сути, описывает двумерную картину процесса дифракции. Для трехмерной картины, когда необходим учет пространственных углов а и в, нами использовалась модель, согласно которой показатели преломления одноосного гиротропно-го кристалла описываются выражением [9]

0

2

п1,2 =

1 +182 ф

(1)

где п0, пе — главные показатели преломления кристалла; ф — угол между оптической осью кристалла и волновым вектором световой волны; С33 — компонента псевдотензора гирации. В расчетах полагалось, что длина волны оптического излучения X равна 0.63 • 10-4 см. Соответствующие параметры света при распространении его в кристалле ТеО2 следующие: п0 = 2.26, пе = 2.41, С33 = 2.62 • 10-5.

Выражение (1) определяет значение показателя преломления п в полярных координатах. В декартовых координатах, когда кристаллографические оси направлены вдоль координатных осей X, У, Z, выражение (1) может быть записано как

4

V п0

1 г2

- Г33

+ Т2 N

Г 2

П2 -1

V по

+

/

2 2 По пе

2 По

+1 = о, (2)

где пх, пу, пг — проекции п на оси X, У, Z соответственно, так что п2 = п2х + пу; + п2; Т2 = п2х + п2у; N = п-2 + п-2.

Если свет падает на грань кристалла под углами а и в (согласно рис. 1), то, как нетрудно показать:

пх = а(1 +гБ 2а +гБ 2р)

"1/2

пу = р(1 + гБ а + г§2р)

-1/2

(3)

Подставляя (3) в (2), получим биквадратное уравнение относительно п^:

Рхп\ - 2Кп\ + 01 = 0,

где

АНАЛИЗАТОР ПОЛЯРИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

105

P = -1 - G^; R = п-2(1 - 0.5T2N);

По

Q = T4 (лоп)-2 - TN + 1.

A

(5)

Найдя положительные корни иг1 и из (4), определим показатели преломления двух собственных лучей, распространяющихся в кристалле:

П = Jn

, 2 , 2 , 2 п1 = \ ПХ + П„ + ,

: if,

, 2 , 2 2 п2 = л/ nx + п„ + n

Х2-

(6)

12

'L-L 9-'У5

Г\ 1

Подход, основанный на использовании показателей преломления в форме (2), оказался очень эффективным в случае, когда параметры а.о.-вза-имодействия изменяются только вдоль одной координаты. Это значительно облегчает вычисления. В нашем случае, как нетрудно видеть из рис. 2, вектор q изменяется только вдоль направления [110], а векторы Ak1 и Ak2 — только вдоль [001]. Расчеты выстраивались нами следующим образом: задавалась частота звука f, откуда определялась величина волнового вектора звука q = 2nf/V (где V — скорость звука), после чего подбором углов а и в добивались, чтобы Ak1 = Ak2. В этом случае с хорошим приближением интенсивности дифрагировавших лучей k 1 и k2 равны между собой при равенстве интенсивностей лучей k1 и k2.

Отметим, что в работах [10—13] уже исследовался этот режим, однако исследования ограничились только поиском условия расщепления, когда а = 0° и Ak1 = Ak2 = 0. Это условие реализуется для строго определенной частоты звука, которая, как было показано, зависит от длины волны оптического излучения. Например, для длины волны 0.63 мкм частота звука равнялась 9.5 МГц с полосой <1 МГц. В наших же исследованиях высокоэффективное расщепление получено в широкой полосе частот, превышающей частоту 9.5 МГц в 2— 3 раза. Это существенно расширяет возможности предлагаемого варианта разделения лучей для задач контроля поляризации оптического излучения.

ЭКСПЕРИМЕНТ И ОБСУЖДЕНИЕ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Оптическая схема устройства для поляризационной модуляции и регистрации оптического излучения, с помощью которого исследовался а.о.-расщепитель, приведена на рис. 3. Основой всей конструкции является модуль 1, в состав которого входят He-Ne-лазер 2, ротатор поляризации оптического излучения 3, поляризационный а.о.-расщепитель 4, и фотоприемники 5 и 6. Принцип действия устройства следующий: оптическое линейно поляризованное излучение 7, генерируемое лазером 2, последовательно проходит через полуволновую пластинку 8, ротатор поляризации

A'

Рис. 3. Оптическая схема устройства поляризационной модуляции и регистрации модулированного сигнала. 1 — модуль устройства; 2 — Не-№-лазер; 3 — ротатор поляризации оптического излучения; 4 — поляризационный а.о.-расщепитель; 5 и 6 — фотоприемники; 7 — линейно поляризованное излучение; 8 — полуволновая пластинка; 9 и 10 — лучи с взаимно ортогональными поляризациями; 11 — пьезоэлемент; 12 — механическое устройство для вращения расщепителя; 13 — пьезопре-образователь.

3, расщепитель 4, после которого разделяется на два луча с взаимно ортогональными поляризациями 9 и 10. Расщепленные лучи регистрируются фотодетекторами 5 и 6. Балансная электронная схема (на рисунке не приведена) сравнивает сигналы фотодетекторов. По разнице сигналов определяется угол поворота плоскости поляризации.

Ротатор поляризации подробно описан в [14]. Пьезоэлемент 11 сдавливает ротатор при приложении напряжения и. Это напряжение служит входным электрическим сигналом, приводящим к

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»