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.