Принцип действия оптических модуляторов, основанных на явлении наведенной анизотропии

5. Принцип действия оптических модуляторов, основанных на явлении наведенной анизотропии

Одна из разновидностей искусственной анизотропии связана с возникновением у веществ анизотропных свойств под действием внешнего электрического поля. На практике наибольшее распрост­ранение получил линейный электрооптический эффект, или эффект Поккельса. Он был обнаружен немецким физиком в 1894 г. и зак­лючается в изменении показателя преломления света в кристал­лах, пропорциональное напряженности электрического поля, при­ложенного к веществу. Это явление имеет место только в пьезокристаллах. Во всех телах, имеющих центр симметрии: жидкости, газы, аморфные тела и т.д.,— эффект Поккельса отсутствует.

Важными свойствами таких модуляторов является их малая инерционность и возможность работы как в видимом, так и в инфракрасном диапазоне.

Наибольшее распространение в модуляторах, основанных на эффекте Поккельса, получили кристаллы: ниобат (LiNbO₃) и танталат лития (LiТаО₃), дигидрофосфат калия (КН₂РO₄ или сокращенно KDP), рубидия (RbH₂PO₄ или PDP), аммония (NH₄H₂PO₄ или ADP), а также соответствующие им дейтерированные соединения — дейтерированный дигидрофосфат калия (KD₂PO₄ или DKDP), аммония (NH₄D₂PO₄ или DADP), рубидия (RbD₂PO₄ или DRDP). Рабочий спектральный диапазон этих веществ лежит в видимой и ближней инфракрасной области спектра (_раб.=0,31,2 мкм). Значительным электрооптическим эффектом для лазеров на СO₂ (=10,5 мкм) обладают теллурид кадмия (СdTе) и арсенид галлия (GaAs).

Принцип действия оптических модуляторов с ЛЭЭ рассмотрим на примере кристалла дейтерированного дигидрофосфата калия (KD₂PO₄ или DKDP). При отсутствии электрического поля Е_х=Е_у=E_z=0 кристалл представляет собой одноосную среду, n-идикатриса которой описывается уравнением:

(21)

где n₀ и n_e — показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей (8) естественной анизотропии. Под действием электрического поля кристалл становится двухосным, а его индикатриса поворачивается и деформируется в трехосный эллипсоид. Поэтому главные оси эллипсоида в общем случае не будут совпадать с исходными главными осями XYZ (рис. 11) естественной n-индикатрисы (21), которая принимает вид

где r₄₁ и r₆₃ — электрооптические константы (для DKDP r₄₁=8.8·10^-12 м/в и r₆₃=26.4·10^-14 м/в при комнатной темпера­туре t=20° С; n₀=1,47 и n_e=1,51 для =0,546 мкм).

Р
ис. 11.

Таким обра­зом, электрическое поле вызывает появление смешанных членов с х·y, x·z и y·z в уравнении эллипсоида и его главные оси смеща­ются в пространстве.

Для кристалла DKDP и КDР константа r₆₃ больше, чем r₄₁, поэтому при использовании коэффициента r₆₃ электрическое поле направляют вдоль оси Z. В этом случае Е_х=Е_у=0, Е_z=Е и уравнение (22) принимает вид:

Из (23) следует, что поле E_z деформирует естественную индикат­рису (эллипсоид вращения) в трехосный эллипсоид, причем ось Z не изменяет своего первоначального положения в пространстве, а две другие оси нового эллипсоида X' и Y' повернуты относи­тельно начальной системы координат XYZ на угол =45° вокруг оси Z (рис.11) в силу симметричности уравнения эллипса относи­тельно перестановки координатных осей X и Y. Величина угла =45 не зависит от величины напряженности внешнего поля Е_z. Для определения новых главных показателей преломления n_х' и n_у' перейдем к новой системе координат X'Y'Z', повернутой вокруг оси OZ на угол =45 относительно исходной, причем оси Z' и Z совпадают. В новой системе координат X'Y'Z' уравнение эллипса уже не содержит смешанных членов, т.е. имеет вид:

где

Из (25) следует, что показатель преломления n_х' или n_y' линей­но зависит от приложенного электрического поля напряженностью Е, что обуславливает линейный электрооптический эффект (ЛЭЭ) Поккельса.

В качестве рабочего элемента для модулятора с наведенной анизотропией за счет эффекта Поккельса можно использовать плоскопараллельную пластину, вырезанную из кристалла DKDF. Ес­ли направление распространения света совпадает с направлением управляющего электрического поля E_z (рис. 12), то наблюдаемый линейный электрооптический эффект является продольным, а моду­лятор называется модулятором с продольным ЛЭЭ. в этом случае две взаимно ортогональные компоненты E_х' и E_y' поляризованы вдоль осей ОХ' и OY' и распространяются в кристаллической пластинке, по одному направлению, но с разными скоростями. В результате на выходе из пластинки 1 компонента Е_х' будет опе­режать Е_у' и между ними возникает фазовый сдвиг, равный при l_M=d

(26)

где U_z = E_zl_M — напряжение, приложенное к кристаллу вдоль оси OZ, т.е. в направлении, продольном с направлением распростра­нения света. Поэтому в продольных модуляторах разность фаз не зависит от длины кристалла l_M, а лишь от приложенного к нему напряжения U_z.

Р
ис.12.
В этом случае электроды, к которым подводится напряжение, должны быть либо непрозрачными с отверстием в центре, либо прозрачными для света электродами (например, стеклянные плас­тинки, покрытые закисью олова или окисью цинка).

Если свет распространяется вдоль одной из наведенных осей эллипсоида, например, X', а поле по-прежнему направлено вдоль оси Z' (рис. 13), то в анизотропной среде направления двух плоскополяризованных взаимно ортогональных компонент будут совпадать с направлением наведенных осей Z' и Y'. Соответству­ющую разность фаз  можно найти из (12), подставляя в нее значения (25),

где E_z=U_z/d — напряженность электрического поля, определяемая отношением приложенного к толщине кристалла d в направле­нии поля; ₀ — начальная разность фаз, обусловленная естест­венной анизотропией кристалла ₀= 2/(n_е–n₀)·l_м.

Р
ис. 13.
Второй член в выражении (27) зависит от приложенного к кристаллу напряжения U_z. Поскольку управляющее поле Е_z направ­лено перпендикулярно направлению распространения света X', то такой модулятор называется поперечным электрооптическим моду­лятором (рис.13). В таком модуляторе могут использоваться оп­тически непрозрачные электроды. Другое важное отличие попереч­ных модуляторов от продольных будет рассмотрено ниже.

Одиночные элементы с поперечным управляющим полем почти не применяются, так как величина постоянного фазового сдвига ₀ резко зависит от температуры вещества и при реальных, раз­мерах рабочего элемента l_М=50100 мм, d=35 мм может меняться в пределах нескольких радиан при изменении температу­ры на 1° С. Эту температурную нестабильность можно компенсиро­вать, если на пути луча установить последовательно два иден­тичных элемента, повернув их друг относительно друга на 90° и согласовав в них направления управляющих напряжений (вектор Е), (рис. 14). Величина для рассматриваемого случая определяется

Рис. 14.