Modulador acústico-óptico
Modulador acústico-óptico (AOM) - un dispositivo para cambiar la intensidad de la luz transmitida, debido a su difracción en una rejilla formada en vidrio como resultado de la modulación espacial del índice de refracción por una onda acústica .
Cómo funciona
El principio de funcionamiento de AOM se basa en la difracción de la luz por una onda ultrasónica viajera en un material ópticamente transparente ( vidrio ). Un transductor piezoeléctrico unido a una placa de vidrio crea una onda ultrasónica viajera . Debido a la aparición de áreas de compresión y tensión que se producen en el vidrio y que difieren en el índice de refracción, se forma una rejilla de difracción en el medio. Un haz de luz, al difractar en una rejilla, forma varios haces de salida (órdenes de difracción) espaciados en el espacio en ángulos iguales entre sí. Usando la apertura, se selecciona el primer máximo de todos los haces de salida, que existe solo en presencia de una onda de sonido en el modulador, y todos los demás están bloqueados (ver figura arriba).
Dependiendo del grosor del cuerpo de vidrio, AOM tiene algunas diferencias de funcionamiento. En un modulador delgado, el principio de funcionamiento no difiere del descrito anteriormente, pero en un modulador grueso, es necesario tener en cuenta las condiciones de coincidencia de fase , donde es el vector de onda de la radiación incidente, y son los vectores de onda de las ondas sonoras y ópticas difractadas en primer orden. En un modulador grueso, con la elección correcta del ángulo de incidencia del haz de entrada y debido a la condición de sincronismo, es posible excitar principalmente el primer (o menos el primer) orden de difracción. La industria produce moduladores gruesos, ya que requieren una onda de sonido de menor potencia. Se logra una alta eficiencia de difracción en moduladores gruesos debido a la rejilla de difracción más ancha.
Modulador fino (difracción Raman-Nath)
Cuando la luz incide ortogonalmente sobre la superficie del cristal, la luz transmitida con una longitud de onda y una onda de sonido se difracta en un ángulo de varios órdenes de difracción :
Modo Bragg (modulador grueso)
De interés práctico es el caso cuando la luz (rayo láser) se dirige sobre el vidrio en el ángulo de Bragg . En este caso se observa la difracción de Bragg , en la que las intensidades de todos los máximos de difracción, excepto el primero, se hacen pequeñas.
Características de la OMA
Ángulo de difracción
La longitud de onda de una onda de sonido en el vidrio es:
donde es la velocidad del sonido (ver tabla a continuación), es la frecuencia del sonido.
Con una frecuencia de modulación de 80 MHz (la frecuencia AOM más común) y una velocidad del sonido en el vidrio de 3,2 km/s, la longitud de onda del sonido en el vidrio es µm y el ángulo de deflexión del haz difractado de primer orden es de aproximadamente 10 miliradianes.
Intensidad
La intensidad de los rayos difractados depende de la intensidad de la onda sonora y del ángulo de giro del modulador (ángulo de Bragg). Al modular la intensidad de la onda de sonido, se puede cambiar (no linealmente) la intensidad de los rayos difractados. Como regla general, la intensidad del haz de orden cero varía entre el 15 y el 99 %, y la intensidad del primer orden , entre el 0 y el 80 %. El contraste de modulación a menudo supera los 1000 y puede alcanzar fácilmente los 10 000 (40 dB ).
Frecuencia
La frecuencia de los rayos difractados debido al efecto Doppler cambia según la fórmula:
Tal cambio de frecuencia también está determinado por la ley de conservación de la energía y el momento (fotones y fonones). En algunos AOM, las ondas acústicas que se propagan en direcciones opuestas crean una onda estacionaria, como resultado de lo cual la frecuencia de los órdenes de difracción no cambia.
Fase
La fase de los rayos difractados también se desplaza por la fase de la onda de sonido.
Polarización
La onda de sonido induce birrefringencia en el vidrio, por lo que la polarización de la luz después de pasar por el modulador puede cambiar.
Rendimiento
La velocidad de AOM está limitada por el tiempo de paso de la onda de sonido a través de la sección transversal del haz de luz ( donde es el tamaño transversal del haz de láser, es la velocidad del sonido en el material celular) y es del orden de 2–10 μs para un rayo láser colimado de varios milímetros de diámetro. Cuanto más pequeño sea el punto de enfoque, mejor será el rendimiento de AOM, por lo que normalmente el modulador se coloca en el foco de la lente, mientras que los haces de salida son colimados por la segunda lente. Un modulador grueso requiere el uso de una lente de distancia focal larga; con el diseño y la alineación adecuados, es posible lograr una velocidad de aproximadamente 20 ns. AOM puede operar en modo modulador y deflector (es decir, también desvía el haz incidente en ángulo cuando cambia la frecuencia de la onda de sonido).
Materiales utilizados para hacer AOM
| Material | Rango óptico, µm | Índice de refracción | Velocidad de onda de sonido, km/s | Factor de calidad 10 −15 m 2 /W |
|---|---|---|---|---|
| Vidrio de calcogenuro | 1,0—2,2 | 2.7 | 2.52 | 164 |
| pedernal SF-6 | 0.45-2 | 1.8 | 3.51 | ocho |
| vidrio de cuarzo | 0,2—4,5 | 1.46 | 5.96 | 1.56 |
| fosfito de galio | 0.59-10 | 3.3 | 6.3 | 44 |
| Germanio | 2-12 | 4.0 | 5.5 | 180 |
| fosfato de indio | 1-1.6 | 3.3 | 5.1 | 80 |
| niobato de litio | 0,6—4,5 | 2.2 | 6.6 | quince |
| Dióxido de telurio | 0,4—5 | 2.25 | 5.5 | 1000 |
Diseño de dispositivos
El vidrio pulido ópticamente está unido por presión de metal a un transductor piezoeléctrico hecho de niobato de litio . El grosor de la placa de niobato de litio se selecciona en función de la frecuencia de modulación requerida (hasta 1 GHz). La cara opuesta de la placa de vidrio está hecha en ángulo con respecto a la propagación de la onda ultrasónica, de modo que la onda reflejada se desvía hacia un lado para que no se produzca una onda estacionaria. Además, en esta cara se suele colocar un bloque de material fonoabsorbente.
El AOM suele colocarse en una caja metálica con orificios para la entrada/salida del haz de luz y un conector RF para suministrar una señal moduladora (normalmente un conector SMA o BNC ). También es posible diseñar el dispositivo con entradas y salidas de fibra , lo que facilita su uso en sistemas de fibra óptica .
La frecuencia de modulación del AOM está determinada por las propiedades elasto-ópticas del medio acústico y puede alcanzar los 350 MHz (la eficiencia del AOM a esa frecuencia es baja, del orden del 10 al 20%).
Aplicación
Los AOM se utilizan para modular y desviar rápidamente los rayos láser, por lo que se utilizan ampliamente en los laboratorios ópticos como una forma sencilla de modular un rayo láser (obturador de alta velocidad). El uso de un AOM dentro de la cavidad del láser permite controlar las pérdidas de la cavidad y realizar Q-switching activo o bloqueo del modo láser .
AOM con un haz colineal se llama AOPDF , es capaz de dar forma a la fase espectral y la amplitud de los pulsos de láser ultracortos.
