Введение в акустооптические кристаллы
Что такое акустооптические кристаллы и Акустооптические модуляторы:
Акустооптические кристаллы — это кристаллы, проявляющие фотоупругие эффекты, при которых механические волны вызывают упругие деформации в кристалле, действуя как периодические фазовые решетки и изменяя показатели преломления, что приводит к изменению оптических свойств. Простое объяснение основного принципа работы заключается в том, что когда поле механических колебаний сжимает материал кристалла, показатель преломления соответственно увеличивается; когда же механические волны растягивают кристалл, результат будет противоположным.
Акустооптические кристаллы широко применяются в акустооптических модуляторах (AOM), которые модулируют лазерные лучи посредством взаимодействия световых волн и акустических волн, или, выражаясь проще, за счет дифракции света, вызванной AO-кристаллической средой. Наиболее стандартная конфигурация AOM включает кристаллический материал, отполированный до оптического качества, через который проходит и модулируется свет; RF-драйвер, который генерирует электрические сигналы, подаваемые на пьезоэлектрический преобразователь; пьезоэлектрический преобразователь, преобразующий колебательные электрические поля в акустические волны; и поглотитель акустических волн на конце AO-кристаллической среды, чтобы обеспечить беспрепятственное распространение света, предотвращая образование стоячих волн (или резонансное устройство для режима работы со стоячими волнами). Вся система обычно установлена в корпусе с двумя оптическими окнами по бокам для пропуска света. Hangzhou Shalom EO предоставляет высококачественные оптические окна с AR-покрытием, соответствующие применению в AOM.
Режимы дифракции:
Существует два основных режима дифракции: режим Рамана-Ната, при котором один падающий световой луч дифрагирует на несколько порядков, и режим Брегга, при котором луч дифрагирует только на один порядок.
Режим Рамана-Ната:
Этот режим возникает, когда длина волны акустических волн относительно велика, а угол падения света перпендикулярен направлению распространения акустических волн. Поскольку волновое число световой волны значительно больше, чем у акустической волны, решетки можно почти считать неподвижными, а взаимодействие световых волн с механической волной крайне незначительно. В этом случае выходящий фронт световой волны будет в форме волнистой синусоидальной кривой, что соответствует многопорядковой дифракции света.
Режим Брегга:
Режим Брегга возникает, когда длина волн акустических волн значительно короче, чем в режиме Рамана-Ната, и когда свет падает на фронты акустических волн под определенным углом, называемым углом Брегга. В этой ситуации происходит модуляция как амплитуды, так и фазы световой волны, и дифрагированные волны нескольких порядков интерферируют друг с другом, оставляя только 0-й порядок и 1-й или -1-й порядок дифракции. Математически угол Брегга можно выразить следующим образом:
θ = λfa/Va = 2θb
Где θb — угол Брегга, λ — длина волны света, fa — частота акустической волны, а Va — скорость распространения акустической волны в материале. Из этого уравнения можно легко увидеть, что угол Брегга зависит от длины волны акустической волны, что означает, что управляя частотой радиочастотного сигнала, можно управлять углом дифракции. Это основной принцип работы акустооптических дефлекторов.
Режим Брегга значительно чаще применяется, чем режим Рамана-Ната, в акустооптических модуляторах, поскольку его полоса модуляции значительно шире, а эффективность дифракции намного выше.
Важные параметры акустооптических кристаллов
Диапазон пропускания:
Кристалл должен иметь высокую прозрачность на интересующей длине волны света, чтобы минимизировать потери мощности в системе.
Показатель качества (Figure of Merit):
Для большинства применений желательна высокая эффективность дифракции. Исследования показывают, что с кристаллами с более высоким показателем качества легче достичь высокой эффективности дифракции. Например, численная формула эффективности дифракции для режима Брегга выглядит следующим образом:
η — это эффективность дифракции, L и H — длина и высота поперечного сечения преобразователя, M — показатель качества материала, а P — требуемая мощность питания. Из уравнения видно, что при ограниченной мощности (что часто встречается в реальных приложениях) более высокий показатель качества будет пропорционально повышать η.
Возможность работы с большими размерами:
В некоторых случаях требуются большие площади моды, что создает трудности в доступности кристаллов большого размера. Например, для приложений с высокой мощностью большое апертурное отверстие повышает порог повреждения. А для акусто-оптических дефлекторов с высоким разрешением также необходима большая апертура. Одним из альтернативных подходов является фокусировка светового луча с помощью оптических линз, однако потенциальный риск заключается в потере дифрагированной оптической мощности. Кроме того, с увеличением апертурного размера также может быть ограничено время нарастания, поскольку время нарастания и спада АОМ для затвора луча определяется как время прохождения акустической волны через световой луч, что выражается формулой:
Время нарастания = Диаметр светового луча / 1,5 x скорость акустической волны
Зависимость от поляризации или нет:
Для изотропных кристаллических материалов выходная поляризация останется такой же, как и входная. Для анизотропных материалов состояние поляризации входящего света будет изменено, что означает, что анизотропные материалы могут нормально функционировать только при определенном направлении поляризации. В случае изотропных материалов взаимодействие является высоко симметричным, падающий и дифрагированный свет испытывают один и тот же показатель преломления, тогда как в случае анизотропных материалов показатель преломления изменяется в зависимости от изменения состояния поляризации.
Диаграммы ниже показывают изотропные и анизотропные взаимодействия, где в первом случае векторы волны падающего и дифрагированного света примерно равны, а во втором случае эти два вектора различаются. Кроме того, для анизотропных взаимодействий в режиме медленной сдвиговой волны при некоторых особых условиях вектор дифракции изменяется незначительно по сравнению с существенным изменением вектора акустической волны. Этот факт указывает на возможность реализации широкополосной модуляции с использованием анизотропных материалов.
Рисунок 1. Показывает изотропные взаимодействия.
Рисунок 2. Показывает анизотропные взаимодействия. Внешние полусферы представляют собой эллипсоид показателя преломления бипризматического кристалла.
Различные типы акусто-оптических кристаллов:
Призматические АО-кристаллы:
Для этих кристаллов, как правило, разработана относительно зрелая технология выращивания, поэтому легче получить монокристаллы больших размеров. Упруго-оптические коэффициенты этих кристаллов незначительны, и их показатели качества тоже низки, но при этом возможны низкие акустические потери, что позволяет изготавливать широкополосные акусто-оптические устройства. Такие кристаллы склонны к образованию цветных центров под воздействием рентгеновского или ультрафиолетового излучения, поэтому они не подходят для применения в коротковолновых диапазонах. Самыми представительными примерами являются кристаллы иттриевого алюминиевого граната (YAG), BSO и BGO.
Униаксиальные АО-кристаллы:
Эти АО-кристаллы обладают относительно высокой надежностью в видимом спектре. Основные виды включают LiNbO3, LiTaO3 и кварц треугольной кристаллической системы, молибдат свинца (PbMoO4), диоксид теллура (TeO2) и бихлорид ртути (HgCl2) тетрагональной кристаллической системы, а также сапфир гексагональной системы. Выращивание этих кристаллов не представляет большой сложности, основная проблема отрасли — это возможность выращивания больших размеров. Среди них молибдат свинца и диоксид теллура (TeO2) выделяются благодаря высоким показателям качества, обусловленным большими упруго-оптическими коэффициентами и высоким показателем преломления. PbMoO4 и TeO2 являются наиболее распространёнными акусто-оптическими кристаллами.
Биакисальные АО-кристаллы:
Эти АО-кристаллы характеризуются низкой симметрией и, следовательно, сильной анизотропией. Это обеспечивает большую свободу для оптимизации акусто-оптических модуляторов, но также создает сложности в проектировании и применении. Кроме того, низкая симметрия затрудняет выращивание кристаллов. Одним из новейших видов является кристалл бромида свинца (PbBr2), который хорошо работает в видимом и среднем инфракрасном диапазонах. Он обладает высоким показателем качества и хорошим качеством кристалла.
Полупроводниковые АО-кристаллы:
Диапазон пропускания этих кристаллов простирается в инфракрасный спектр, поэтому они подходят для ИК-приложений. Кристаллы имеют хорошие показатели преломления и большие упруго-оптические коэффициенты. Однако из-за больших акустических потерь полупроводниковых материалов диапазон применения ограничен. Популярными инфракрасными акусто-оптическими кристаллами являются кубический теллур (Te) и монокристаллический германий (Ge).
Применения АО-модуляторов (AOM):
Q-ключ:
Переключение осуществляется путем включения и выключения акустического поля. Когда акустическая волна не подается, лазерный луч проходит через устройство без изменений. При подаче акустической волны показатель преломления в АО-среде изменяется периодически, и лазерный луч отклоняется, что приводит к снижению добротности (Q) резонатора, предотвращая генерацию колебаний и одновременно накапливая население частиц в верхнем энергетическом уровне. В акусто-оптике Q-ключ — это компонент, который обычно генерирует импульсную мощность около 10 кВт из непрерывного (CW) Nd:YAG лазера. Производительность АОМ в качестве Q-ключа определяется контрастным отношением:
Кавитный дампер (Cavity Dumper):
В акусто-оптике кавитный дампер — это компонент, который работает внутри резонатора ионных аргоновых лазеров для генерации коротких импульсов света.
Модовый локер (Mode Locker):
Акусто-оптическое модуляция мод позволяет активное модулирование с периодическим изменением потерь в резонаторе, так что каждый продольный мод обладает определённой фазой, а амплитуды связаны друг с другом, образуя выходной импульс с фиксированной фазой (mode-locked). Для некоторых областей применения, таких как накачка OPCPA, источники накачки для высокоэнергетических твердотельных импульсных лазеров и исследования ультрабыстрых процессов в материалах, акусто-оптические модульные источники с шириной импульса в сотни пикосекунд являются идеальным световым источником.
Акусто-оптические настраиваемые фильтры (AOTF) и полихроматические АО-модуляторы (PCAOM):
Поскольку угол Брэгга изменяется с длиной волны, АОМ может использоваться для выбора света определённой длины волны из широкого спектра источника. Такой компонент называется AOTF или PCAOM. TeO2, работающий в сдвиговом режиме, является отличным кристаллом для изготовления AOTF. Большой показатель качества диоксида теллура снижает необходимую мощность питания РЧ-драйвера, с возможностью проектирования компенсационной призмы для уменьшения угла рассеяния. В индустрии лазерных шоу AOTF и PCAOM могут применяться как смесители цвета для индивидуальной модуляции лазерных линий и дальнейшего смешивания цветов.
Акусто-оптические дефлекторы (AOD):
Акусто-оптический дефлектор — это компонент для точного пространственного управления выходным светом или для непрерывного/случайного сканирования света в определённом угле. По сути, АОМ и AOD — это одно и то же устройство. Если изменять только мощность РЧ-драйвера, сохраняя длину волны механической волны, чтобы положение дифрагированных лучей оставалось неизменным, а их интенсивность модулировалась, такой компонент называется АОМ. Если же изменять только длину волны механической волны, чтобы интенсивность выходного света оставалась неизменной, а изменялось направление дифрагированных лучей, такой компонент называется AOD. Таким образом, акусто-оптический модулятор может функционировать и как дефлектор, просто изменяя способ управления РЧ-драйвером.
Для акусто-оптических дефлекторов важны разрешающая способность (как статическая, так и динамическая), время доступа и другие параметры. Материалы с большим показателем преломления и низкой скоростью распространения механической волны обычно более предпочтительны. Часто используемые материалы в AOD — PbMoO4, TeO2, плотное флинтовое стекло и др. PbMoO4 и TeO2 обладают высоким показателем качества и пригодны для коротковолнового диапазона. Плотное флинтовое стекло дешевле кристаллов и легче доступно в больших заготовках, однако из-за значительных потерь на коротких длинах волн оно применяется преимущественно для длинноволновых приложений.
Акусто-оптический частотный сдвигатель (AOFS):
Когда лазерный луч проходит через фазовые решетки, создаваемые в акусто-оптической среде AOFS, он испытывает эффект Доп
Диоксид теллура (TeO2) и его применение в области акустооптики:
Диоксид теллура, химическая формула TeO2, относится к тетрагональной кристаллической системе с одной оптической осью и считается лучшим акустооптическим кристаллом благодаря высокому показателю эффективности и отличной пропускной способности на длинах волн 514 нм, 633 нм, 1064 нм и 1330 нм.
В акустооптической промышленности TeO2 особенно востребован при производстве акустооптических дефлекторов (AOD), настраиваемых акустооптических фильтров (AOTF), частотных сдвигателей акустооптических (AOFS) и акустооптических модуляторов (AOM).
Кристалл диоксида теллура — это бесцветный, прозрачный кристалл с широкими возможностями применения в акустооптике и пьезоэлектрических областях. Семейство кристаллов TeO2 можно классифицировать на три структурных типа, на данный момент искусственно выращивается только гамма-TeO2 с парателлуритовой структурой. Выращенный кристалл TeO2 обладает выдающимися оптическими, акустическими и пьезоэлектрическими свойствами, включая низкую фазовую скорость акустической волны в направлении [110], малые акустические потери, высокий показатель эффективности, высокий показатель преломления и отличную пропускную способность в видимом диапазоне. Особое внимание в акустооптике уделяется его низкой скорости распространения акустических волн и высокому показателю преломления.
Рисунок 3. Слитки кристаллов TeO2 и компоненты лазерного класса, предлагаемые компанией Shalom EO.
Структура:
Структура гамма-TeO2 — парателлурит, относящийся к точечной группе 422 и пространственной группе D4,4-P41212. Модель атомов теллура (Te) и кислорода (O), наблюдаемая на проекции в плоскости [001], имеет октаэдрическую молекулярную геометрию, где группа Te–O4 образует треугольную пирамиду, а два дополнительных ближайших атома кислорода располагаются рядом, таким образом всего шесть атомов кислорода окружают один атом теллура в каждой функциональной группе. Не менее важно, что функциональные группы октаэдрической геометрии связаны между собой в вершинах и соответственно наклонены. Степень наклона групп зависит от температуры и стремится к идеальной структуре рутилита при повышении температуры. Эта особенность объясняет необычную температурную чувствительность упругих свойств кристаллов TeO2 в определённых условиях.
Режимы работы:
Существует три основных режима работы акустооптических модуляторов, разработанных на основе кристаллов TeO2: первый — медленный сдвиговой режим, распространяющийся в направлении [110] с колебаниями в том же направлении; преимущество этого режима — низкое акустическое затухание и высокий показатель эффективности для данного направления (M2 = n^6P^2/ρv^3 = 793×10^-18 с^3/г). Второй — продольная волна в направлении [001], для этого режима показатель эффективности относительно высок с учётом ширины полосы модуляции (M1 = n^7P^2/ρv = 142×10^-7 см^2·с/г). Третий режим — сдвиговая волна, распространяющаяся в плоскости [001] под углом 35,9° к оси x и колеблющаяся в направлении [001]. Особенность этого режима — отсутствие температурной чувствительности и достаточно высокий показатель эффективности (M = 200×10^-18 с^3/г). Также стоит отметить, что акустическое затухание звуковых волн, распространяющихся в направлении [110], выше, чем у волн, движущихся в направлении [001].
Свойства кристаллов TeO₂:
Скорости звука в кристаллах TeO₂ для различных режимов работы, измеренные при 20℃:
Акусто-оптические свойства кристаллов TeO₂:
Взаимосвязь между распространением акустической волны и акустическим затуханием:
Применения:
Акустооптические дефлекторы на основе TeO2:
Кристалл TeO2 является наиболее распространённым материалом для акустооптических дефлекторов (AOD), обладая достаточно большой возможностью выращивания крупных размеров и исключительным показателем эффективности, что способствует высокой разрешающей способности.
Основные характеристики дефлекторов TeO2 (Обратите внимание, что приведённые ниже значения не следует воспринимать как абсолютные. Значения выбраны как наиболее характерные при общих условиях.) | |
Диапазон пропускания света по длине волны
| 514 нм, 633 нм, 1064 нм, 1330 нм или даже широкополосные применения (например, 440–532 нм, 750–1064 нм, 1065–1100 нм и др.) |
Апертурa | 1–15 мм |
Режим работы | Медленный сдвиговой режим, или сдвиговой, вне оси |
Угол отклонения | 30–60 мрад |
Угол расхождения | 60–80 мрад при 80 МГц |
Коэффициент дифракционной эффективности | 70-85% |
Мощность для радиочастотного драйвера | 1–5 ватт |
Время отклика | 1,5 мкс |
Акусто-оптические настраиваемые фильтры на основе TeO₂:
Основные характеристики настраиваемых фильтров TeO2 (Обратите внимание, что приведённые ниже значения не следует воспринимать как абсолютные. Значения выбраны как наиболее характерные при общих условиях.) | |
Диапазон пропускания света по длине волны | 514 нм, 633 нм, 1064 нм, 1330 нм, ширина полосы 3–15 нм |
Апертурa | 1–20 мм |
Режим работы | Медленный сдвиговой режим, вне оси |
Частота | 17–200 МГц |
Коэффициент дифракционной эффективности | 90-95% |
Поле зрения | +/- 1-3° |
Акусто-оптические модуляторы на основе TeO₂:
Основные характеристики модуляторов TeO2 (Обратите внимание, что приведённые ниже значения не следует воспринимать как абсолютные. Значения выбраны как наиболее характерные при общих условиях.) | |
Диапазон пропускания света по длине волны | 514 нм, 633 нм, 1064 нм, 1330 нм |
Апертурa | 0,3 мм – 3 мм |
Режим работы | Продольный, ось (001) |
Компания Hangzhou Shalom EO предлагает кристаллы TeO₂ высокого качества по конкурентоспособным ценам. В Shalom EO разработана полная производственная цепочка для выращивания, резки и обработки кристаллов, при этом перед поставкой проводится строгий контроль качества. Кристаллы диоксида теллура от Shalom EO особенно подходят для производства акусто-оптических модуляторов, акусто-оптических дефлекторов и акусто-оптических настраиваемых фильтров для применения в диапазоне длин волн от видимого до инфракрасного (оптический пропускной диапазон от 350 до 5000 нм), характеризующихся высоким качественным показателем, низким акустическим затуханием и другими преимуществами. Кристаллы могут поставляться в виде булей и слитков, заготовок кристаллов или лазерных образцов с полированной и покрытой поверхностью.
Related Articles
Related Products
Tags: Введение в акустооптические кристаллы