Модуляторы света

Модуляторы света–устройства для управления параметрами световых потоков, т.е амплитудой, частотой, фазой, поляризацией. Работают на основе Эффекта Поккельса,

Фазовые модуляторы на основе эффекта Поккельса.

Используют линейное изменение показателя преломления нецентральносимметричных кристаллов в зависимости от величины электрического поля, в котором находится кристалл.

Где -показатель преломления кристалла без поля, r-электрооптический коэффициент, зависящий от свойств и ориентации кристалла, направления поля E и поляризации проходящего света.

Световой пучок, прошедший путь в кристалле, помещенном в электрическое поле, приобретает фазовый сдвиг.

-Длина волны света в вакууме, -начальный сдвиг фаз света в кристалле без поля

Наличие фазового сдвига означает фазовую модуляцию света. Линейный эффект позволяет изменять фазу за .

При приложении электрического поля поперек к направлению распространения света Внешнее электрическое напряжение , где h- размер кристаллического элемента по направлению силовых линий электрического поля Е.

Полуволновое напряжение – напряжение, которое необходимо приложить к фазовому модулятору света для получения сдвига фаз на угол равно

Полуволновое напряжение используется как характеристика модулятора света на низких частотах модуляции.

На высоких частотах сдвиг фазы удобно определять как функцию мощности Р управляющего сигнала.

q – величина, характеризующая качество модулятора света, зависящее от кристалла, его геометрии и от ношения длины кристалла к площади его поперечного сечения.

На высоких частотах фаза модулирующего сигнала меняется за время прохождения светом кристалла:

Где -амплитуда,частота, волновое число модулирующего электрического порля, z-направление распространения света в кристалле.

Длина модулирующего элемента не должна превышать величины

,

где v- скорость света в кристалле, -фазовая скорость управляющего сигнала.

В качестве фазовых модуляторов света используют кристаллы ADP KDP , DKDP , ниобат лития танталат лития . Полуволновые напряжения модуляторов меняются от 100 В для длинных и тонких кристаллов в поперечном поле, до 5 кВ в модуляторах, использующих широкие кристаллы в продольном поле.

Амплитудные модуляторы с поляризационной ячейкой отличаются от фазовых модуляторов наличием двух скрещенных поляризаторов между которыми находится кристалл. См рис5.

Рис.5 Амплитудный модулятор света с поляризационной ячейкой.

Интенсивность света на выходе поляризационной ячейки определяется законом Малюса

Разность фаз ,

где разность фаз за счет естественной анизотропии кристалла ,

переменная разность фаз, наведенная электрическим полем , полуволновое напряжение .см Рис 6

Рис.6.Амплитудная характеристика модулятора света.

а) Работа на нелинейном участке при . б) работа на линейном участке при .

В светодиодах и инжекционных лазерах внутренняя модуляция осуществляется путем изменения питающего тока. Для внешней модуляции используется электрооптический эффект в кристалле . Полуволновое напряжение в этом кристалле более 1 Кв.

Интегрально-оптические модуляторы света

На поверхности ниобата лития методом диффузии титана создают необходимую световодную конфигурацию. Между световодами напыляют электроды. Прикладывая напряжение к электродам, изменяют скорость распространения света по световодам. Используют широко модифицированный интерферометр Маха-Цендера изображенный на рис 7

рис.7 Пленочный (волноводный) интерференционный модулятор света

Ширина световода не должна превышать нескольких мкм, чтобы волновод был одномодовым. Роль светоразделительных элементов играют Y-образные разветвления. Если пришедшие к выходу интерферометра волны оказываются в фазе,то они складываются, если в противофазе- то образуют волну второй моды, которая не может распространятся по световоду и излучается в подложку. При распространении по световоду свет не дифрагирует, поэтому длина интегрально-оптических модуляторов света может достигать нескольких см. Полуволновое напряжение составляет 0,3 В.При длине модулятора из l=1cм, полоса частот равна 1 Ггц.

Интегрально –оптический переключатель на два положения показан на рис 8

Рис.8 Интегрально-оптический переключатель света на два положения.

Модулятор состоит из двух близко расположенных световода на поверхности ниобата лития. Длина световодов и расстояние между ними подобраны так, без внешего поля свет из первого световода перекачивался в второй за счет туннельного эффекта. При подаче на электроды внешнего напряжения скорости распространения волн в световоде становятся различными и перекачка энергии прекращается и свет на выходе появляется. Такие модуляторы являются переключателями света на два положения. Для получения туннельной перекачки энергии расстояние между световодами должно составить около 5 мкм при длине световода в несколько мм.

Дефлекторы лазерного излучения –приборы отклоняющие световое излучение от прямолинейного распространения. Могут применяться как модуляторы излучения. Дефлекторы на основе электрооптического эффекта в двулучепреломляющих кристаллах быстродействующие, использующие дифракцию на акустических волнах долее эффективные.

Пространственно –временные модуляторы света (ПВМС) –матрицы светоклапанных устройства, позволяющие создавать и обрабатывать двумерные изображения. Управление пропусканием осуществляется электрическими транспарантами или магнитооптическими. Для слабых сигналов используют оптические управляемые транспаранты.

Акустооптические модуляторы света

Изменение показателя преломления вещества возможно при механической деформации упругой среды (фотоупругость). Разность фаз возникает под действием механических напря жжений, созданных специальным пьезовозбудителем.

Разность фаз ,

где p -упругооптический коэффициент, u -деформация среды.

Акустооптические модуляторы света на двулучепреломлении эффективны на низких частотах. На высоких ультразвуковых частотах эффективны модулятор света использующие дифракцию света на ультразвуке. Акустическая волна распространяющаяся в оптически прозрачной среде. Сопровождается появлением в этой среде бегущей периодической последовательности изменения показателя преломления. Образуется структура, аналогичная дифракционной решетке. Если период этой структуры меньше ширины светового пучка, то на ней происходит дифракция света. См рис. 9.

Рис.9 Схема дифракции света на звуковой волне.

а) --при большом l (пространственная решетка). б) -- при малом l (плоская решетка).

При большой области взаимодействия света и звука - l (рис 8а) дифракционная решетка является трехмерной,, характер дифракции подобен дифракции рентгеновских лучей на кристалличнской решетке. Угол падения света должен быть близок к углу Брэгга.

,

где -длина волны ультразвука.

При дифракции Брегга обычно наблюдается один боковой дифракционный максимум.

При малой области взаимодействия l решетка может считаться плоской. Дифракционная картина представляет собой набор дифракционных максимумов, расположенных симметрично относительно направления падающего света (дифракция Рамана-Ната). Она происходит при любом угле падения света на ультразвуковой столб. Частота света в m-дифракционном максимуме равна ,где -частота света -частота ультразвука. Таким образом, акустооптическое взаимодействие позволяет изменять частоту света. Фаза света в нулевом дифракционном максимуме зависит от амплитуды акустической волны.: происходит перераспределение интенсивности света между нулевым и боковыми максимумами.

Практическое применение нашли модуляторы интенсивности света с бегущей и стоячей акустической волной, и пространственные модуляторы света являющиеся основой акустооптический процессоров.

Принципиальная схема акустооптического модулятора света показана на рис 10.

Рис.10 Схема акустооптического модулятора света на бегущей волне. S(t)- модулирующий сигнал.

1-генератор электрических колебаний. 2-пьезопреобразователь. 3-звукопровод. 4-поглотитель.

5 -световой пучок. 6-линзы. 7-экран. 8-боковой дифракционный максимум.

Пространственные модуляторы света.(ПМС)

Оптический луч способен переносить значительно больший объем информации, если осуществить пространственную модуляцию сета различную в каждой точке поперечного сечения луча. Минимальные размеры площадки в поперечном сечении светового луча, способной переносить независимую информацию, ограничены вследствие дифракции света площадью . Информационная ёмкость пространственных модуляторов света пропорциональна площади поперечного сечения светового луча. На основе ПМС можно создать управляемые голографические транспаранты, устройства ввода и обработки информации и оперативной памяти оптических вычислительных машин.

Основным элементом ПМС является слой, обладающий продольным электрооптическим эффектом. На его поверхности записывается определенный потенциальный рельеф. Проходящий через этот слой, широкий пучок света оказывается промодулированным в каждой точке поперечного сечения, в соответствии с потенциальными рельефом, записанным на поверхности. При этом в зависимости от направления поляризации света его модуляция может быть амплитудной или фазовой.

Принципиальная схема ПМС с оптической записью информации приведена на рис 11. На оптически прозрачной подложке размещают электрооптический и фотопроводящий слои, разделенные диэлектрическим зеркалом. Снаружи располагаются прозрачные электроды, к которым приложено постоянное напряжение. В отсутствие света это напряжение приложено к к фотослою обладающему высоким темновым сопротивлением. Падающий слева свет уменьшает сопротивление фотопроводника, и напряжение в освещенной точке оказывается приложенным к электрооптическому слою.

Рис.10 Пространственный модулятор света с оптической записью информации. 1-электрооптический кристалл,2- фотопроводник. 3-диэлектрическое зеркало. 4-прозрачные электроды.

Таким образом, изображение, проецируемое слева на модулятор, создает пространственный рельеф на электрооптическом слое. Падающий справа свет используется для считывания информации.

В качестве электрооптического слоя применяют электрооптические или жидкие кристаллы. Жидкий кристалл обладает оптической анизотропией. Диэлектрическая проницаемость вдоль оси молекул и в направлении перпендикулярном оси различны. При наложении электрического поля молекулы стремятся повернуться так, чтобы иметь наибольшую диэлектрическую проницаемость вдоль поля. Упругие силы стремятся вернуть их в исходное положение. Показатель преломления ЖК в электрическом поле меняется. Полуволновое напряжение в ЖК составляет несколько вольт. Характерное время электрооптического переключения ЖК составляет .

Достоинствами ЖК ПМС являются низкое рабочее напряждение и удовлетворительное разрешение 60-100 линий / мм. малая толщина слоя жидкого кристалла 2-50 мкм.

Недостатки – высокая чувствительность к температуре, малое врем я хранения записанной информации и большое время записи.

Применение. ПМС используются для преобразования некогерентного изображения в когерентное, для сложения и вычитания изображений, выделения движущейся части изображения.