Приборы и техника эксперимента, 2021, № 4, стр. 51-53

1. ВВЕДЕНИЕ

Акустооптика (а.о.) в прикладном плане – это управление параметрами светового излучения. Принципиальными особенностями а.о.-приборов являются: возможность управления интенсивным лазерным излучением в десятки и сотни киловатт на квадратный сантиметр, высокое быстродействие (до десятков наносекунд), отсутствие механически перемещаемых элементов, малые вносимые световые потери (единицы процентов), небольшие габариты и вес. Исторически развитие а.о. связано с поиском приложений в таких областях, как спектральный анализ радиосигналов, обработка изображений, оптическая фильтрация [1, 2]. Существенно, что уровень современной электроники и оптоэлектроники позволяет более успешно решать эти задачи.

В настоящее время основное и во многом безальтернативное применение а.о.-устройств связано с лазерными системами. Это модуляция добротности лазерного резонатора, селекция импульсов фемтосекундных лазеров, переключение каналов в системах волоконно-оптической связи, сканирование луча в системах лазерного нанесения изображений, сдвигатели частоты света в измерительных системах и др.

Основным материалом, используемым в современных а.о.-приборах, является монокристалл парателлурита (TeO₂). Кристалл обладает феноменально большой величиной а.о.-качества, М₂ = 1000 ⋅ 10^–18 с³/г (при дифракции света на медленной сдвиговой акустической моде), широким диапазоном прозрачности, от 0.35 до 5 мкм, высокой лучевой стойкостью, развитой технологией производства однородных кристаллов со стороной более 20 мм. Теория а.о. на кристалле TeO₂ и ряд важных практических реализаций на его основе изучены и описаны весьма полно [3–6].

На основе гетероструктур создаются мощные полупроводниковые лазеры, определенный тип которых отличает малая расходимость и линейная поляризация излучения. Благодаря таким характеристикам обеспечивается эффективное управление лазерами со стороны а.о.-устройств. Примером может служить новый промышленный лазер с параметрами:

– выходная мощность 10 Вт;

– длина волны 532 нм;

– линейная поляризация (50:1);

– диаметр луча 1.2 мм.

В данной работе предложены методика и устройство для суммирования мощностей двух однотипных полупроводниковых лазеров с одновременной модуляцией (управление мощностью) итогового излучения. Такое устройство позволит расширить функциональные возможности систем, например, аппаратуры для лазерной обработки материалов и нанесения изображений.

2. ФИЗИЧЕСКИЙ ПРИНЦИП

Нижеследующее описание методики и экспериментов приводится для анизотропной (со сменой состояния поляризации) а.о.-дифракции в кристалле ТеО₂ на медленной сдвиговой акустической моде.

На рис. 1 показана векторная диаграмма рассматриваемой дифракции. Здесь [001] и [110] – оси TeO₂, а n_o и n_е – оптические индикатрисы кристалла. На кристалл падает излучение T_in, которое может быть либо неполяризованным, либо поляризованным с вектором поляризации E, направленным под углом 45° к осям кристалла. В кристалле такой луч может быть представлен как состоящий из собственных мод (компонент) k_o и k_e ортогональных поляризаций одного направления. Вектор ультразвука q_s на частоте f_s направлен вдоль оси [110]. Условия дифракции таковы, что на данной звуковой волне одновременно выполняется брэгговский синхронизм для двух ортогонально поляризованных компонент падающего света с образованием дифракционных +1 и –1 порядков с векторами k_od и k_ed, которые также ортогонально поляризованы [7, 8]. На выходе а.о.-кристалла образуются два луча Т₁ и Т₂, угол между которыми определяется выражением (в пределах малых углов) ∆θ = 2λf/v, где f – частота звука, λ – длина волны света и v – скорость звука.

Рис. 1.

Векторная диаграмма анизотропного а.о.-взаимодействия на одной акустической волне. Масштабы углов являются лишь иллюстрацией.

Предлагаемый метод сложения двух световых лучей в один основан на фундаментальном принципе взаимности а.о.-взаимодействия: при изменении хода лучей на обратный выходные лучи (два) становятся входными, а входной (один) выходным. В нашем случае (см. рис. 1) Т₁ и Т₂ будут входными лучами, а Т_in – выходным. Существенно, что все параметры а.о.-взаимодействия (частоты, углы) полностью эквивалентны первой задаче деления лучей. Схема сложения излучений двух лазеров представлена на рис. 2.

Рис. 2.

Схема сложения излучений двух лазеров, вектора поляризаций лазеров ортогональны. Л₁ и Л₂ – лазеры; АОМ – а.о.-модулятор; I₁ и I₂ – световые пятна от излучения лазеров без включения ультразвука; ID – единое пятно (объединенный луч) при включении ультразвука; E – направление вектора поляризации.

3. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СУММАТОРА-МОДУЛЯТОРА

Частоту ультразвука f_s, обеспечивающую брэгговский синхронизм одновременно для двух лучей и их сложение, определяем по известному соотношению для показателей преломления одноосного гиротропного кристалла, каковым и является ТеО₂ [7–9] (рис. 3).

Рис. 3.

Зависимость частоты ультразвука  f_s как функция длины волны света λ. Точки на зависимости – длины волн некоторых лазеров.

Угол между входными лазерными лучами для длины волны света 1060 нм будет равен ∆θ = = 17.8 мрад, а для длины волны 440 нм – ∆θ = = 97 мрад.

Эксперименты по суммированию излучений лазеров проводились на а.о.-модуляторе, внешний вид которого представлен на рис. 4.

Рис. 4.

Внешний вид изготовленного сумматора-модулятора. Плата электрического согласования не установлена.

В модуляторе использовалась технология акустического согласования кристалла ТеО₂ с преобразователем из LiNbO₃ [10, 11], что обеспечило акустическую полосу частот от 10 до 30 МГц. Ширина преобразователя составляла 3 мм, высота – 4 мм. Конструкция обеспечивала отвод тепла от преобразователя без акустического демпфирования и, как следствие, непрерывный режим работы [12, 13].

Для измерений были использованы лазеры трех типов: твердотельный с длиной волны 1060 нм, газовый с длиной волны 633 нм и полупроводниковый с длиной волны 532 нм. Подводимая мощность радиосигнала к а.о.-модулятору составила 0.8 Вт для лазера с длиной волны 1060 нм и 0.2 Вт – для лазера с длиной волны 532 нм. Во всех случаях суммарная эффективность дифракции была не менее 95%, а частоты ультразвуковой волны соответствовали расчетным значениям, приведенным на рис. 3, с точностью не хуже 2%. Для мощных полупроводниковых 10-ваттных лазеров суммарная мощность составила 19.2 Вт.

Быстродействие модуляции (время нарастания фронта светового импульса τ) определяется апертурой света, падающего на модулятор, по следующей зависимости: τ = $d{\text{/}}{v}$, где d – апертура света на модуляторе, $v$ – скорость звука в ТеО₂. Для примера, при апертуре 0.5 мм время нарастания составит 0.8 мкс. Очевидно, что может быть реализовано управление итоговой суммарной мощностью.

4. ВЫВОДЫ

Разработан и реализован метод сложения и модуляции мощностей двух однотипных лазеров. Метод основан на одновременной а.о.-дифракции двух лазерных лучей в одном а.о.-кристалле на одной акустической волне. Выполнен расчет и приведены экспериментальные данные для монокристалла парателлурита. Получены значения частоты звука, обеспечивающие выполнения брэгговских условий (объединение двух лучей в один), для различных волн света в кристалле ТеО₂. Установлено, что для диапазона длин волн 400–1000 нм частотный диапазон акустических волн составляет 30–5 МГц. Проведены измерения эффективности дифракции и потребляемой а.о.-модулятором мощности для лазеров различных типов. На примере сложения мощности полупроводниковых лазеров (10 Вт каждый) показана практическая значимость метода.