Использование затворов Покельса и Керра для создания режима модулированной добротности в лазерном резонаторе

Реферат

«Использование затворов Покельса и Керра для создания режима модулированной добротности в лазерном резонаторе«

Введение

Все физические воздействия, способные ориентировать структурные элементы первоначально изотропного вещества, могут вызывать возникновение искусственной оптической анизотропии. Остановимся кратко на основных способах формирования искусственной оптической анизотропии.

1. Электрооптические эффекты

магнитооптический модулятор свет резонатор Электрооптический эффект — это появление оптической анизотропии первоначально изотропного вещества при помещении его в электрическое поле. Наблюдаются электрооптические эффекты двух типов: линейный и квадратичный.

Эффект Поккельса

— линейный электрооптический эффект, который удаётся наблюдать только в пьезоэлектрических кристаллах. Пьезоэлектриками называются вещества, сжатие или растяжение которых по определённым направлениям сопровождается появлением электрической поляризации (т.н. «прямой пьезоэффект») и наоборот, приложение электрического поля вызывает растяжение или сжатие кристалла по направлению поля («обратный пьезоэффект»).

То есть эффектом Поккельса называется изменение показателя преломления света в кристалле под действием электрического поля, причём это изменение пропорционально напряжённости электрического поля. Как следствие эффекта Поккельса в кристалле появляется двойное лучепреломление или меняется его величина, если кристалл был двулучепреломляющим в отсутствие поля. [1]

Изменение показателя преломления кристаллов под действием внешнего электрического поля происходит исключительно за счёт анизотропных свойств кристаллов. Под действием постоянного электрического поля электроны смещаются в сторону того или иного иона (в случае кристалла ниобата — типичного пьезоэлектрика — лития LiNbOg — это ион Li или Nb), при этом меняется поляризуемость среды и связанный с ней показатель преломления. В первом приближении это изменение линейно относительно внешнего электрического поля.

Эффект Поккельса может наблюдаться только в кристаллах, не обладающих центром симметрии. Вследствие линейности эффекта относительно внешнего поля E_эл при изменении направления поля на противоположное должен меняться на противоположный и знак изменения показателя преломления An. Но в кристаллах с центром симметрии это невозможно, так как оба взаимно противоположных направления внешнего поля физически эквивалентны. Кристалл можно поместить между двумя скрещенными поляроидами таким образом, что в отсутствие внешнего электрического поля пропускание света системой будет равно нулю. При подаче на кристалл внешнего поля появится наведённое двулучепреломление, которое изменит поляризацию прошедшего через кристалл света, и такая система начнёт пропускать свет. На этом принципе основаны многочисленные применения эффекта Поккельса в лазерной технике для оптических модуляторов, затворов и других устройств, управляющих лазерным излучением. Поскольку эффект Поккельса связан с изменением электронной поляризуемости под действием электрического поля, то он практически безынерционен — быстродействие устройств на его основе меньше 10-⁹ с.

Если перед кристаллом, помещённым между скрещенными поляроидами, расположить линзу или матовую пластинку, после которых лучи будут рассеиваться под различными углами, то на экране, расположенном за поляроидом, мы увидим тёмные концентрические окружности (коноскопическую картину) — результат интерференции обыкновенной и необыкновенной волн, точнее, проекцию их электрических полей на разрешённое направление выходного поляроида. В нашем эксперименте используется лазер, излучение которого поляризовано, поэтому входной поляроид можно не ставить.

Разность фаз между обыкновенной и необыкновенной волнами, приобретаемая при прохождении через кристалл длиной l, равна Поскольку связь между деформацией кристалла и напряжённостью электрического поля для пьезоэлектриков линейна, по аналогии с упругооптическим эффектом имеем:

n_е — n_о = K₂Е,

где

E — величина напряжённости электрического поля,

K₂ — постоянная Поккельса.

Для типичного пьезоэлектрика — ниобата лития LiNbO₃ — величина постоянной Поккельса K₂ = 3,7Е10^-10 м/В. [1]

Эффект Керра — квадратичный электрооптический эффект

Возникновение двойного лучепреломления в жидкостях и аморфных прозрачных телах под воздействием электрического поля было открыто Керром в 1875 г. (эффект Керра) и нашло широкое применение в практической деятельности.

Схема установки Керра показана ниже

Между двумя скрещенными поляризаторами П₁ и П_2, плоскость пропускания каждого из которых составляет угол с вертикалью, помещена ячейка Керра — исследуемая жидкость в кювете между горизонтальными обкладками конденсатора, на которые подается электрическое напряжение.

Эффект Керра наблюдается в жидкостях, стёклах, а также кристаллических веществах (не в пьезоэлектриках!).

В результате приложения к этим веществам электрического поля появляется оптическая анизотропия (оптическая ось направлена вдоль поля), причём различие между показателями преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, квадратично зависит от величины поля:

магнитооптический модулятор свет резонатор Величина постоянной Керра для нитробензола, например, равна K₃ = 10^-18 м²/В². Отметим, что K > 0 для большинства веществ, т. е. n_e > n_o, что соответствует положительному кристаллу. Правда, встречаются и вещества (гораздо реже), у которых K < 0, например: этиловый эфир, спирт. [4]

В электрическом поле Е = 10⁶ В/м разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами достигает р («пластинка л/2»), если толщина слоя нитробензола h = 20 см.

Физическая причина эффекта Керра состоит в ориентации структурных элементов вещества (например, молекул нитробензола) в электрическом поле, либо в искажении электронных оболочек молекул или атомов в электрическом поле. В первом случае эффект Керра называется ориентационным, он может наблюдаться только в веществах, состоящих из дипольных молекул. Эффект Керра второго типа («поляризационный») характерен для веществ, молекулы или атомы которых первоначально не обладают дипольными моментами, но достаточно сильно поляризуются в электрическом поле.

Благодаря квадратичности эффекта Керра, переменное электрическое поле достаточно мощного лазерного излучения будет вызывать в этом веществе появление оптической анизотропии. Её легко обнаружить, пропуская луч света через вещество, находящееся под воздействием мощного лазерного облучения. Такой эффект Керра называют «оптическим».

Оптический эффект Керра — типичный пример нарушения принципа суперпозиции электрических полей. В этом случае волна лазерного излучения изменяет свойства среды и таким образом влияет на распространение в этой среде другой световой волны. [1]

2. Магнитооптический эффект (эффект Коттона-Мутона)

Двойное лучепреломление света в изотропном веществе, помещенном в поперечное магнитное поле (перпендикулярное световому лучу). Впервые обнаружено в коллоидных растворах Дж. Керром и (независимо от него) итальянским физиком К. Майораной в 1901. Подробно исследовано Эме Коттоном и А. Мутоном в 1907.

Для наблюдения эффекта через образец прозрачного изотропного вещества, помещенный между полюсами сильного электромагнита, пропускают монохроматический свет, линейно поляризованный в плоскости, составляющей с направлением магнитного поля угол в 45°. В магнитном поле вещество становится оптически анизотропным (его оптическая ось параллельна магнитному полю Н), а проходящий свет превращается в эллиптически поляризованный, т.к. он распространяется в веществе в виде 2 волн — обыкновенной и необыкновенной, имеющих разные фазовые скорости.

Разность показателей преломления обыкновенного n0 и необыкновенного ne лучей, называемая величиной двойного лучепреломления, равна:

ne — no = CH2л где Н — напряжённость магнитного поля, С — зависящая от вещества константа, называемая постоянной Коттона-Мутона, л — длина волны света. [6], [7]

Величина С обратно пропорциональна абсолютной температуре Т и, как правило, очень мала. Аномально большие значения С обнаружены в жидких кристаллах и в коллоидных растворах (от 10−8 до 10−10). В газах, вследствие малости эффекта, величина ne — no надёжно ещё не измерена.

Эффект Коттона-Мутона — это «магнитный аналог» эффекта Керра. Объяснение этого эффекта аналогично изложенному выше объяснению эффекта Керра. Величина возникающей в магнитном поле оптической анизотропии вещества квадратично зависит от индукции магнитного поля:

n_е — n_о = K₄В².

Постоянная Коттона-Мутона K₄ обычно очень мала (для жидкостей K₄ = 10^-10-10^-9 Тл^-2). Наибольшие величины K₄ = 10^-7-10^-6 Тл^-2 зарегистрированы для некоторых коллоидных растворов и жидких кристаллов, однако, даже для этих веществ в достаточно сильных магнитных полях 1 Тл на пути h = 1 см достигается разность фаз между обыкновенными и необыкновенными волнами всего в несколько градусов. Поэтому практических применений эффект Коттона-Мутона пока не нашел. Тем не менее, его можно использовать в чисто научных целях для изучения магнитных свойств и структуры молекул, а также их комплексов. [1]

3. Оптические затворы

Оптический затвор — устройство, обеспечивающее пропускание и (или) перекрытие светового потока в течение определённого, заранее заданного времени (выдержки).

По назначению оптические затворы подразделяют на:

— предохранительные, закрывающие оптический тракт и препятствующие засветке светочувствительных элементов оптической системы (прибора);

— высокоскоростные оптические затворы, обеспечивающие прохождение светового потока через оптическую систему в течение очень малого, заранее заданного времени;

— высокоскоростные оптические системы периодические действия, предназначенные для открывания и закрывания оптического тракта с большой частотой.

По принципу действия оптические затворы разделяют на

— механические (электромеханические),

— взрывного типа,

— оптические затворы, использующие полное внутреннее отражение,

— электрооптические на основе эффекта Керра и Поккельса,

— магнитооптические на основе эффекта Фарадея.

Минимальное время, в течение которого оптический затвор механического типа обеспечивает прохождение светового потока или полностью перекрывает его, ограничено инерцией подвижных частей затвора и составляет не менее 10^-4 с.

Оптические затворы взрывного типа позволяет открывать (закрывать) оптический тракт за время 10^-5−10^-6 с.

Наибольшее быстродействие (10^-9−10^-10 с) может быть получено при использовании в качестве оптического затвора Керра ячеек или кристаллов, обладающих эффектом Поккельса.

Оптические затворы — составная часть многих оптических приборов, фотоаппаратов, скоростных кинокамер.

Оптические затворы периодического действия используются в модуляторах света. [8]

4. Модуляторы света

Модуляция света — модуляция колебаний электромагнитного излучения оптического диапазона (видимого света, ультрафиолетового и инфракрасного излучений). При модуляции света изменяются амплитуда (и следовательно, интенсивность), фаза, частота или поляризация световых колебаний. В любом из этих случаев в конечном счёте меняется совокупность частот, характеризующая излучение, — его гармонический состав. Модуляция света позволяет «нагружать» световой поток информацией, которая переносится светом и может быть затем извлечена и использована. В принципе количество информации, которое можно передать, модулируя колебания какого-либо вида, тем более велико, чем выше частота этих колебаний (в частности, потому, что с возрастанием частоты модулируемых колебаний — т. н. несущей частоты — появляется возможность увеличить ширину полосы частот модулирующих сигналов; частоты модулирующих колебаний должны быть меньше несущей).

Во многих технических применениях частота модулирующего сигнала настолько мала по сравнению с частотой используемого оптического излучения, что изменение его гармонического состава пренебрежимо мало, и под модуляцией света понимают периодическое или непериодическое изменение лишь интенсивности излучения. Простейшим, известным с древности примером такой модуляции света является световая сигнализация с прерыванием светового потока.

В современной технике при подобной модуляции света часто важна форма оптических сигналов, которую выбирают наиболее удобной для выполнения конкретной задачи. Это могут быть кратковремеменные импульсы света, сигналы, близкие к прямоугольным, гармоническим и т. д.

Простейшими модуляторами света являются механические устройства, позволяющие прерывать на некоторые заданные интервалы времени световой поток. К ним относятся вращающиеся диски с отверстиями (обтюраторы), растры, колеблющиеся или вращающиеся заслонки, зеркала, призмы, а также устройства, в которых происходит управляемое модулирующим (не оптическим) сигналом нарушение оптического контакта.

Другой класс приборов, используемых для внешней модуляции света, составляют модуляторы, действие которых основано на управлении поглощением света в полупроводниках. Это поглощение зависит от концентрации и подвижности свободных носителей заряда в полупроводнике (свободных электронов и дырок) и может управляться изменением в нём напряжения или тока. Для создания модуляторов света перспективны также прозрачные ферриты и антиферромагнетики, изучение свойств которых началось в 60-е гг. 20 в.

Механические модуляторы обеспечивают максимальную прозрачность и глубину модуляции, но работают при частотах модулирующего сигнала не свыше 10⁷ гц и не допускают быстрой перестройки частоты (узкополосны).

Полупроводниковые модуляторы в принципе могут осуществлять модуляцию света при частотах до 10¹⁰−10¹¹ гц с шириной полосы, ограничиваемой только параметрами радиотехнической схемы, однако глубина модуляции света в таких модуляторах и их общая эффективность невелики вследствие большого поглощения света в полупроводниках и малой электрической прочности полупроводниковых материалов.

Наиболее часто для модуляции света используют эффекты, приводящие к изменению преломления показателя оптической среды под действием внешнего поля (модулирующего сигнала),

— электрооптические (Керра эффект и Поккельса эффект),

— акустооптический.

В модуляторах, работающих на этих эффектах, происходит фазовая модуляция света (с последующим преобразованием её в амплитудную модуляцию); поэтому их называют также фазовыми ячейками. Частоты модулирующих сигналов в большинстве оптических сред, заполняющих фазовые ячейки, могут достигать до 10¹¹ гц и более. [9]

5. Режим модулированной добротности в лазерном резонаторе

Любой лазер в принципе состоит из трёх основных элементов — активной среды, накачки, сообщающей ей способность усиливать световые колебания, и оптического резонатора, образованного двумя параллельными зеркалами, между которыми помещена активная среда. Зеркала резонатора возвращают излучёние обратно в активную среду, превращая оптический усилитель в генератор когерентного света — лазер. Одно из зеркал делают частично прозрачным для выхода излучёния.

В качестве активной среды твердотельных лазеров наиболее распространены рубин, стекло с примесью редкоземельного металла неодима и иттрий-алюминиевый гранат (также с примесью неодима). Из них наибольшей шириной линии усиления (то есть спектральным диапазоном, в котором может усиливать среда) обладает неодимовое стекло.

Добротность колебательной системы показывает, насколько велики потери энергии в ней. Чем выше сопротивление воздуха, тем быстрее затухают колебания маятника, тем меньше его добротность.

Резонатор, как и любая колебательная система, имеет характеристику, называемую добротностью Q. Она показывает, насколько велики потери P в системе, получившей энергию W: Q ~ W/P

Добротность оптических резонаторов очень велика — до 10⁷. Это означает, что при каждом отражении от зеркал светового импульса, возникшего в резонаторе, теряется одна десятимиллионная часть его энергии (для сравнения — добротность колебательного радиоконтура не превышает 10І). [10]

Разрез резонатора Фабри — Перо с зеркалами бесконечной протяженности[11]

Но если во время поступления энергии в среду — работа системы накачки — одно зеркало перекрыть затвором, добротность резонатора упадет до нуля, и энергия станет накапливаться в активной среде. Когда её количество приближается к максимально возможной величине, затвор очень быстро открывается, и вся запасенная энергия высвобождается в виде короткого и мощного импульса излучёния. Такие импульсы получили название «гигантских», а способ их получения — режим модуляции добротности. [10]

6. Использование оптических затворов на эффекте Покельса и Керра для создания режима модулированной добротности в лазерных резонаторах

Активная модуляция добротности, то есть управляемая, генерация гигантского импульса осуществляется с помощью электрооптических модуляторов. Для этих целей применяют как ячейки Керра, так и ячейки Поккельса. Чаще все же последние, так как они требуют значительно более низких управляющих напряжений. [3]

Между поляроидами П₁ и П₂, главные плоскости которых взаимно перпендикулярны, помещается ячейка Поккельса или Керра. Направление электрического поля в ячейке составляет угол р/4 с главными плоскостями П₁ и П₂ (рис, б). Величина напряжённости электрического поля подбирается такой, чтобы на длине ячейки набиралась оптическая разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами, равная л/2. Тогда при приложении к ячейке электрического поля плоскость колебаний падающего на неё луча света повернётся на р/2 и вышедший из ячейки луч пройдет через поляроид П₂. В отсутствии электрического поля затвор «закрыт» — свет через него не проходит. [1]

При закрытом затворе генерация невозможна, и энергия накапливается в резонаторе в виде нарастающего количества возбуждённых атомов. Если затем быстро открыть затвор, то вся запасённая энергия возбуждения, или большая её часть высвечивается в виде короткого светового импульса. Длительность такого лазерного импульса определяется или скоростью открывания затвора или, если эта скорость достаточно велика, временем установления электромагнитного поля в резонаторе. [12]

Режим модулированной добротности осуществляется следующим образом: по достижении максимальной инверсии добротность резонатора быстро увеличивается, потери уменьшаются и начинает развиваться генерация, проходя сперва линейный этап развития из спонтанного излучения, а затем быстрый нелинейный этап, за время которого запасенная в рабочем веществе энергия выплескивается в виде короткого (на практике до 3−10 нс) и мощного импульса.

Типичные значения достигаемых мощностей соответствуют 10⁷ — 10⁸ Вт, рекордные — 10¹³−10¹⁵ Вт. Например, для рубинового лазера, дающего в режиме свободных колебаний Р = 10³ Вт, в режиме модулированной добротности P = 10⁸ Вт, то есть возрастает на 5 порядков. [3]

Максимальная частота модуляции сигнала при помощи ячейки Поккельса порядка 10¹³ Гц, что позволяет реализовать огромную плотность передачи информации. [12]

1. http://vega.phys.msu.su/wavebook/26_pol7.pdf

2. http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/2303/ФОТОУПРУГОСТЬ

3. http://www.nature.web.ru/db/msg.html? mid=1 157 037&uri=page2.html

4. http://physics.mipt.ru/S_IV/Opt_man/407.pdf

5. http://www.misis.ru/Portals/0/TOMMY/Part % 203/Lekcia % 2009. doc

6. http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/99 188 / Коттона

7. http://www.physics.spbstu.ru/forstudents/lectures/ivanov/opt3−8.pdf

8. Физический энциклопедический словарь ОПТИЧЕСКИЙ ЗАТВОР Москва, Просвещение, 1998 г.

9. http://www.diclib.com/cgibin/d1.cgi? l=ru&base=bse&page=showid&id=447

10. http://wsyachina.narod.ru/physics/light_moment.html

11.http://www.bankreferatov.ru/db/Confirmation? Open&Type=ProtectedDownload&UNID=68B7E9897CE8D357C3256C8C0058FD20&Name=16% 5C391gif&Key=861 158&NL=1

12. http://lasertypes.net/modes2.html