Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Модуляция излучения может производиться по любому из его параметров— амплитуде, частоте, фазе и виду поляризации. Соответственно различают амплитудные, частотные, фазовые и поляризационные модуляторы. Применительно к лазерам мо­дуляторы могут быть внешними или внутренними — в зависи­мости от того, модулируется пучок излучения после выхода из резонатора лазера или внутри резонатора. Кроме того, класси­фицировать модуляторы можно по тем физическим эффектам, которые лежат в основе их работы. Эффектов, принципиально пригодных для широкополосной модуляции оптического излу­чения, известно сейчас много, однако лишь некоторые из них достаточно широко используются на практике. К последним от­носятся линейный электрооптический эффект Поккельса, квад­ратичный электрооптический эффект Керра, магнитооптический эффект Фарадея и дифракция излучения на акустических вол­нах в прозрачной среде (акустооптический эффект). Все эти эффекты сводятся к изменению показателя преломления среды под влиянием тех или иных управляющих воздействий.

Электрооптические модуляторы

Модулятор Керра. Электрооптический эффект Керра, изве­стный и применяемый для модуляции света уже давно, состоит в том, что при помещении некоторых прозрачных сред в элек­трическое поле показатель преломления волны с плоскостью поляризации, параллельной силовым линиям этого поля, изме­няется по закону

Tte = tiQ — f — A/i = По — f — (3.5)

где По — показатель преломления среды для волны с плоско­стью поляризации, ортогональной силовым линиям приложен­ного электрического поля; К — длина волны излучения; Е — напряженность электрического поля и ‘В — зависящий от свойств данной среды коэффициент, называемый постоянной Керра.

Если проходящая через среду волна поляризована в плос­кости, параллельной силовым линиям электрического поля, то при изменении напряженности поля скорость распространения волны будет изменяться, и вышедшая из среды волна получит дополнительный сдвиг фазы, величина которого пропорцио­нальна квадрату напряженности поля (поэтому данный эф­фект называется квадратичным). Очевидно, что такое устрой­ство может быть использовано как фазовый модулятор. Од­нако на практике чаще применяется поляризационная, или амплитудная, модуляция, для чего плоскость поляризации па­дающей волны ориентируется под углом я/4 относительно на­правления силовых линий электрического поля. Падающую све­товую волну при этом можно разложить на две одинаковые по амплитуде составляющие, которые поляризованы параллельно и перпендикулярно к электрическому полю; в среде с наложен­ным полем эти составляющие распространяются с разной ско­ростью, поскольку значения показателя преломления для них различаются на величину Дп, определяемую формулой (3.5); такая среда называется двулучепреломляющей, или анизотроп­ной. На выходе из среды между обеими волнами возникает разность фаз

Ф = іьп=2 пВ1Е (3.6)

А»

где I — длина пути лучей в анизотропной среде.

Возникновение разности фаз между ортогонально поляризо­ванными волнами означает, согласно вышесказанному, что их суммирование в общем случае дает волну с эллиптической по­ляризацией. При Дф=я/2 эта поляризация станет круговой, а при ф=я — линейной, но ориентированной ортогонально па­дающей волне. Получается, таким образом, поляризационный модулятор — устройство, позволяющее изменять поляризацию

излучения посредством изменения напряженности электриче­ского ПОЛЯ.

Схема такого поляризационного модулятора, работающего на основе эффекта Керра, показана на рис. 33. Используемая в модуляторе среда должна обладать как можно большей по­стоянной Керра, чтобы необходимая напряженность управляю­щего поля была минимальной. Хотя эффект Керра наблюда­ется во многих веществах — газообразных, жидких и твердых (в том числе в стеклах) — значительной постоянной Керра об­ладают очень немногие из них. На практике для модуляции света чаще всего применяют нитробензол CeHeNCb — жид­кость, прозрачную в видимой части спектра и обладающую по­стоянной Керра В = 2,5*10-12 см/В2 для желтого света с дли­ной волны Л=589 нм. Электрическое поле создается при по­мощи пары электродов (так называемый конденсатор Керра), помещаемых обычно внутри кюветы, заполненной жидкой сре­дой (нитробензолом), как это изображено на рис. 33.

Напряжение на модуляторе, обеспечивающее сдвиг фаз между ортогонально поляризованными составляющими на л, что соответствует разности оптических путей для этих волн, равной половине длины волны излучения (Я/2), называют полу­волновым напряжением Для поляризационного моду­

лятора при таком напряжении плоскость поляризации волны на выходе оказывается ортогональной к плоскости поляриза­ции входной волны. Если на пути излучения после поляриза­ционного модулятора установить поляризационное устрой­ство— поляризационную призму или пленочный поляризатор (поляроид) — пропускающее только излучение с определенным образом ориентированной линейной поляризацией, то измене­ние поляризации превратится в изменение интенсивности излу­чения, и получится амплитудная модуляция. Поляризационное устройство на выходе модулятора называют в этом случае ана­лизатором и устанавливают обычно в положение, соответствую­щее наибольшему пропусканию для волны, поляризованной

ортогонально к поляризации волны на входе модулятора (скре­щенное положение), как показано на рис. 34; тогда при нуле­вом напряжении на пластинах конденсатора излучение через модулятор не проходит. С ростом напряжения пропускание мо­дулятора увеличивается и достигает максимума при полувол­новом напряжении. Зависимость пропускания такого модуля­тора (отношение мощности прошедшего через модулятор излу­чения Р к мощности излучения на его входе Ро) от величины приложенного напряжения имеет вид

где k — коэффициент, учитывающий оптические потери в эле­ментах модулятора.

Выраженная формулой (3.7) зависимость называется моду­ляционной характеристикой амплитудного модулятора на ос­нове эффекта Керра. Она изображена графически на рис. 35. Для модуляции обычно используется напряжение вида U=U0+ + t/msimot, т. е. сумма постоянного напряжения Uo и перемен­ного синусоидального напряжения с амплитудой Um и круговой частотой со=2л/ (/ — частота модуляции в герцах). Из рис. 35 видно, что выбор постоянного напряжения U0 (его часто назы­вают напряжением смещения) влияет на форму и амплитуду огибаюпїей модулированного излучения. Если необходима мо­дуляция с наименьшим искажением формы, то значения U0 должны соответствовать серединам участков наибольшей кру­тизны модуляционной характеристики, а амплитуда модулирую­щего напряжения ‘t/TO не должна выходить за определенные пре­делы. Ясно также, что повышение ‘Uo позволяет уменьшить Um при заданной глубине модуляции излучения.

Инерционность эффекта Керра очень мала, и его принципи­ально можно использовать для модуляции оптического излуче­ния с частотами до f=1012 Гц; однако по техническим причинам такие модуляторы обычно рассчитываются на частоты, не пре­вышающие нескольких десятков мегагерц. Одной из таких причин является ухудшение диэлектрических свойств нитробен-

зола на высоких частотах, приводящее к росту тепловыделения в нем. Этот недостаток не так существен при модуляции излу­чения короткими импульсами с низкой частотой повторения, когда средняя мощность модулирующего сигнала невелика (на­пример, при импульсном включении добротности резонатора ла­зера) ; не так важна в подобных случаях и нелинейность моду­ляционной характеристики.

Другим существенным практическим ограничением является большая амплитуда напряжения, необходимая для глубокой мо­дуляции излучения. Так как напряжение V на пластинах кон­денсатора Керра связано с напряженностью поля Е в нем соот­ношением E=U)d, где d — расстояние между пластинами, то формулу (3.6) можно записать в виде

ф = 2я ВШт (3.8)

откуда следует, что полуволновое напряжение модулятора, т. е. напряжение при ф=я, равно

При длине электродов конденсатора Керра /=1 см, расстоянии между ними d= 1 мм и величине постоянной Керра В=2,5Х Х10"12 см/В2 полуволновое напряжение для желтого света со­ставляет 4,5 кВ. Поэтому приходится делать достаточно высоко­вольтные источники модулирующего напряжения, потребляю­щие значительную электрическую мощность, особенно при вы­соких частотах модуляции.

Модулятор Поккельса. Другое электрооптическое явление — эффект Поккельса — во многом сходно с явлением Керра. Ос­новное принципиальное различие между этими эффектами состоит в том, что приращение показателя преломления для волны с определенной ориентацией плоскости поляризации в случае эффекта Поккельса зависит от напряженности прило­женного электрического поля линейно, а не квадратично, как при эффекте Керра. Эффект Поккельса наблюдается во многих кристаллах; теория его связана с кристаллооптикой и в целом до­вольно сложна. Оптические свойства кристаллов — прежде всего показатель преломления — зависят от направления распростра­няющегося в кристалле излучения по отношению к его кристал­лографическим осям (направлениям, связанным со структурой кристаллической решетки). Большинству кристаллов присуща естественная анизотропия — различие показателей преломления для волн с взаимно ортогональными плоскостями поляризации, когда эти плоскости параллельны определенным кристаллогра­фическим осям. Это явление приходится учитывать при проек­тировании модуляторов. Силовые линии приложенного электри­ческого поля также должны быть параллельны одной из кристаллографических осей. Таким образом, на ориентацию кристалла относительно направления излучения, его плоскости поляризации и вектора напряженности управляющего поля на­лагаются жесткие ограничения.

Если требуемые условия ориентации выполнены, то модуля­тор на эффекте Поккельса может быть построен по схеме, сход­ной с рассмотренными выше схемами модуляторов на эффекте Керра (см. рис. 33, 34). Электроды, между которыми создается управляющее поле, обычно наносятся на противоположные по­верхности кристаллического бруска прямоугольного сечения, а оптическое излучение проходит через торцевые поверхности этого бруска (рис. 36). Когда плоскость поляризации парал­лельна силовым линиям управляющего поля, устройство рабо­тает как фазовый модулятор, причем сдвиг фазы прямо пропор­ционален приложенному к электродам напряжению. Поворот плоскости поляризации относительно силовых линий управляю­щего поля превращает фазовый модулятор в поляризационный, а установка анализатора на выходе позволяет получить ампли­тудную модуляцию излучения. Вид модуляционной характери­стики для амплитудного модулятора на эффекте Поккельса по­казан на рис. 37. Из рис. 37 видно, что в данном случае выбор постоянного смещения в области U0~>U%j2 не позволяет умень­шить амплитуду модулирующего напряжения при заданной глу­бине модуляции, как это имеет место для модулятора на эф­фекте Керра.

Трудности, связанные с ориентацией кристалла, окупаются рядом достоинств модуляторов на эффекте Поккельса. Главное из них — возможность существенного снижения модулирующего напряжения по сравнению с модуляторами на эффекте Керра. Величина полуволнового напряжения и%,ц при линейном элек­трооптическом эффекте в общем случае определяется для схемы с поперечной геометрией поля (см. рис. 36) соотношением

(3.10)

где d, I и А, имеют тот же смысл, что и в формулах (3.5)—(3.8); п0 — показатель преломления кристалла при отсутствии внеш­него электрического поля; г — электрооптическая постоянная, зависящая от вида кристалла и его ориентации. Электрооптиче­ские постоянные многих из применяемых для модуляции света кристаллов довольно велики, а отношение d/l может быть сде­лано достаточно малым; поэтому значения 2 в современных модуляторах на эффекте Поккельса, как правило, сравнительно невысоки (сотни вольт). Диэлектрические свойства кристаллов на высоких частотах также лучше, чем у нитробензола, а инер­ционность эффекта Поккельса очень мала, и кристаллические модуляторы успешно используются при частотах модулирую­щего напряжения до 108—109 Гц.

В настоящее время модуляторы на основе эффекта Пок­кельса стали самыми распространенными из широкополосных модуляторов оптического излучения. Совершенствование их про­должается (в частности, поиск наилучших типов кристаллов). В дальномерах с газовыми лазерами чаще всего применяются кристаллы дигидрофосфата калия КН2РО4 (сокращенное обо­значение KDP), дигидрофосфата аммония NH4H2PO4 (сокра­щенное обозначение ADP) и ниобата лития LiNbOs, хорошо ра­ботающего в видимой и ближней ИК части спектра. Для им­пульсного включения добротности в мощных твердотельных лазерах обычно используются кристаллы KDP.

Комментарии запрещены.