Во многих случаях возникает необходимость управления интенсивностью или амплитудой излучения. В оптических приборах с этой целью применяются механические вращающиеся или колеблющиеся заслонки — прерыватели или модуляторы (зеркальные многоугольники), лучшие из которых работают в области килогерцовых частот. Наиболее доступны механические прерыватели, применяемые в фотокамерах, даже если они далеки от абсолютной светонепроницаемости, что подтверждается методом счета единичных фотонов.
Принцип работы кристаллического модулятора
Действие электрооптического кристаллического модулятора основано на индуцированном изменении двойного лучепреломления под воздействием электрического поля.
Пространственное и временное модулирование интенсивности излучения различными типами модуляторов возможно в наносекундном диапазоне, а частота модуляции может достигать гигагерцевого диапазона.
В основе модуляции лежит эффект двойного лучепреломления Керри (см. рис. 1).
Рис. 1. Кристалл двойного лучепреломления, в котором падающий неполяризованный свет расщепляется на обычный и необычный лучи. Оба луча становятся плоско поляризованными, а их Е-векторы перпендикулярны друг другу
Таким образом, при изменении направления необычного луча коэффициент преломления изменяется.
Если вектор света ортогонален оптической оси кристалла, направление распространения не влияет на коэффициент преломления, и получается нормальный, обычный луч.
Необычный луч замедляется относительно обычного луча (замедление обозначается через Ф в виде количества длин волн; полуволновым напряжением называется напряжение, при котором Ф/2; электрооптическая константа модулятора определяется в пикометрах на вольт для данной длины волны). Если входной луч света плоско поляризован, то после модулятора выходят два луча эллиптически поляризованного света (см. статью Поляризация света).
Модуляторы с электрооптическими материалами
Помимо кристаллов двойное лучепреломление проявляют и некоторые вещества, например нитробензол. Их называют электрооптическими материалами.
Дипольные моменты, возникающие под воздействием электрического поля порядка 10 000 В/см пропорциональны напряженности поля . Кроме того, уже поляризованные молекулы с возрастанием поля становятся все более синхронизированными, в отличие от подвижности, вызываемой теплом. По этой причине двойное преломление растет пропорционально .
Такой оптический модулятор функционирует следующим образом (см. рис. 2): между двумя поляризационными фильтрами (поляризатором и анализатором) размещается кювета с Керри-активной жидкостью, в которой эффект Керри вызывается двумя электродами.
Рис. 2. Двойное преломление луча света в ячейке Керри возникает при подаче на нее высокого напряжения. В двух скрещенных поляризационных фильтрах (поляризаторе и анализаторе) векторы пропускания каждого наклонены относительно вектора электрического поля на 45°, а по отношению друг к другу скрещены на 90°. Таким образом реализуется «быстрый» оптоэлектронный затвор. Без приложенного высокого напряжения затвор «закрыт», а открывается при подаче напряжения.
Без приложенного напряжения луч света блокируется анализатором. После подачи напряжения и получения эффекта Керри луч света расщепляется на обычный и необычный лучи, но через анализатор может пройти только один луч.
Так как ячейка Керри функционирует при высоком переключающем напряжении, и для нее требуется нитробензол высокой степени чистоты, в оптических модуляторах вместо нее часто применяется ячейка Поккельса. Двойное лучепреломление в ней возрастает линейно с приложенным напряжением в кристалле однозамещенного фосфата аммония (ΝΗ4Η2ΡО4) или дейтерированной формы однозамещенного фосфата калия калии (KD2PО4 — дейтерированная форма требует половины переключающего напряжения).
Преломляющая способность дидейтерированного фосфата калия в зависимости от длины волны представлена в таблице 1.
Табл. 1. Коэффициент преломления дидейтерированного фосфата калия в зависимости от длины волны
| Длина волны (нм) | Обычный луч | Необычный луч |
|---|---|---|
| 200 | 1,621 | 1,563 |
| 400 | 1,524 | 1,480 |
| 600 | 1,509 | 1,468 |
| 800 | 1,520 | 1,463 |
| 1000 | 1,496 | 1,461 |
| 1200 | 1,490 | 1,458 |
| 1400 | 1,483 | 1,456 |
| 1600 | 1,467 | 1,454 |
| 1800 | 1,468 | 1,452 |
| 2000 | 1,460 | 1,450 |
На Студворк вы можете заказать статью по физике онлайн у профильных экспертов!
Комментарии