Модуляция лазерного луча

При создании лазерных систем связи возникает проблема модуляции лазерного луча. Принцип действия часто используемых на практике модуляторов лазерного излучения основан на магнитооптическом эффекте Фарадея (поворот плоскости поляризации световой волны) или электрооптических эффектах Керра или Поккельса (двойное лучепреломление).

Эффект Фарадея (1846 г.).

При распространении линейно поляризованного света с длиной волны , прошедшего в среде путь вдоль магнитных силовых линий магнитного поля с магнитной индукцией , плоскость поляризации поворачивается на угол (см. § 95 в [2]):

, (16)

где – величина магнитной индукции; - постоянная Верде (~10² рад/(см∙ Тл) для жидких сред), которая зависит от рода и свойств вещества, длины волны излучения и температуры. Знак , т.е. направление поворота плоскости поляризации света, зависит от направления магнитной индукции . При смене направления магнитного поля на противоположное знак меняется на противоположный. Данный эффект наблюдается даже в оптически неактивных средах.

На рис.4 показана схема модулятора лазерного излучения, основанного на эффекте Фарадея. Поляризаторы 1 и 2 ориентированы под углом 45^о ( /4 в радианах) друг к другу. Между поляризаторами имеется ячейка Фарадея, состоящая из среды, помещенной в магнитное поле соленоида, через который протекает переменный ток, в результате чего становятся переменными магнитная индукция в соленоиде и угол поворота . Тогда амплитуда напряженности электрического поля световой волны, прошедшей через поляризатор 2, равна

, (17)

где – амплитуда напряженности электрического поля падающей на среду волны, а угол задается в радианах. Интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды напряженности, поэтому

, (18)

и, следовательно, выходящий луч света из модулятора будет модулирован по интенсивности с частотой переменного тока, подводимого к показанной на рис.4 обмотке соленоида. В качестве среды, в которой распространяется свет, в ячейке Фарадея используется сероуглерод, бензол или вода.

Рис.4. Модулятор на основе эффекта Фарадея

1, 2 - поляризаторы, 3 – ячейка Фарадея

Эффект Керра (1875 г.).

На рис.5 изображена схема модулятора лазерного излучения, использующего эффект Керра (см. § 90 в [2]). Между скрещенными поляризаторами 1 и 2, оси которых (на рис.5 показаны стрелками) направлены под углом 45⁰ к вертикальной оси, помещена ячейка Керра, представляющая собой кювету с жидкостью, например, с сероуглеродом. С помощью электродов (пластин плоского конденсатора) создается электрическое поле с напряженностью , направленной перпендикулярно к направлению распространения света. Под действием электрического поля происходит поляризация молекул среды. Тем самым создается анизотропия вещества с преимущественным направлением (оптической осью) вдоль направления электрического поля, задаваемого направлением вектора . При прохождении света через жидкость возникает двойное лучепреломление как в обычном одноосном кристалле. В результате между обыкновенным лучом с показателем преломления (луч линейно поляризован в направлении вектора напряженности электрического поля) и необыкновенным лучом с показателем преломления (луч линейно поляризован в направлении, перпендикулярном вектору ) появляется оптическая разность хода (см. формулу (90.2) в [2]):

, (19)

где - длина волны света; - путь света в среде; – величина напряженности электрического поля между электродами; - постоянная Керра ( =3.2∙ 10^-7 СГСЭ-ед. для сероуглерода; на практике часто используется нитробензол с =2.2∙ 10^-5 СГСЭ-ед). Из-за квадратичной зависимости от знак не зависит от направления вектора .

Рис.5. Модулятор на основе эффекта Керра

1, 2 – поляризаторы, 3 – ячейка Керра

После прохождения ячейки Керра первоначально линейно поляризованный свет распространяется в виде эллиптически поляризованного, представляющего собой суперпозицию двух ортогонально поляризованных волн с разностью фаз 2 . Поляризатор 2 выделяет составляющую с линейной поляризацией вдоль оси поляризатора. Окончательная интенсивность прошедшего через поляризатор 2 света равна (см. формулу (79.5) в пункте 5 в § 79 в [2])

, (20)

где есть интенсивность света, проходящего через ячейку Керра.

Очевидно, что модуляцию лазерного излучения в этом случае можно осуществлять, подавая переменный электрический сигнал на пластины конденсатора (электроды) ячейки Керра.

Эффект Поккельса (1894 г.).

Модулятор на основе электрооптического эффекта Поккельса по устройству и принципу действия похож на модулятор на основе эффекта Керра. Эффект Поккельса является линейным электрооптическим эффектом в отличие от квадратичного электрооптического эффекта Керра. Эффект Поккельса заключается в пропорциональном напряженности электрического поля изменении показателя преломления среды при воздействии на нее электрическим полем (см. § 91 в [2]). Таким свойством из кристаллов обладают только сегнетоэлектрики. Как следствие этого эффекта в кристалле появляется двойное лучепреломление или меняется его величина. Эффект Поккельса проявляется в прозрачных кристаллах, не имеющих центра симметрии. Наиболее широкое применение в модуляторах на основе эффекта Поккельса получили одноосные анизотропные кристаллы дигидрофосфат калия КН₂РО₄ (краткое обозначение KDP), дигидрофосфат аммония NН₄Н₂РО₄ (краткое обозначение АDP), ниобат лития LiNbO₃ и другие сегнетоэлектрики, обладающие большой квадратичной нелинейностью по отношению к напряженности внешнего электрического поля и поэтому широко используемые в нелинейной оптике.

Схему модулятора на основе эффекта Поккельса можно представить, заменив на рис.5 ячейку Керра на ячейку Поккельса. Ячейка Поккельса содержит также два электрода, между которыми создается электрическое поле. В ячейке Поккельса между электродами вместо жидкости помещается определенным образом ориентированный анизотропный кристалл. В зависимости от расположения электродов и ориентировки кристалла по отношению к электродам и по отношению к направлению распространения света говорят о поперечном или о продольном эффекте Поккельса. В одном из наиболее простых и часто используемом на практике вариантов модулятора на основе эффекта Поккельса электроды представляют собой пластины плоского конденсатора, ориентированные так, как показано на рис.5. Анизотропный одноосный кристалл ориентируется так, чтобы его оптическая ось была направлена перпендикулярно пластинам конденсатора, т.е. вдоль линии направления напряженности электрического поля конденсатора. При такой ориентировке кристалла двойное лучепреломление проходящего через кристалл света проявляется в максимальной мере. При этом свет распространяется в направлении, перпендикулярном оси кристалла и направлению электрического поля – в этом случае говорят о поперечном эффекте Поккельса. Рассматриваемый модулятор на основе эффекта Поккельса может быть назван модулятором на основе поперечного эффекта Поккельса.

В модуляторе на основе поперечного эффекта Поккельса линейно поляризованный свет от лазера после прохождения поляризатора 1 проходит далее через анизотропный кристалл в ячейке Поккельса и испытывает там при отсутствии внешнего электрического поля ( =0) естественное двойное лучепреломление, которого при =0 не было в ячейке Керра. Между необыкновенным и обыкновенным лучами имеется оптическая разность хода ( - длина пути света в кристалле). Здесь разность показателей преломления обусловлена естественной анизотропией кристалла и не равна нулю даже при =0. Этим фактором ячейка Поккельса существенно отличается от ячейки Керра, в которой сама анизотропия среды (жидкости) создается внешним электрическим полем и согласно (19) и при =0 =0. Далее свет, испытавший двойное лучепреломление при прохождении кристалла в ячейке Поккельса, ведет себя точно так же, как после прохождения ячейки Керра. После поляризатора 2 происходит интерференция двух световых волн, результат которой определяется значением .

При наложении электрического поля на кристалл ( 0), согласно эффекту Поккельса, происходит некоторое небольшое изменение показателей преломления и , пропорциональное напряженности электрического поля, в результате чего в дополнение к оптической разности хода появляется дополнительная оптическая разность хода , задаваемая формулой (см. формулу (10.13) в [4])

, (21)

где - показатель преломления для обыкновенного луча при =0, - электрооптическая константа ( ~10^-7 см∙ В^-1). Из-за линейной зависимости от величины напряженности знак зависит от направления напряженности . При смене направления электрического поля на противоположное знак меняется на противоположный. При подаче переменного электрического сигнала на пластины (электроды) ячейки Поккельса происходит модуляция величины и тем самым модуляция интенсивности лазерного излучения.

Схему модулятора на основе продольного эффекта Поккельса можно представить, повернув ячейку Поккельса в модуляторе на основе поперечного эффекта Поккельса на 90^о. Луч света становится перпендикулярным к поверхности пластин конденсатора, в которых должны быть окна для пропускания света. Свет при этом проходит вдоль оптической оси анизотропного кристалла и поэтому не испытывает естественного двойного лучепреломления при =0. При =0 оптическая разность хода =0. Двойное лучепреломление возникает только при наложении электрического поля на кристалл, при этом оптическая разность хода ∆ совпадает с оптической разностью хода , описываемая формулой (21). При подаче переменного электрического сигнала на электроды ячейки Поккельса происходит модуляция величины и тем самым модуляция интенсивности лазерного излучения.

Важным свойством модуляторов на основе эффекта Поккельса является их малая инерционность, позволяющая осуществлять модуляцию лазерного излучения до частот порядка 10¹³ Гц. Кроме того, из-за линейной зависимости оптической разности хода от напряженности электрического поля нелинейные искажения при модуляции света сравнительно невелики.