Модуляторы света. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Рис. 2. Амплитудная характеристика модулятора света: a - работа на нелинейном участке при Г₀ = 0; б - работа на линейном участке при Г₀ = p/2.

Конструкция M. с. существенно зависит от диапазона их рабочих частот. На низких частотах (до 100 МГц) M. с. представляют собой конденсатор, образованный электродами и заполненный электрооптич. средой. В диапазоне 100-3000 МГц применяют M. с. с тороидальными резонаторами, ёмкостный зазор к-рых заполнен элсктрооптич. средой. Уменьшение габаритов таких M. с. на частотах 100-500 МГц достигается заменой сплошного центрального стержня резонатора на спиральный, что позволяет увеличить его индуктивность. В диапазоне св. 3000 МГц используют объёмные резонаторы, полностью или частично заполненные электрооптич. средой.

Из примерно 100 типов M. с., выпускаемых в настоящее время, большинство являются поляризационными. Их полуволновые напряжения лежат в пределах от 90 В до 4 кВ, полосы частот модуляции от неск. МГц до 1 ГГц.

Рис. 3. Модулятор света с компенсацией естественной анизотропии за счёт применения полуволновой пластины: 1 - поляризаторы; 2 - электрооптические элементы; 3 - электроды; 4 - полуволновая пластина; 5 - световой пучок,

Кроме материалов, применяемых при создании фазовых модуляторов, в поляризац. ячейках используют Ba₁₂SiO₂₀, а в ИК-диапазоне - арсенид галлия (GaAs) и теллурид кадмия (CdTe). В нек-рых случаях используются поляризац. ячейки с центросимметричными средами, напр. с жидкостями типа нитробензола. В таких веществах изменение показателя преломления про-порц. квадрату электрич. поля: Г = 2pВlЕ², где В - постоянная Керра. Полуволновые напряжения в таких ячейках составляют 12

45 кВ.

Интерференционные M. с. Интерференц. схемы преобразования фазовой модуляции в амплитудную не нашли такого широкого применения, как поляризационные. Это связано с тем, что интерференционные M. с. более сложны конструктивно, требуют точной юстировки, чувствительны к вибрациям и др. внеш. воздействиям. Интерференционные M. с. применяют в контрольно-измерит. технике как датчики температуры и деформации, линейных и угл. перемещений. Принципиальные схемы интерференционных M. с. на основе интерферометров Рождественского и Майкельсона приведены на рис. 4.

Рис. 4. Интерференционные модуляторы света на основе интерферометров Рождественского (а) и Майкельсона (б): 1- электрооптические элементы; 2 - зеркала; 3 - полупрозрачные элементы.

Световой пучок, входящий в интерференц. модулятор, должен быть линейно поляризован вдоль одного из векторов поляризации d₁ или d₂, соответствующих макс. электрооптич. эффекту. Светодели-тельный элемент 3 разделяет световой пучок на два луча с одинаковыми амплитудами и направляет их через два фазовых M. с. При прохождении через свето-делительный элемент 3' лучи интерферируют. Интенсивность света на выходе интерферометра описывается такой же функцией, как интенсивность поляризац. M. с. Если фазовые электрооптич. элементы идентичны, а напряжения на них поданы в противофазе, то

где Dl - разность длин пути первого и второго лучей.

В интерференционных модуляторах используют те же материалы, что и в поляризационных. Особенно эффективны интерференционные M. с. в плёночном исполнении в системах интегральной оптики.

Интегрально-оптические M. с. находят в последнее время всё более широкое применение. В качестве материала для их создания используют, как правило, ниобат лития (LiNbO₃). На поверхности этого материала методом диффузии титана создают необходимую световодную конфигурацию. Между световодами напыляются электроды. Прикладывая напряжение к электродам, можно изменять скорость распространения света по световодам. Среди интегрально-оптич. M. с. наиб. применение нашёл модифициров. интерферометр Маха - Цендера, изображённый на рис. 5. В этой структуре ширина световода не должна превышать неск. мкм, чтобы волновод был одномодовым.

Рис. 5. Пленочный (волноводный) интерференционный модулятор света.

Роль светоде-лительных элементов в данном случае играют Y-образные разветвления. Если пришедшие к выходу интерферометра волны оказываются в фазе, то они складываются, если в противофазе - то образуют волну второй моды, к-рая не может распространяться по световоду и излучается в подложку. При распространении по световоду свет не дифрагирует, поэтому длина интегрально-оптич. M. с. может достигать нескольких см. T. о., отношение размеров модулятора l/h достигает 10⁴.

В этом случае полуволновое напряжение составляет 0,3 В. Однако увеличение длины модулятора сопровождается сужением полосы частот модуляции. При длине модулятора из LiNbO₃ l = 1 см полоса частот равна 1 ГГц.

Другой тип интегрально-оптич. M. с. изображён па рис. 6. Модулятор представляет собой два близко расположенных световода на поверхности ниобата лития.

Рис. 6. Интегрально-оптический переключатель света на два положения.

Длина световодов и расстояние между ними подобраны так, чтобы в отсутствие внеш. поля свет из первого световода полностью перекачивался во второй за счёт туннельного эффекта. При подаче на электроды внеш. напряжения скорости распространения волн в световодах становятся различными и перекачка энергии из первого световода во второй прекращается. Такие M.с. являются по существу переключателями света на два положения. Для получения туннельной перекачки энергии расстояние между световодами должно составлять ок. 5 мкм при длине световодов в неск. мм.

M. с. на сдвиге края полосы поглощения. Для амплитудной модуляции света может быть использовано изменение коэф. поглощения света средой под действием электрич. поля. Такое управляемое изменение коэф. поглощения имеет место в полупроводниках (Ge, Si, GaAs, CdS и др.). У этих материалов имеется резкий край полосы оптич. поглощения, к-рый может смещаться в сторону более длинных волн при наложении электрич. поля (эффект Франца - Келдыша). Эффект имеет малую инерционность ~10^-13 с. К сожалению, край полосы поглощения сдвигается очень слабо и для модуляции используют только свет, длина волны к-рого лежит у самого края полосы поглощения материала. При этом необходимые напряжённости управляющего электрич. поля велики (~10⁷ В/м), поэтому M. с. на сдвиге края полосы применяют редко.

Магнитооптические M. с. Среди многочисл. магнито-оптич. эффектов наиб. применение для модуляции света нашёл эффект Фарадея. Принципиальная схема фарадеевского M. с. приведена на рис. 7. Изменяющееся магн. поле катушки 2 приводит к периодич. изменению угла вращения плоскости поляризации света в маг-нитооптич. элементе 1. Интенсивность света, прошедшего через такую систему, равна

где j₀ - угол относит. поворота первого и второго поляризаторов 3, j₁ - макс. угол вращения плоскости поляризации в элементе, W - частота приложенного магн. поля. В парамагн. и диамагн. материалах для вращения плоскости поляризации на десятки градусов необходимы магн. поля в 10⁶-10⁷А/м. В ферромагнетиках эффект Фарадея пропорционален не управляющему магн. полю, а намагниченности образца. Это позволяет значительно уменьшить управляющее магн. поле. Очень большую роль при этом играет форма ферромагы. элемента. Так, для плоской пластинки, намагничиваемой перпендикулярно её плоскости, размагничивающее поле равно 2pI_s (I_s - намагниченность насыщения), для сферич. элемента размагничивающий фактор в 3 раза меньше, а для длинного тонкого цилиндра, намагниченного вдоль оси,- во много раз меньше. Важной особенностью магнитооптич. M. с. является постоянство коэф. удельного вращения плоскости поляризации мн. материалов в ИК-диапазоне. Это значительно повышает их конкурентоспособность в ИК-диапазоне по сравнению с электрооптическими, в к-рых управляющее напряжение линейно растёт с увеличением l. Дополнит. преимуществом является слабая зависимость эффекта Фарадея от температуры. В магнитооптич. M. с. используются ферримагн. монокристаллы Y₃Fe₅O₁₂, CrBr₃, RbNiF₃ и нек-рые др. В этих материалах при магн. нолях ~10⁴ A/м удаётся достичь глубины модуляции ~40% на частотах до 200 МГц при управляющей мощности 0,1 Вт.

Рис. 7. Магнитооптический модулятор света: 1 - магнитооптический элемент; 2 - катушка, создающая магнитное поле; 3 -поляризаторы.

Акустооптические M. с. Изменение показателя преломления вещества возможно не только при воздействии электрич. и магн. полей, но и при механич. деформациях упругой среды (фотоупругость). M. с. на двулу-чеиреломлении за счёт фотоупругости подобны поляризационным электрооптическим. Отличие состоит в том, что разность фаз Г возникает под действием механич. напряжений, созданных спец. пьезовозбудителем, Г = 2plDn/l = pln³pu/l, где p - упругооптич. коэф., и - деформация среды.

Рис. 8. Схема дифракции света на звуковой волне: a- при большом l (пространственная решетка); б - при малом l (плоская решётка).

Акустооптич. M. с. на двулучепреломлении довольно эффективны на низких частотах, а на высокой УЗ-частоте преимущество имеют M. с., использующие дифракцию света на ультразвуке. Акустич. волна, распространяющаяся в оптически прозрачной среде, сопровождается появлением в этой среде бегущей периодич. последовательности изменений показателя преломления. Образуется структура, аналогичная дифракционной решётке. Если период этой структуры меньше ширины светового пучка, то на ней происходит дифракция света. Характер этой дифракции существенно зависит от длины области взаимодействия света и звука l (рис. 8). При большом l (рис. 8,а) дифракц. решётка является трёхмерной; характер дифракции подобен дифракции рентгеновских лучей на кристаллич. решётке (дифракция Брэгга). Угол падения света должен быть близок к углу Брэгга q_Б = аrсsinl/2nL, где L - длина волны звука. При дифракции Бригга обычно наблюдается только один боковой дифракц. максимум. При малом l (рис. 8,б) решётка может считаться плоской. Дифракц. картина представляет собой набор дифракц. максимумов, расположенных симметрично относительно падающего света (дифракция Рамана - Ната). Она происходит при любом угле падения света на УЗ-столб. Частота света в m-м дифракц. максимуме равна w + mW, где w - частота света, W - частота звука. T. о., акустооптич. взаимодействие позволяет изменять частоту света. Фаза света в нулевом дифракц. максимуме зависит от амплитуды акустич. волны: происходит перераспределение интенсивности света между нулевым и боковыми максимумами. В соответствии с этим возможны разл. виды акустооптич. M. с.: частотные, фазовые и амплитудные. Кроме того, информацию в световой пучок можно вносить, модулируя его как во времени, так и по пространству. Однако поскольку создаваемое упругой волной пространств. распределение показателя преломления движется со скоростью звука, то в аку-стооптич. пространственных M. с. выходной сигнал оказывается промодулированным также во времени. Практич. применение нашли модуляторы интенсивности света с бегущей и стоячей акустич. волной, а также пространств. M. с., являющиеся основой акустооп-тич. процессоров. Принципиальная схема акустооп-тич. M. с. на бегущей волне представлена на рис. 9. Электрич. колебания от генератора 1 модулируются по амплитуде информац. сигналом S(t)и поступают на пьезопреобразователь 2. Акустич. волна от пьезопре-образователя бежит по звукопроводу 3 до поглотителя звука 4 и создаёт дифракц. структуру, на к-рой дифрагирует световой пучок 5. Нулевой дифракц. максимум задерживается экраном 7, а боковой дифракц. максимум 8 оказывается промодулированным по закону S(t). Быстродействие этого M. с. определяется временем прохождения звука через диаметр светового пучка и составляет 10 -100 нc. Такие акустооптич. M. с. отличаются высоким контрастом модуляции (отношение ин-тенсивностей света в максимуме при наличии акустич. сигнала и в его отсутствие), достигающим 2000 : 1. Для модуляции света с фиксиров. частотой (напр., при синхронизации мод лазера) используют акустооптич. M. с. на стоячей акустич. волне. Конструктивно они отличаются от изображённого на рис. 9 отсутствием поглотителя звука. Стоячая акустич. волна возбуждает в среде неподвижную дифракц. решётку, амплитуда к-рой меняется по гармонич. закону с удвоенной частотой звука; это приводит к 100%-ной модуляции света в боковом максимуме. Частота звука при этом должна совпадать с собств. частотой акустич. резонатора, образованного звукопроводом.

Рис. 9. Схема акустооптического модулятора света на бегущей волне: S(t) - модулирующий сигнал; 1 - генератор электрических колебаний; 2 - пьезопреобразователь; 3 - звукопровод; 4 - поглотитель; 5 - световой пучок; 6 - линзы; 7 -экран; 8 - боковой дифракционный максимум.

В качестве материалов для акустооптич. M. с. используют оптическое стекло (тяжёлый флинт ТФ7), кристаллы PbMoO₄, TeO₂, а в ИК-диапазоне - Ge и GaAs. Эффективность дифракции света в этих материалах достигает 20-80% при акустич. мощности 1

5 Вт на частотах 40

250 МГц.

Пространственные M. с. Описанные выше M. с. (кроме акустооптич.) осуществляют модуляцию, равномерную по всему поперечному сечению пучка света. Между тем оптич. луч способен переносить значительно больший объём информации, если осуществить пространств. модуляцию света, различную в каждой точке поперечного сечения луча. Мин. размеры площадки в поперечном сечении светового луча, способной переносить независимую информацию, ограничены вследствие дифракции света площадью s > l², т. е. очень малой величиной. Поэтому информац. ёмкость пространств. M. с. пропорц. площади поперечного сечения светового луча. Пространств. M. с. позволяют создавать управляемые голографич. транспаранты, устройства ввода и обработки информации и оперативной памяти оптич. вычислит. машин; решать ряд проблем совр. телевизионной техники (воспроизведение изображений на большом экране и т. п.).

Осн. элементом пространств. M. с. является слой, обладающий продольным электрооптич. эффектом. На его поверхности записывается определ. потенциальный рельеф. Проходящий через этот слой широкий пучок света оказывается промодулированным в каждой точке поперечного сечения в соответствии с потенциальным рельефом, записанным на поверхности. При этом в зависимости от направления поляризации света его модуляция может быть амплитудной или фазовой (см. Фазовая рельефография).

Рис. 10. Пространственный модулятор света с оптической записью информации: 1 - электрооптический кристалл; 2 - фотопроводник; 3 - диэлектрическое зеркало; 4 -прозрачные электроды.

Различают два осн. метода создания потенциального рельефа на поверхности модулирующего слоя: оптический и электронный. Принципиальная схема пространств. M. с. с оптич. записью информации приведена на рис. 10. На оптически прозрачной подложке размещаются электрооптич. и фотопроводящий слои, разделённые диэлектрич. зеркалом. Снаружи располагаются прозрачные электроды, к к-рым приложено пост. напряжение. В отсутствие света это напряжение в осн. приложено к фотослою, обладающему высоким темно-вым сопротивлением. Падающий слева свет уменьшает сопротивление фотопроводника, и напряжение в освещённой точке оказывается приложенным к электроон-тич. слою. T. о., изображение, проецируемое слева на модулятор, создаёт пространств. рельеф на электрооптич. слое, а падающий справа свет используется для считывания записанной информации. В качестве электрооптич. слоя применяют электрооптич. или жидкие кристаллы. Жидкий кристалл обладает диэлектрич. анизотропией, т. е. диэлектрич. проницаемости вдоль оси молекул e_|| и в направлении, перпендикулярном оси e_|., различны. При наложении электрич. поля молекулы жидкого кристалла стремятся ориентироваться так, чтобы иметь наиб. диэлектрич. проницаемость вдоль E. Упругие силы стремятся вернуть молекулы в исходное положение, определяемое граничными условиями на поверхностях слоя. Изменение показателя преломления при воздействии поля используется так же, как и в электрооптич. кристалле. Полуволновое напряжение для жидких кристаллов составляет неск. В. Характерные времена электрооптич. переключения жидких кристаллов составляют ~10^-3 с, а время релаксации к исходному состоянию на 1-2 порядка больше. Достоинствами жидкокристаллич. пространственных M. с. являются низкое рабочее напряжение и удовлетворительное разрешение (60-100 л/мм), определяемое малой толщиной слоя жидкого кристалла (2-50 мкм); недостатки жидкокристаллич. слоев - высокая чувствительность к теми-ре, малое время хранения записанной информации и большое время записи. Пространств. M. с. с электрооптич. кристаллом лишены этих недостатков, но требуют для своей работы значительно больших напряжений и обладают меньшим разрешением (~10 л/мм). Пространств. M. с. с оптич. записью может быть применён для преобразования некогерентного изображения в когерентное, для сложения и вычитания изображений, выделения движущейся части изображения и т. д. Нек-рым недостатком M. с. с оптич. записью является влияние считывающего света па фотопроводник, что не позволяет использовать для считывания информации свет большой интенсивности. Для получения изображений с высокой яркостью используют модуляторы с электронной записью информации (рис. 11). Под влиянием бомбардировки кристалла сканирующим электронным лучом с его поверхности выбиваются вторичные электроны, собираемые коллекторной сеткой. Заряд каждой точки поверхности кристалла определяется силой тока электронного луча и потенциалом поверхности в точке бомбардировки. Управляя любой из этих величин, можно записать на поверхности необходимый потенциальный рельеф.

Эфф. использование считывающего света возможно только в том случае, когда глубина потенциального рельефа на поверхности кристалла близка к U_l_/2. При этом в пространств. M. с. необходимо использовать электрооптич. кристаллы с малым U_l_/₂, т. к. большие разности потенциалов приводят к перераспределению вторичных электронов и искажению изображения.

Рис. 11. Пространственный модулятор с электронной записью информации: 1 - электрооптический кристалл; 2 - сигнальная пластина;3 - коллекторная сетка; 4 - электронная пушка; 5 - отклоняющая система; 6 - полупрозрачное зеркало.

В обычно применяемых кристаллах типа KDP полуволновое напряжение можно значительно снизить, охлаждая кристалл до температуры, близкой к точке Кюри T_к. Электрооптич. коэф. этих кристаллов r изменяется с понижением температуры по закону Кюри - Вейса: r=а/(Т-Т_к). Поэтому U_l_/₂ пропорционально (T - Т_к). Дополнит. преимуществом охлаждённого устройства является то, что при работе вблизи точки Кюри увеличивается до неск. часов время, в течение к-рого сохраняется записанный на поверхности потенциальный рельеф. Охлаждение применяется и в пространств. M. с. с оптич. записью.

Внутрирезонаторные лазерные M. с. Кроме описанных выше M. с., воздействующих на проходящий световой пучок, возможно управление оптич. излучением при его генерации. Напр., модуляция излучения полупроводникового лазера осуществляется модуляцией тока накачки. В газовых и твердотельных лазерах внесение в резонатор переменных потерь приводит к амплитудной модуляции излучения. При этом внутрирезо-наторная модуляция, как правило, значитольно эффективнее модуляции проходящего света. Введение в резонатор лазера фазового M. с. позволяет изменять оптич. длину резонатора и осуществлять частотную модуляцию излучения. Полоса частот внутрирезонатор-ных M. с. должна быть меньше разности частот генерируемых лазером мод Dw. При приближении частоты внеш. воздействия к Dw начинается эфф. взаимодействие между модами лазера, приводящее к синхронизации мод и генерации лазером коротких оптич. импульсов. Осн. недостатком внутрирезонаторных M. с. является то, что внесение в резонатор дополнит. элементов снижает общую мощность излучения лазера и ухудшает стабильность генерации.

Литература по модуляторам света

Знаете ли Вы, почему "черные дыры" - фикция?
Согласно релятивистской мифологии, "чёрная дыра - это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света). Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер - гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда".
На самом деле миф о черных дырах есть порождение мифа о фотоне - пушечном ядре. Этот миф родился еще в античные времена. Математическое развитие он получил в трудах Исаака Ньютона в виде корпускулярной теории света. Корпускуле света приписывалась масса. Из этого следовало, что при высоких ускорениях свободного падения возможен поворот траектории луча света вспять, по параболе, как это происходит с пушечным ядром в гравитационном поле Земли.
Отсюда родились сказки о "радиусе Шварцшильда", "черных дырах Хокинга" и прочих безудержных фантазиях пропагандистов релятивизма.
Впрочем, эти сказки несколько древнее. В 1795 году математик Пьер Симон Лаплас писал:
"Если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в 250 раз превосходил бы диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине являются невидимыми." [цитата по Брагинский В.Б., Полнарёв А. Г. Удивительная гравитация. - М., Наука, 1985]
Однако, как выяснилось в 20-м веке, фотон не обладает массой и не может взаимодействовать с гравитационным полем как весомое вещество. Фотон - это квантованная электромагнитная волна, то есть даже не объект, а процесс. А процессы не могут иметь веса, так как они не являются вещественными объектами. Это всего-лишь движение некоторой среды. (сравните с аналогами: движение воды, движение воздуха, колебания почвы). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.