Модуляторы со стоячей акустической волной

Модуляторы, в которых используются стоячие упругие волны, по своему назначению, принципу действия и характеристикам существенно отличаются от модуляторов на бегущих волнах и требуют отдельного рассмотрения. Их конструктивной особенностью является отсутствие поглотителя. Параллельные, хорошо обработанные грани ячейки образуют высокодобротный акустический резонатор, возбуждаемый на его собственных частотах f_i = iv/2ω, где ω - апертура ячейки, i =1, 2, 3.... Стоячая волна возникает в результате интерференции излученной пьезопреобразователем волны с волной, отраженной от противоположной грани ячейки. Разновидностью таких АОМ являются устройства с двумя расположенными друг напротив друга преобразователями, которые генерируют стоячие или бегущие во встречных направлениях волны.

Для среды без потерь изменение показателя преломления под действием стоячей волны описывается выражением

.

Возможны различные подходы к описанию взаимодействия света со стоячей акустической волной. С одной стороны, это явление можно рассматривать как дифракцию света на неподвижной фазовой решетке, амплитуда которой изменяется во времени с удвоенной частотой ультразвука 2 f₀, вследствие чего интенсивность света во всех дифракционных максимумах также меняется с частотой 2 f₀. Другой подход основан на представлении стоячей волны в виде двух бегущих навстречу волн, имеющих одинаковую амплитуду и частоту. В этом случае эффект модуляции интенсивности света проявляется как результат биений дифрагированных волн, испытавших различный частотный сдвиг.

Отличительных особенностей модуляторов на стоячей волне состоит в том, что частота модуляции не связана со временем пересечения акустической волной светового пучка, вследствие чего не возникает необходимости в согласовании расходимостей взаимодействующих пучков. Это позволяет использовать широкие, хорошо коллимированные световые пучки и, таким образом, работать в области малых G, где эффективность модуляции может достигать практически 100%.

Частотная характеристика модулятора представляет собой ряд расположенных на равных расстояниях резонансных пиков, ширина которых Δf определяется добротностью акустического резонатора Q_α . При малых потерях в резонаторе

где ρ_пр - амплитудный коэффициент отражения от грани с преобразователем (коэффициент отражения от противоположной грани можно считать равным единице). Таким образом, модуляторы на стоячих волнах являются узкополосными устройствами, которые допускают небольшую плавную перестройку частоты в пределах каждого резонансного пика и дискретную перестройку при переходе с одного резонанса на другой. Это является их основным недостатком, ограничивающим область применения лишь такими системами, в которых требуется синусоидальная модуляция света на фиксированных частотах (светодальнометрия, синхронизация мод лазера, уплотнение и разуплотнение информации в каналах оптической связи и др.).

Главное достоинство рассматриваемых модуляторов заключается в малой потребляемой мощности. Выигрыш по мощности, который дает стоячая волна по сравнению с бегущей, зависит от добротности акустического резонатора и может быть оценен по формуле

,

где а_ст и а_б - амплитуды деформации в стоячей и бегущей акустической волне в центре ячейки (z = ω/2).

Отсутствие требования на согласование расходимостей пучков существенно облегчает достижение высоких частот модуляции. В отличие от широкополосных АОМ, здесь нет принципиальных ограничений для модуляции света во всем диапазоне частот ультразвука, где наблюдается акустооптическое взаимодействие.