Реферат - Использование затворов Покельса и Керра для создания режима модулированной добротности в лазерном резонаторе - файл n1.doc

Реферат - Использование затворов Покельса и Керра для создания режима модулированной добротности в лазерном резонаторе
скачать (60.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc131kb.22.05.2009 02:00скачать

n1.doc

Министерство образования и науки РФ


СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Кафедра ЛИНС
Реферат по теме:

Использование затворов Покельса и Керра для создания режима модулированной добротности в лазерном резонаторе


Выполнили:

студент. гр. 4552

Трищак Д.А.


Проверил:

Парфенов В.А.


Спб

2009г.

Содержание:

1.Введение 3

2.Электрооптические эффекты 3

3.Магнитооптический эффект (эффект Коттона-Мутона) 8

4.Оптические затворы 10

5.Модуляторы света 11

6.Режим модулированной добротности в лазерном резонаторе 14

7.Использование оптических затворов на эффекте Покельса

и Керра для создания режима модулированной добротности

в лазерных резонаторах 15

Введение:

Все физические воздействия, способные ориентировать структурные элементы первоначально изотропного вещества, могут вызывать возникновение искусственной оптической анизотропии. Остановимся кратко на основных способах формирования искусственной оптической анизотропии.


2. Электрооптические эффекты

Электрооптический эффект – это появление оптической анизотропии первоначально изотропного вещества при помещении его в электрическое поле. Наблюдаются электрооптические эффекты двух типов: линейный и квадратичный.
а. Эффект Поккельса

– линейный электрооптический эффект, который удаётся наблюдать только в пьезоэлектрических кристаллах. Пьезоэлектриками называются вещества, сжатие или растяжение которых по определённым направлениям сопровождается появлением электрической поляризации (т.н. «прямой пьезоэффект») и наоборот, приложение электрического поля вызывает растяжение или сжатие кристалла по направлению поля («обратный пьезоэффект»).

То есть эффектом Поккельса называется изменение показателя пре­ломления света в кристалле под действием электрического поля, причём это изменение пропорционально напряжённости электри­ческого поля. Как следствие эффекта Поккельса в кристалле появ­ляется двойное лучепреломление или меняется его величина, если кристалл был двулучепреломляющим в отсутствие поля. [1]

Изменение показателя преломления кристаллов под действи­ем внешнего электрического поля происходит исключительно за счёт анизотропных свойств кристаллов. Под действием постоянно­го электрического поля электроны смещаются в сторону того или иного иона (в случае кристалла ниобата -типичного пьезоэлектрика -лития LiNbOg - это ион Li или Nb), при этом меняется поляризуемость среды и связан­ный с ней показатель преломления. В первом приближении это изменение линейно относительно внешнего электрического поля.

Эффект Поккельса может наблюдаться только в кристаллах, не обладающих центром симметрии. Вследствие линейности эффек­та относительно внешнего поля Eэл при изменении направления поля на противоположное должен меняться на противоположный и знак изменения показателя преломления An. Но в кристаллах с центром симметрии это невозможно, так как оба взаимно противо­положных направления внешнего поля физически эквивалентны. Кристалл можно поместить между двумя скрещенными полярои­дами таким образом, что в отсутствие внешнего электрического поля пропускание света системой будет равно нулю. При подаче на кристалл внешнего поля появится наведённое двулучепреломление, которое изменит поляризацию прошедшего через кристалл света, и такая система начнёт пропускать свет. На этом принци­пе основаны многочисленные применения эффекта Поккельса в лазерной технике для оптических модуляторов, затворов и дру­гих устройств, управляющих лазерным излучением. Поскольку эффект Поккельса связан с изменением электронной поляризу­емости под действием электрического поля, то он практически безынерционен - быстродействие устройств на его основе мень­ше 10-9 с.

Если перед кристаллом, помещённым между скрещенными по­ляроидами , расположить линзу или матовую пластинку, после которых лучи будут рассеиваться под различными угла­ми, то на экране, расположенном за поляроидом, мы увидим тём­ные концентрические окружности (коноскопическую картину) -результат интерференции обыкновенной и необыкновенной волн, точнее, проекцию их электрических полей на разрешённое направ­ление выходного поляроида. В нашем эксперименте используется лазер, излучение которого поляризовано, поэтому входной поляро­ид можно не ставить.

Разность фаз между обыкновенной и необыкновенной волнами, приобретаемая при прохождении через кристалл длиной l, равна



[4]

Поскольку связь между деформацией кристалла и напряжённостью электрического поля для пьезоэлектриков линейна, по аналогии с упругооптическим эффектом имеем:

nе – nо = K2Е,

где

E – величина напряжённости электрического поля,

K2 – постоянная Поккельса.

Для типичного пьезоэлектрика – ниобата лития LiNbO3 – величина постоянной Поккельса K2 = 3,7?10-10 м/В. [1]
б. Эффект Керра квадратичный электрооптический эффект.

Возникновение двойного лучепреломления в жидкостях и аморфных прозрачных телах под воздействием электрического поля было открыто Керром в 1875г. (эффект Керра) и нашло широкое применение в практической деятельности.

Схема установки Керра показана ниже



Между двумя скрещенными поляризаторами П1 и П2 , плоскость пропускания каждого из которых составляет угол с вертикалью, помещена ячейка Керра – исследуемая жидкость в кювете между горизонтальными обкладками конденсатора, на которые подается электрическое напряжение.

Эффект Керра наблюдается в жидкостях, стёклах, а также кристаллических веществах (не в пьезоэлектриках!).

В результате приложения к этим веществам электрического поля появляется оптическая анизотропия (оптическая ось направлена вдоль поля), причём различие между показателями преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, квадратично зависит от величины поля:

[5]

Величина постоянной Керра для нитробензола, например, равна K3 = 10-18 м2/В2. Отметим, что K > 0 для большинства веществ, т.е. ne > no , что соответствует положительному кристаллу. Правда, встречаются и вещества (гораздо реже), у которых K < 0 , например: этиловый эфир, спирт.[4]

В электрическом поле Е = 106 В/м разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами достигает ? («пластинка ?/2»), если толщина слоя нитробензола h = 20 см.

Физическая причина эффекта Керра состоит в ориентации структурных элементов вещества (например, молекул нитробензола) в электрическом поле, либо в искажении электронных оболочек молекул или атомов в электрическом поле. В первом случае эффект Керра называется ориентационным, он может наблюдаться только в веществах, состоящих из дипольных молекул. Эффект Керра второго типа (“поляризационный”) характерен для веществ, молекулы или атомы которых первоначально не обладают дипольными моментами, но достаточно сильно поляризуются в электрическом поле.

Благодаря квадратичности эффекта Керра, переменное электрическое поле достаточно мощного лазерного излучения будет вызывать в этом веществе появление оптической анизотропии. Её легко обнаружить, пропуская луч света через вещество, находящееся под воздействием мощного лазерного облучения. Такой эффект Керра называют “оптическим”.

Оптический эффект Керра – типичный пример нарушения принципа суперпозиции электрических полей. В этом случае волна лазерного излучения изменяет свойства среды и таким образом влияет на распространение в этой среде другой световой волны.[1]

3. Магнитооптический эффект (эффект Коттона-Мутона)

Двойное лучепреломление света в изотропном веществе, помещенном в поперечное магнитное поле (перпендикулярное световому лучу). Впервые обнаружено в коллоидных растворах Дж. Керром и (независимо от него) итальянским физиком К. Майораной в 1901. Подробно исследовано Эме Коттоном и А. Мутоном в 1907.

Для наблюдения эффекта через образец прозрачного изотропного вещества, помещенный между полюсами сильного электромагнита, пропускают монохроматический свет, линейно поляризованный в плоскости, составляющей с направлением магнитного поля угол в 45°. В магнитном поле вещество становится оптически анизотропным (его оптическая ось параллельна магнитному полю Н), а проходящий свет превращается в эллиптически поляризованный, т. к. он распространяется в веществе в виде 2 волн — обыкновенной и необыкновенной, имеющих разные фазовые скорости.

Разность показателей преломления обыкновенного n0 и необыкновенного ne лучей, называемая величиной двойного лучепреломления, равна:

ne - no = CH2?

где

Н — напряжённость магнитного поля,

С — зависящая от вещества константа, называемая постоянной Коттона—Мутона,

? — длина волны света. [6],[7]

Величина С обратно пропорциональна абсолютной температуре Т и, как правило, очень мала. Аномально большие значения С обнаружены в жидких кристаллах и в коллоидных растворах (от 10-8 до 10-10). В газах, вследствие малости эффекта, величина ne – no надёжно ещё не измерена.

Эффект Коттона-Мутона – это “магнитный аналог” эффекта Керра. Объяснение этого эффекта аналогично изложенному выше объяснению эффекта Керра. Величина возникающей в магнитном поле оптической анизотропии вещества квадратично зависит от индукции магнитного поля:

nе – nо = K4В2.

Постоянная Коттона-Мутона K4 обычно очень мала (для жидкостей K4 = 10-10–10-9 Тл-2). Наибольшие величины K4 = 10-7–10-6 Тл-2 зарегистрированы для некоторых коллоидных растворов и жидких кристаллов, однако, даже для этих веществ в достаточно сильных магнитных полях 1 Тл на пути h = 1 см достигается разность фаз между обыкновенными и необыкновенными волнами всего в несколько градусов. Поэтому практических применений эффект Коттона-Мутона пока не нашел. Тем не менее, его можно использовать в чисто научных целях для изучения магнитных свойств и структуры молекул, а также их комплексов.[1]

4. Оптические затворы .

Оптический затвор - устройство, обеспечивающее пропускание и (или) перекрытие светового потока в течение определённого, заранее заданного времени (выдержки).

По назначению оптические затворы подразделяют на:

-предохранительные, закрывающие оптический тракт и препятствующие засветке светочувствительных элементов оптической системы (прибора);

-высокоскоростные оптические затворы, обеспечивающие прохождение светового потока через оптическую систему в течение очень малого, заранее заданного времени;

-высокоскоростные оптические системы периодические действия, предназначенные для открывания и закрывания оптического тракта с большой частотой.

По принципу действия оптические затворы разделяют на

-механические (электромеханические),

-взрывного типа,

-оптические затворы, использующие полное внутреннее отражение,

-электрооптические на основе эффекта Керра и Поккельса,

-магнитооптические на основе эффекта Фарадея.

Минимальное время, в течение которого оптический затвор механического типа обеспечивает прохождение светового потока или полностью перекрывает его, ограничено инерцией подвижных частей затвора и составляет не менее 10^-4 с.

Оптические затворы взрывного типа позволяет открывать (закрывать) оптический тракт за время 10^-5—10^-6 с.

Наибольшее быстродействие (10^-9—10^-10 с)может быть получено при использовании в качестве оптического затвора Керра ячеек или кристаллов, обладающих эффектом Поккельса.

Оптические затворы — составная часть многих оптических приборов, фотоаппаратов, скоростных кинокамер.

Оптические затворы периодического действия используются в модуляторах света. [8]
5. Модуляторы света.

Модуляция света- модуляция колебаний электромагнитного излучения оптического диапазона (видимого света, ультрафиолетового и инфракрасного излучений). . При модуляции света изменяются амплитуда (и следовательно, интенсивность), фаза, частота или поляризация световых колебаний. В любом из этих случаев в конечном счёте меняется совокупность частот, характеризующая излучение, — его гармонический состав. Модуляция света позволяет «нагружать» световой поток информацией, которая переносится светом и может быть затем извлечена и использована. В принципе количество информации, которое можно передать, модулируя колебания какого-либо вида, тем более велико, чем выше частота этих колебаний (в частности, потому, что с возрастанием частоты модулируемых колебаний — т. н. несущей частоты — появляется возможность увеличить ширину полосы частот модулирующих сигналов; частоты модулирующих колебаний должны быть меньше несущей).

Во многих технических применениях частота модулирующего сигнала настолько мала по сравнению с частотой используемого оптического излучения, что изменение его гармонического состава пренебрежимо мало, и под модуляцией света понимают периодическое или непериодическое изменение лишь интенсивности излучения. Простейшим, известным с древности примером такой модуляции света является световая сигнализация с прерыванием светового потока.

В современной технике при подобной модуляции света часто важна форма оптических сигналов, которую выбирают наиболее удобной для выполнения конкретной задачи. Это могут быть кратковремеменные импульсы света, сигналы, близкие к прямоугольным, гармоническим и т. д.

Простейшими модуляторами света являются механические устройства, позволяющие прерывать на некоторые заданные интервалы времени световой поток. К ним относятся вращающиеся диски с отверстиями (обтюраторы), растры, колеблющиеся или вращающиеся заслонки, зеркала, призмы, а также устройства, в которых происходит управляемое модулирующим (не оптическим) сигналом нарушение оптического контакта.

Другой класс приборов, используемых для внешней модуляции света, составляют модуляторы, действие которых основано на управлении поглощением света в полупроводниках. Это поглощение зависит от концентрации и подвижности свободных носителей заряда в полупроводнике (свободных электронов и дырок) и может управляться изменением в нём напряжения или тока. Для создания модуляторов света перспективны также прозрачные ферриты и антиферромагнетики, изучение свойств которых началось в 60-е гг. 20 в.

Механические модуляторы обеспечивают максимальную прозрачность и глубину модуляции, но работают при частотах модулирующего сигнала не свыше 10^7 гц и не допускают быстрой перестройки частоты (узкополосны).

Полупроводниковые модуляторы в принципе могут осуществлять модуляцию света при частотах до 10^10—10^11 гц с шириной полосы, ограничиваемой только параметрами радиотехнической схемы, однако глубина модуляции света в таких модуляторах и их общая эффективность невелики вследствие большого поглощения света в полупроводниках и малой электрической прочности полупроводниковых материалов.

Наиболее часто для модуляции света используют эффекты, приводящие к изменению преломления показателя оптической среды под действием внешнего поля (модулирующего сигнала),

— электрооптические (Керра эффект и Поккельса эффект),

—акустооптический.

В модуляторах, работающих на этих эффектах, происходит фазовая модуляция света (с последующим преобразованием её в амплитудную модуляцию); поэтому их называют также фазовыми ячейками. Частоты модулирующих сигналов в большинстве оптических сред, заполняющих фазовые ячейки, могут достигать до 10^11 гц и более.[9]

6. Режим модулированной добротности в лазерном резонаторе.

Любой лазер в принципе состоит из трёх основных элементов — активной среды, накачки, сообщающей ей способность усиливать световые колебания, и оптического резонатора, образованного двумя параллельными зеркалами, между которыми помещена активная среда. Зеркала резонатора возвращают излучёние обратно в активную среду, превращая оптический усилитель в генератор когерентного света — лазер. Одно из зеркал делают частично прозрачным для выхода излучёния.

В качестве активной среды твердотельных лазеров наиболее распространены рубин, стекло с примесью редкоземельного металла неодима и иттрий-алюминиевый гранат (также с примесью неодима). Из них наибольшей шириной линии усиления (то есть спектральным диапазоном, в котором может усиливать среда) обладает неодимовое стекло.

Добротность колебательной системы показывает, насколько велики потери энергии в ней. Чем выше сопротивление воздуха, тем быстрее затухают колебания маятника, тем меньше его добротность.

Резонатор, как и любая колебательная система, имеет характеристику, называемую добротностью Q. Она показывает, насколько велики потери P в системе, получившей энергию W: Q ~ W/P

Добротность оптических резонаторов очень велика — до 10^7. Это означает, что при каждом отражении от зеркал светового импульса, возникшего в резонаторе, теряется одна десятимиллионная часть его энергии (для сравнения — добротность колебательного радиоконтура не превышает 10І).[10]

Разрез резонатора Фабри— Перо с зеркалами бесконечной протяженности[11]

Но если во время поступления энергии в среду — работа системы накачки — одно зеркало перекрыть затвором, добротность резонатора упадет до нуля, и энергия станет накапливаться в активной среде. Когда её количество приближается к максимально возможной величине, затвор очень быстро открывается, и вся запасенная энергия высвобождается в виде короткого и мощного импульса излучёния. Такие импульсы получили название „гигантских“, а способ их получения — режим модуляции добротности.[10]


7. Использование оптических затворов на эффекте Покельса и Керра для создания режима модулированной добротности в лазерных резонаторах.

Активная модуляция добротности, то есть управляемая, генерация гигантского импульса осуществляется с помощью электрооптических модуляторов. Для этих целей применяют как ячейки Керра, так и ячейки Поккельса. Чаще все же последние, так как они требуют значительно более низких управляющих напряжений. [3]

Между поляроидами П1 и П2, главные плоскости которых взаимно перпендикулярны, помещается ячейка Поккельса или Керра. Направление электрического поля в ячейке составляет угол ?/4 с главными плоскостями П1 и П2 (рис,б). Величина напряжённости электрического поля подбирается такой, чтобы на длине ячейки набиралась оптическая разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами, равная ?/2. Тогда при приложении к ячейке электрического поля плоскость колебаний падающего на неё луча света повернётся на ?/2 и вышедший из ячейки луч пройдет через поляроид П2. В отсутствии электрического поля затвор “закрыт” – свет через него не проходит.[1]

При закрытом затворе генерация невозможна, и энергия накапливается в резонаторе в виде нарастающего количества возбуждённых атомов. Если затем быстро открыть затвор, то вся запасённая энергия возбуждения, или большая её часть высвечивается в виде короткого светового импульса. Длительность такого лазерного импульса определяется или скоростью открывания затвора или, если эта скорость достаточно велика, временем установления электромагнитного поля в резонаторе. [12]

Режим модулированной добротности осуществляется следующим образом: по достижении максимальной инверсии добротность резонатора быстро увеличивается, потери уменьшаются и начинает развиваться генерация, проходя сперва линейный этап развития из спонтанного излучения, а затем быстрый нелинейный этап, за время которого запасенная в рабочем веществе энергия выплескивается в виде короткого (на практике до 3-10 нс) и мощного импульса.

Типичные значения достигаемых мощностей соответствуют 10^7 – 10^8 Вт, рекордные – 10^13-10^15 Вт. Например, для рубинового лазера, дающего в режиме свободных колебаний Р = 10^3 Вт, в режиме модулированной добротности P = 10^8 Вт, то есть возрастает на 5 порядков.[3]

Максимальная частота модуляции сигнала при помощи ячейки Поккельса порядка 1013 Гц, что позволяет реализовать огромную плотность передачи информации.[12]

Список литературы

1. http://vega.phys.msu.su/wavebook/26_pol7.pdf

2. http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/2303/ФОТОУПРУГОСТЬ

3. http://www.nature.web.ru/db/msg.html?mid=1157037&uri=page2.html

4. http://physics.mipt.ru/S_IV/Opt_man/407.pdf

5. http://www.misis.ru/Portals/0/TOMMY/Part%203/Lekcia%2009.doc

6. http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/99188/Коттона

7. http://www.physics.spbstu.ru/forstudents/lectures/ivanov/opt3-8.pdf

8. Физический энциклопедический словарь ОПТИЧЕСКИЙ ЗАТВОР Москва, Просвещение, 1998г

9. http://www.diclib.com/cgibin/d1.cgi?l=ru&base=bse&page=showid&id=447

10. http://wsyachina.narod.ru/physics/light_moment.html

11.http://www.bankreferatov.ru/db/Confirmation?Open&Type=ProtectedDownload&UNID=68B7E9897CE8D357C3256C8C0058FD20&Name=16%5C391gif&Key=861158&NL=1

12.http://lasertypes.net/modes2.html







Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации