miniatura|Un modulador acustoòptic consisteix en un transductor piezoelèctric que crea ones sonores en un material com el vidre o el quars. Un feix de llum es difracta en diversos ordres. Si es fa vibrar el material amb una sinusoide pura i es inclina el modulador acústic-òptic (AOM) de manera que la llum es reflecteixi des de les ones sonores planes cap al primer ordre de difracció, es pot aconseguir una eficiència de desviació de fins al 90%. Un modulador acustoòptic (AOM), també anomenat cel·la de Bragg o deflector acustoòptic (AOD), utilitza l'efecte acustoòptic per difractar i canviar la freqüència de la llum mitjançant ones sonores (generalment a radiofreqüència). S'utilitzen en làsers per a la commutació Q,telecomunicacions per a la modulació de senyals i en espectroscòpia per al control de freqüència. Un transductor piezoelèctric s'acobla a un material com el vidre. Un senyal elèctric oscil·lant fa vibrar el transductor, cosa que crea ones sonores al material. Aquestes es poden considerar com a plans periòdics d'expansió i compressió en moviment que canvien l'índex de refracció. La llum entrant es dispersa (vegeu dispersió de Brillouin) per la modulació periòdica de l'índex resultant i la interferència es produeix de manera similar a la difracció de Bragg. La interacció es pot considerar com un procés de barreja de tres ones que resulta en la generació de suma-freqüència o la generació de diferència-freqüència entre fonons i fotons.

Principis de funcionament Un AOM típic funciona sota la condició de Bragg, on la llum incident arriba a l'angle de Bragg. des de la perpendicular de la propagació de l'ona sonora. miniatura|539x539px|Un esquema per explicar la condició de Bragg per a un AOD. és la longitud d'ona de l'ona sonora, és la de l'ona de llum i és l'índex de refracció del cristall a l'AOD (que s'hauria d'ometre. Això és un error). L'ordre +1 té un desplaçament de freqüència positiu en comparació amb la llum incident; l'ordre 0 té la mateixa freqüència que la llum incident. El desplaçament transversal menor d'ordre 0 respecte a la llum incident representa la refracció dins del cristall.

Difracció Quan el feix de llum incident està a l'angle de Bragg, sorgeix un patró de difracció on es produeix un ordre de feix difractat a cada angle θ que satisfà:

Aquí, és l'ordre de difracció, és la longitud d'ona de la llum en el buit i és la longitud d'ona del so. Cal tenir en compte que m = ordre 0 viatja en la mateixa direcció que el feix incident.

La difracció d'una modulació sinusoidal en un cristall prim resulta principalment en els ordres de difracció . La difracció en cascada en cristalls de gruix mitjà condueix a ordres de difracció més alts. En cristalls gruixuts amb modulació feble, només es difracten els ordres de fase coincident; això s'anomena difracció de Bragg. La desviació angular pot variar d'1 a 5000 amplades de feix (el nombre de punts resolubles). En conseqüència, la desviació normalment es limita a desenes de mil·liradians.

La separació angular entre ordres adjacents per a la difracció de Bragg és el doble de l'angle de Bragg, és a dir,

Intensitat La quantitat de llum difractada per l'ona sonora depèn de la intensitat del so. Per tant, la intensitat del so es pot utilitzar per modular la intensitat de la llum en el feix difractat. Normalment, la intensitat que es difracta en ordre es pot variar entre el 15% i el 99% de la intensitat de la llum d'entrada. De la mateixa manera, la intensitat de l'ordre es pot variar entre el 0% i el 80%.

Una expressió de l'eficiència en ordre és:

on l'excursió de fase externa

Per obtenir la mateixa eficiència per a diferents longituds d'ona, la potència de RF a l'AOM ha de ser proporcional al quadrat de la longitud d'ona del feix òptic. Cal tenir en compte que aquesta fórmula també ens indica que, quan comencem amb una potència de RF alta , pot ser més alta que el primer pic de la funció sinusal quadrat, en aquest cas, a mesura que augmentem , ens establiríem al segon pic amb una potència de RF molt alta, cosa que provocaria una sobrecàrrega de l'AOM i possibles danys al cristall o altres components. Per evitar aquest problema, sempre s'ha de començar amb una potència de RF molt baixa i augmentar-la lentament fins a establir-se al primer pic.

Cal tenir en compte que hi ha dues configuracions que satisfan la condició de Bragg: si el component del vector d'ona del feix incident en la direcció de propagació de l'ona sonora va en contra de l'ona sonora, el procés de difracció/dispersió de Bragg donarà lloc a la màxima eficiència en ordre m = +1, que té un desplaçament de freqüència positiu; en canvi, si el feix incident va al llarg de l'ona sonora, s'aconsegueix la màxima eficiència de difracció en ordre , que té un desplaçament de freqüència negatiu.

Freqüència Una diferència respecte a la difracció de Bragg és que la llum es dispersa des dels plans en moviment. Una conseqüència d'això és que la freqüència del feix difractat d'ordre es desplaçarà per Doppler en una quantitat igual a la freqüència de l'ona sonora Aquest canvi de freqüència també es pot entendre pel fet que l'energia i el moment (dels fotons i fonons) es conserven en el procés de dispersió. Un canvi de freqüència típic varia de 27 MHz, per a un AOM menys costós, a 1 GHz, per a un dispositiu comercial d'última generació. En alguns AOM, dues ones acústiques viatgen en direccions oposades en el material, creant una ona estacionària. En aquest cas, l'espectre del feix difractat conté múltiples canvis de freqüència, en qualsevol cas múltiples enters de la freqüència de l'ona sonora.

Fase A més, la fase del feix difractat també es veurà desplaçada per la fase de l'ona sonora. La fase es pot canviar en una quantitat arbitrària.

Polarització Les ones acústiques transversals colineals o les ones longitudinals perpendiculars poden canviar la polarització. Les ones acústiques indueixen un canvi de fase birefringent, de manera similar a una cèl·lula de Pockels. El filtre sintonitzable acústicoòptic, especialment el dazzler, que pot generar formes de pols variables, es basa en aquest principi.

Bloqueig de mode Els moduladors acustoòptics són molt més ràpids que els dispositius mecànics típics com els miralls inclinables. El temps que triga un modulador acústic-òptic a desplaçar el feix sortint està aproximadament limitat al temps de trànsit de l'ona sonora a través del feix (normalment de 5 a 100 ns). Això és prou ràpid per crear un modellocking actiu en un làser ultraràpid. Quan cal un control més ràpid, s'utilitzen moduladors electroòptics. Tanmateix, aquests requereixen voltatges molt alts (per exemple, 1...10 kV), mentre que els AOM ofereixen un rang de desviació més gran, un disseny senzill i un baix consum d'energia (menys de 3 W).

Configuració de doble pas Com que l'angle de difracció del feix està determinat per la freqüència del senyal elèctric, l'alineació és un problema en els experiments d'espectroscòpia làser on es fa un escombrat de freqüència. Per eliminar això, es pot fer funcionar un AOM en la configuració de doble pas, que compensa automàticament les desviacions de l'angle del feix. En aquesta configuració, el feix s'envia primer a través de l'AOM, abans de patir una rotació de polarització de 90˚ (normalment amb una placa de quart d'ona i un mirall), i després torna a través de l'AOM, on el cristall el desvia de nou amb el mateix angle. Finalment, la llum de retorn es divideix mitjançant un divisor de feix polaritzador. En aquesta configuració, el canvi de freqüència de sortida és el doble de la freqüència d'accionament elèctric.

Aplicacions Commutació Q Amplificadors regeneratius Abocament de cavitats Modelatge Vibròmetre làser Doppler Escàner de pel·lícules Microscòpia confocal Detecció heterodina de matrius sintètiques Imatges hiperespectrals

Referències

Categoria:Òptica