Материал: Sb95840

I, мА 300

250

200

150

100

50

0

U, В

Рис. 2.6. ВАХ лазерного диода накачки

На лицевую панель блока питания и контроля выведены два потенциометра для грубой и плавной регулировки тока I накачки ИППЛ и контрольный миллиамперметр. ВАХ лазера накачки представляет собой зависимость, характерную для полупроводниковых диодов (рис. 2.6). ВАХ необходима для

определения мощности накачки Pнак = UI и полного КПД генерации второй гармоники.

Порядок выполнения работы

1.Детально ознакомиться с описанием лабораторной работы и расположением основных элементов установки, органов управления и контроля.

2.Снять зависимости интенсивности составляющих излучения первой

Iλ1 = f (I), второй Iλ2 = f (I) гармоник и накачки Iλ3 = f (I) в диапазоне изменения тока 80…300 мА. При каждом значении тока необходимо делать выдержку в течение 1…2 мин. При регистрации зависимостей зафиксировать токи, при которых возникает генерация на каждой из трех длин волн.

3. Установить на пути лазерного пучка РТЭ и снять зависимость интегральной мощности излучения лазера от тока. Диапазон изменения тока и выдержки должны соответствовать п. 2.

Содержание отчета

1.Цель, содержание работы, блок-схема лабораторной установки.

2.Таблицы всех экспериментальных и расчетных зависимостей.

21

3.Три спектра лазера при токах, соответствующих началу, середине и правому краю диапазона изменения.

4.Графики зависимостей истинных значений интенсивности первой Iλ1 =

=f (I), второй Iλ2 = f (I) гармоник и накачки Iλ3 = f (I).

5.Таблица расчетных соотношений истинных значений интенсивности

первой Iλ1, второй Iλ2 гармоник и накачки Iλ3 в зависимости от тока лазера

Iλ1 : Iλ2 : Iλ3 = f (I).

6.График зависимости интегральной мощности излучения лазера от тока накачки P = f (I).

7.Расчет и графики абсолютных значений мощности первой PI = f (I) и

второй PII = f (I) гармоник лазерного излучения с учетом пп. 4 и 6 (например,

PI = P[Iλ1/( Iλ1 + Iλ2 + Iλ3)]).

8. Расчет и графики КПД преобразования первой гармоники во вторую

II = PII / PI = f (PI).

9.Расчет и графики КПД генерации второй гармоники λ2 = PII / Pнак =

=f (Pнак), где Pнак = UI.

10.Выводы по работе.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКОГО МОДУЛЯТОРА

Цель работы – ознакомление с устройством, принципом действия и характеристиками электрооптического модулятора (ЭОМ) на основе эффекта Поккельса.

Основные положения. Электрооптические модуляторы – наиболее распространенные модуляторы лазерного излучения. Оптическое воздействие

конкретной среды на излучение зависит от показателей преломления nx, ny, nz по различным направлениям x, y, z. Возможны три варианта:

1)nx = ny = nz – изотропная среда;

2)nx = ny ≠ nz – одноосный кристалл;

3)nx ≠ ny ≠ nz – двухосный кристалл (общий случай).

22

Выбрав систему координат, можно построить некую поверхность второго порядка – эллипсоид показателей преломления, описываемую выражением

Подобный эллипсоид называют оптической индикатрисой. Для изотропной среды индикатриса – шар, любое сечение – окружность; одноосный кристалл – индикатриса – симметричный эллипсоид, в перпендикулярном сечении являющийся окружностью; двухосный кристалл – индикатриса – несим-

метричный (сплюснутый) эллипсоид, сечение – эллипс (nx ≠ ny ≠ nz).

В анизотропной среде вследствие неравенства показателей преломления для составляющих волн, имеющих различную поляризацию, возникает эффект двулучепреломления, которое может быть естественным и наведенным, возникающим под действием электрического поля. В ЭОМ используется наведенное двулучепреломление или электрооптический эффект.

Двулучепреломление в электрооптических кристаллах возникает под влиянием приложенного к электродам напряжения U. Возникающая под действием электрического поля E анизотропия вещества (изменение диэлектрической проницаемости) и, как следствие, показателя преломления приводит к возникновению “обыкновенного” – no const E и “необыкновенного” –

ne f E лучей. Следствием электрооптического эффекта является “расщепление” исходной падающей на вещество линейно поляризованной волны на две ортогональные составляющие, распространяющиеся с различными скоростями. В результате на выходе возникает разность фаз двух волн и изменяется вид исходной поляризации.

По отношению к напряженности электрического поля различают линейный электрооптический эффект – эффект Поккельса и квадратичный – эффект Керра. Степень наведенной анизотропии при линейном электрооптическом эффекте выше, чем при квадратичном, поэтому большинство ЭОМ используют эффект Поккельса, который проявляется в таких кристаллах, как дигидрофосфаты аммония (ADP) и калия (KDP), дейтерированные дигидрофосфаты аммония (DADP) и калия (DKDP), арсенид галлия, ниобат лития, титанат бария, хлорид меди и др. Эффект Керра наблюдается в жидкостях и газах (нитробензол, сероуглерод и др). При эффекте Керра

23

ne E no rK E 2 , где rK – электрооптическая постоянная Керра. Для линейного электрооптического эффекта справедливо выражение

ne no n no no3rPE ,

где rP – электрооптический коэффициент.

При распространении линейно поляризованного излучения лазера с длиной волны и мощностью P0 вдоль геометрической оси z двулучепреломляющего кристалла происходит его разложение на взаимно перпендикулярно поляризованные “обыкновенный” и “необыкновенный” лучи, показатели преломления nо и nе для которых различны, причем nе > nо. Поскольку ne no , то необыкновенный луч будет распространяться медленнее обыкновенного. Разность скоростей распространения после прохождения кристалла протяженностью L приведет к сдвигу фаз на выходе между ортогональными составляющими оптической волны:

(E || k), и поперечный, соответствующий случаю (E k). При использовании продольного эффекта Поккельса полупрозрачные электроды, к которым подводится управляющее напряжение U, наносят на торцы кристалла, пер-

продольном эффекте Поккельса не зависит от геометрии кристалла.

Значения rP невелики и составляют 10–9 В ∙ м–1. Использование продольного электрического поля улучшает частотные свойства ЭОМ за счет уменьшения паразитной межэлектродной емкости, но требует существенного повышения напряжения смещения U для обеспечения необходимого сдвига фаз.

Чаще используется поперечный эффект Поккельса, обеспечивающий при тех же габаритах кристалла и управляющих напряжениях большие значения напряженности электрического поля E = U/d, где d – расстояние между гранями кристалла, на которые наносятся электроды (рис. 3.1).

24

U

Рис. 3.1. Схема ЭОМ на основе поперечного эффекта Поккельса

т. е. величина фазового сдвига линейно зависит от напряженности электрического поля E. Так как L > d или L >> d, то при прочих равных условиях рабочие напряжения U могут иметь меньшие значения по сравнению с продольным эффектом Поккельса. При этом снизу d ограничено краевыми эффектами, возникающими вследствие уменьшения входной апертуры.

Входное излучение должно быть линейно поляризовано. Вектор Eвх

должен быть ориентирован под углом 45о к направлениям плоскостей поля-

ризации “обыкновенного” и “необыкновенного” лучей. Для этого вектор Eвх линейно поляризованного входного пучка должен быть ориентирован вдоль диагонали сечения кристалла. При изменении приложенного напряжения U изменяется разность фаз на выходе кристалла и, как следствие, изменяется вид поляризации излучения, прошедшего через кристалл. В общем случае излучение на выходе кристалла поляризовано эллиптически, т. е. суммарный вектор электрического поля двух волн, изменяясь во времени, описывает эллипс в плоскости, перпендикулярной z. Изменение U будет изменять эксцентриситет эллипса – соотношение между большой и малой осями. В итоге начальная линейная поляризация в зависимости от значения может трансформироваться в эллиптическую, круговую или линейную, но перпендикулярную к начальной поляризации. Если после кристалла установить анализатор, то появится возможность преобразовывать изменения характера поляризации излучения, прошедшего кристалл, в изменения мощности на

выходе ЭОМ P = f (U). Направление пропускания анализатора может быть перпендикулярно Eвх – режим скрещенных полей или параллельно Eвх – ре-

25