ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G02F1/39 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для получения в широком диапазоне длин волн электромагнитного, в том числе и светового когерентного излучения.

Известны различные преобразователи длины волн светового излучения, начиная от лазеров на красителях с оптической накачкой и заканчивая различными типами параметрических преобразователей с повышением и понижением несущей выходного излучения. Все эти типы преобразователей имеют один существенный недостаток, связанный с тем, что они требуют в качестве накачки энергию в виде дорогостоящего мощного оптического излучения, для получения которого используют различного типа газоразрядные лампы или мощные лазеры. Это приводит к тому, что общие габариты преобразователей гораздо больше габаритов той оптической среды, в которой производится непосредственно преобразование.

Прототипом является параметрический оптический преобразователь с повышением частоты [1, с. 78-94] В таком преобразователе преобразование осуществляют в нелинейной оптической среде в качестве которой используются нелинейные кристаллы типа LiNbO₃. В такой кристалл под определенным углом к кристаллографическим осям вводят преобразуемое излучение и накачку, представляющую собой оптическое излучение. В результате преобразования на выходе получают излучение либо с суммарной несущей ω = ω_i+ω_p, где ω_i несущая входного излучения, ω_p несущая накачки, либо с разностной частотой . Легко видеть, что для заметного сдвига несущей выходного излучения несущая накачки ω_p должна быть сравнима с ω_i, т. е. накачка должна находиться в оптическом диапазоне. Недостатком такого преобразователя является необходимость в дорогостоящем оптическом источнике накачки. Кроме того, при фиксированной ω_p выходное излучение может быть получено только с двумя несущими . Для перестройки ω требуется перестройка w_p и изменение углов, под которыми накачка и преобразуемое излучение вводятся в оптическую среду.

Наконец, в рассматриваемом прототипе требуется нелинейная оптическая среда. Хотя таких сред существует достаточно много, но все они имеет в тысячи раз большее затухание, чем лучшие линейные среды, например, среды на основе стекол, из которых изготовляются волоконные световоды с затуханием менее 1 Дб/Км. Все перечисленные недостатки устраняются в предлагаемом изобретении.

Сущность изобретения состоит в следующем.

В световод изготовленный из линейной среды вводятся электромагнитное излучение и бегущая акустическая волна, для которой этот световод одновременно является и звукопроводом. Из-за эффекта фотоупругости происходит изменение показателя преломления областей световода, пропорциональное вызванной акустической волной деформации среды. При этом в световоде образуется двигающаяся со скоростью акустической волны система параллельных друг другу областей с увеличенным показателем преломления. Форма звукопровода такова, что по мере продвижения каждая такая область уменьшается в объеме. В зависимости от соотношения длины акустической волны Λ и длины электромагнитной волны l либо каждая из таких областей является подвижным диэлектрическим резонатором, который может сохранить и переносить введенное в него излучение, либо вся система подвижных областей является подвижным распределенным брегговским отражателем (РБО), созданным акустической волной. В любом случае введенное в световод излучение сжимается либо за счет того, что в процессе движения сокращаются поперечные размеры содержащего его подвижного резонатора, либо за счет того, что в качестве одной из отражающих поверхностей резонатора, образованного из всего световода, выступает подвижной РБО, который подобно поршню сжимает находящееся в световоде излучение. При сжатии излучения увеличивается его несущая и пропорционально ей энергия запасенного излучения. Если бегущую акустическую волну пустить в обратном направлении, то происходит расширение запасенного в резонаторах излучения и длина волны получаемого излучения будет при этом уменьшаться.

На фиг.1 показано несколько вариантов звукопроводов, в которых может осуществляться преобразование излучения. Для всех вариантов предполагается, что бегущая акустическая волна распространяется сверху вниз; на фиг.2 одна из возможных конструкций преобразователя, состоящая из световода 1, известного призменного устройства 2 для ввода преобразуемого излучения, нескольких аналогичных устройств 3, 4 для вывода преобразованного излучения, пьезоэлектрического преобразователя 5 для возбуждения в звукопроводе акустической волны, поглощающей вставки 6 для подавления отражений бегущей акустической волны от конца звукопровода.

Работу преобразователя с использованием подвижного РБО проще объяснить на примере частного случая, когда звукопровод представляет собой диск, так как в этом случае для резонаторных мод существуют аналитические выражения, однако следует сначала отметить свойства плоских РБО. Прежде имеет смысл рассмотреть взаимодействие волн в известном плоском распределенном брегговском отражателе (РБО), созданном плоской акустической волной. Такой РБО является одним из основных компонентов акустооптики и широко используется в объемных акустооптических модуляторах, дифлекторах, спектроанализаторах и т. п. [2] Известно, что плоская световая волна с длиной волны l, падающая под углом q = arcsin(λ/2Λ) к плоскостям равных фаз плоской бегущей акустической волны, изменяет направление своего распространения на угол 2θ. При этом несущая световой волны изменяется на W, где Ω и L несущая и длина акустической волны [3] Ниже показано, что в аналогичной ситуации для цилиндрических волн имеют место качественно иные эффекты.

За основу анализа примем результаты, полученные при рассмотрении взаимодействия плоских бесконечных волн со слабой распределенной связью, возникающей между ними в плоской периодической структуре [3] Эти результаты сводятся к следующему. Полное отражение от бесконечного РБО имеет место в том случае, если

где n показатель преломления среды;
m коэффициент модуляции показателя преломления акустической волной;
угол ψ равен фазе акустической волны.

Если выбрать направление оси z противоположным направлению распространения акустической волны, а ось x в плоскости падения световой волны и считать, что n изменяется в соответствии с выражением

Комплексные амплитуды a и b падающей и отраженной волн уменьшаются по модулю и изменяются в направлении z в соответствии с выражениями
(5),
где
φ = arg(κ/(-γ+jδ)) (6)
В результате эти волны образуют затухающую в направлении z стоячую волну, амплитуда которой изменяется в соответствии с выражением
E(z) = 2E_oexp(-γz-jφ/2)cos(πz/Λ-φ/2) (7).

При z=0 коэффициент отражения
Г = b/a = exp(-jφ/2) (8).

В соответствии с (2), (6), (8) при z=0 φ = -Ωt т. е. фаза отраженной волны φ относительно фазы падающей равномерно изменяется во времени из-за движения объемной решетки.

Переходя от плоских волн и РБО к цилиндрическим, рассмотрим в цилиндрической системе координат (Φ,r) взаимодействие бегущей по азимуту и стоячей вдоль r цилиндрической световой волны
J_l(βr)exp(-jωt-jmΦ) (9)
с бегущей к оси цилиндрической азимутально однородной акустической волной с продольными колебаниями, которая создает соответствующую бегущую волну изменения показателя преломления
mH(2)o

(Br)exp(-jΩt) (10),
где азимутальный индекс 1 целое, равное количеству вариаций поля при изменении азимута Φ на 2π;
J₁(x) функция Бесселя с индексом 1;
H(2)o(x) функция Ханкеля, равная H(2)o(x) = J_o(x)-JN_o(x), здесь N₀(x) функция Неймана [3]
Поскольку при любом r должно выполняться условие
β_Φ(r)²+β_r(r)²= β² (11), где β_Φ и β_r
соответственно азимутальная и радиальная компоненты волнового вектора β, то пусть при r=r₀ имеем
(12)
где
Тогда в соответствии с (12) на расстоянии r от центра
β_Φ= l/r (13).

К оси цилиндра при r < ρ_o амплитуда волны быстро без осцилляций уменьшается как J₁(x) при x < 1. Таким образом, акустика r = ρ_o является одной отражающей стенкой для поперечного резонанса вдоль r. Второй отражающей стенкой является рассматриваемый ниже подвижной цилиндрический РБО, созданный бегущей акустической волной. Между этими стенками по кольцу распространяется бегущая световая волна, в которой в поперечном сечении (вдоль радиуса) поле описывается функцией J_l(βr) В результате имеем цилиндрический резонатор бегущей волны для азимутальных типов колебаний в виде волны типа "шепчущей галереи" [5] в котором возбуждена мода H_lro, где l, r, o количество вариаций соответственно по азимуту, радиусу и оси цилиндра.

Что касается акустической волны, то ее амплитуда пропорциональна r^-1/2 и вариации вдоль азимута отсутствуют. Чтобы отсутствовали отражения от центра, распространяющиеся в обратную сторону, будем считать, что середина цилиндра с радиусом выполнена из поглощающего звуковую волну материала с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению окружающей ее среды. На расстояниях много больших L, т. е. при x >> 1, корни функции J₀(x) расположены практически на одинаковом расстоянии друг от друга. Поэтому будем полагать, что на этих расстояниях, где и происходит взаимодействие, длина акустической волны постоянна и равна L.

Переходя от описания структуры волн к анализу их взаимодействия, будем иметь в виду, что при r ≫ Λ и ρ ≫ r_o волны в каждом отдельном сегменте можно рассматривать как плоские. Поэтому для получения РБО необходимо, чтобы β_r(r) = B/2 или θ = arcsin[B/(2β)]. Падающая на РБО под таким углом волна отразится от него с увеличением несущей на Ω, затем отразится от внутренней акустики r = ρ_o, снова отразится от РБО и при каждом отражении ее несущая будет возрастать на Ω. Поскольку период цилиндрического РБО L практически постоянен, а b_r(r) при θ <= 1 зависит от r, то выполнение условия sinθ = B/(2β) происходит только в определенном интервале радиусов r, размер которого можно принять за эффективную толщину РБО d. Оценим d для наиболее интересного для практики случая, когда λ ≪ Λ или θ ≪ 1 В этом случае для света в видимом диапазоне частота модуляции может быть выбрана в диапазоне F=50-500 МГц. Пусть sinθ = B/(2β) при r=r₀. Тогда на расстоянии r_o+Δr, где Δr ≪ r в соответствии с (13) имеем β_Φ(r_o+Δr) = β_Φ(r_o)(1-Δr/r_o) и в соответствии с (11) β_r(r_o+Δr) = β(r_o)(1+Δr/r_o). В этом случае в соответствии с (7), (1) зависимость ослабления может быть представлена в виде
γ = (β/r_o)(mr_o/(2sinθ))²-Δr²)^1/2 (14)
Толщина слоя РБО d определяется тем интервалом, где γ > 0 Тогда из (14)
d = mr_o/sinθ (15)
и, интегрируя (14) в этом интервале, получим полное ослабление в слое РБО
σ = exp(∫γ(x)dx) = (π/2)βr_o(m/(2sinθ))² (16)
Как и предполагалось, при достаточно большом r₀ ослабление волны при прохождении через РБО может быть сделано сколь угодно большим. Заметим, что прошедшая через РБО волна уже находится в зоне прозрачности периодической структуры и поэтому уже никак не может уменьшить определенное выше ослабление.

Преобразование несущей сетовой волны связано с тем, что резонаторная мода в резонаторе при уменьшении радиуса его наружной стенки должна сохраняться, что может быть только при соответствующем уменьшении длины волны. Если длина волны уменьшается в q раз, то β_q= βq и радиус внутренней акустики, определяемый из условия β_qρ_q= l, уменьшается в q раз. При уменьшении радиуса внешней акустики в q раз β_r(r₀/q) возрастает в q раз. Таким образом, при r=r₀/q объемная решетка уже не будет РБО. Однако поскольку с уменьшением r значение β_r уменьшается и при r=r_q равно 0, то всегда найдется такое r в интервале ρ_o/q < r < r_o/q, где β_q= π/Λ и где объемная фазовая решетка выступает для волны с λ_q= λ/q в качестве РБО. Приравнивая радиальные постоянные распространения при r=r₀ и r = (1-ε)r_o/q имея в виду, что β_Φ(r) = β_Φ(r_o)r_o/r, получим следующее уравнение для определения

характеризует степень более быстрого сокращения внешней акустики. Откуда ε = 2(β_r(r_o)/β_Φ(r_o))²/(1-1/q²) Поскольку , то ε является величиной второго порядка малости относительно q Тем не менее при преобразовании внешняя акустика сокращается несколько быстрее внутренней, особенно при tgθ > 1.

Из приведенного рассмотрения следует, что в том случае, когда РБО обеспечивает практически полное отражение, т. е. когда β_r= π/Λ длина волны λ преобразованного света не зависит от коэффициента модуляции, а определяется только r. С ростом коэффициента модуляции m увеличивается только толщина РБО, но скорость преобразования не увеличивается. Таким образом преобразование несущей осуществляется в объеме РБО, где автоматически устанавливается соответствие между увеличением несущей и скоростью перемещения РБО. В самом резонаторе, т. е. в области между внешней и внутренней акустиками соответствие между b_r и π/Λ отсутствует. Поэтому, хотя резонатор и заполнен подвижной объемной фазовой решеткой, но результирующий обмен энергией между световой и акустической волной равен нулю. Фактически преобразование энергии происходит в объеме РБО.

Следует отметить, что ширина резонатора оказывается намного меньше ширины РБО. Например, при m=10^-4 sinθ = 0,01 имеем ρ_o=(1-10^-4/2)r₀, а в соответствии с (15) d=10^-2r₀. Таким образом, преобразуемое излучение сосредоточено в узком по сравнению с радиусом цилиндра кольце, которое по мере преобразования постепенно со скоростью акустической волны перемещается к центру. В том случае, если на расстоянии r₀ в цилиндрический резонатор непрерывно вводится излучение с несущей ω_o, то вдоль r будет существовать излучение с различными несущими ω = ω_or_o/r, находящимися в разных стадиях преобразования. При уменьшении r в соответствии с (15), (16) уменьшается эффективная толщина d и эффективное ослабление σ. Например, при указанных параметрах и r_o= 10 см, Λ_o= 0,6 мкм имеем d=100 мкм, а проходящая через РБО волна ослабляется в exp(-40) раз.

При необходимости ослабление σ может быть увеличено, если вместо азимутально однородной акустической волны взять акустическую волну с азимутальным индексом l, которая изменяет показатель преломления в соответствии с n = n_o(1+mH(2)L

(Br)exp(jΩt)), где l выбран таким, что B_r(r)/B = sinθ. В этом случае с ростом r увеличивается B_r(r), также как и β_r(r) Поэтому рассогласование между B_r(r) и β_r(r) нарастает более медленно.

Таким образом, если через призму 2 (фиг.1) ввести световое излучение, которое возбуждает в световоде азимутальную волну типа "шепчущей галереи", то бегущая акустическая волна, возбуждаемая пьезоэлектрическим преобразователем 6, будет увлекать эту волну. Из-за того, что поперечное сечение световода уменьшается, будет сжиматься введенное в световод излучение и его длина волны будет пропорционально уменьшаться. Размещая вдоль длины световода призмы 3, 4 и регулируя связь между призмами со световодом, можно выводить требуемую часть излучения с требуемой длиной волны.

Как показывают оценки, при коэффициенте модуляции для световода с диаметром D= 125 мкм требуется акустическая мощность 0,35 Вт. Уменьшение длины волны с 1,0 до 0,5 мкм может быть осуществлено в световоде длиной около 10 см при частоте модуляции 150 МГц. Площадь поперечного сечения световода может выбираться в диапазоне от 10^-8 до 10^-4 м², т.е. в 10⁴ раз. Во столько же раз может изменяться предельно допустимая мощность преобразуемого излучения.

Литература
1. Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики. М. Мир, 1989.

2. Балакший В. И. Парыгин В.Н. Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. М. Радио и связь, 1985, 280 с.

3. Хаус Х. Волны и поля в оптоэлектронике. М. Мир, 1988, 432 с.

4. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. М. Радио и связь, 1988, 440 с.

5. Диэлектрические резонаторы./Под ред. М.Е. Ильченко. М. Радио и связь, 1989, 328 с.

Использование: параметрический усилитель и преобразователь длины волны электромагнитного излучения относится к квантовой электронике. Сущность изобретения: отличительной особенностью является использование в качестве накачки акустической волны. За счет энергии акустической волны, которой модулируется показатель преломления линейного стеклянного световода, преобразователь выдает когерентное оптическое излучение, несущая частота которого может выбираться в любом диапазоне, где затухание световода достаточно мало. При преобразовании с повышением частоты одновременно происходит усиление мощности преобразуемого излучения. В отсутствии потерь коэффициент усиления равен коэффициенту увеличения частоты выходного излучения. Для преобразования оптического излучения несущая акустической волны может выбираться в интервале 50-500 МГц. Преобразователь представляет собой стеклянный звукопровод с уменьшающимися поперечным сечением в направлении распространения акустической волны. 2 ил.

Параметрический усилитель и преобразователь длины волны электромагнитного излучения, состоящий из диэлектрика, в котором происходит усиление и преобразование вводимого под определенными углами электромагнитного излучения, и накачки, отличающийся тем, что в качестве диэлектрика используется линейный диэлектрический волновод, а в качестве накачки бегущая акустическая волна, для которой этот волновод является звукопроводом, форма звукопровода такова, что по мере распространения акустической волны его поперечное сечение постепенно уменьшается.