Для исследования электрооптических модуляторов дифракционного типа на основе кристалла ниобата лития х-среза с непрозрачными электродами из алюминия была разработана программа для расчета электрического, фазового пропускания, диаграммы направленности и модуляционной характеристики. При моделировании задавались следующие параметры кристалла ниобата лития n0=2,286, ne=2,200, r13=9,6пм/В, r33=30,9пм/В, εx=83, εz=24,5.
Рис. 1. Конструкция электрооптического модулятора дифракционного типа: 1 — изолирующее покрытие, 2 — управляющие электроды, 3 — электрооптический кристалл ниобат лития х-среза
При моделировании диаграммы направленности и модуляционной характеристики задавались следующие исходные данные: межэлектродный зазор b=132,5мкм,период электродов d=290мкм,толщина кристалла h =1мм,длинаволны 632,8 нм.
Рис. 2. Расчетная диаграмма направленности решетки при напряжениях: а) 0 В; б) 400 В; в) 800 В; г) 1000 В
При отсутствии напряжения максимальная интенсивность наблюдается у 0-го и ±1 порядков. При увеличении напряжения от 0 до 1000 вольт наблюдается уменьшение интенсивности 0-го и ±1 (рисунок 2 б, в) порядка до 0 и увеличение±01 порядка до 90 % от исходного значения 0-го порядка при 0 В (рисунок 2 г).
Рис. 3. Зависимость интенсивности от напряжения
На рисунке 3 показано, что интенсивности 0-го и 1-го порядков убывают с ростом напряжения. С увеличением напряжения появляется новый 01-й порядок (рисунок 3), который равномерно возрастает и равен 90 % от 0-го порядка при напряжении 0 В.
Для создания управляемых дифракционных решеток использовался электрооптический кристалл конгруэнтного ниобата лития (LiNbO3) х-среза. Чистота поверхности кристалла соответствовала классу PIII по ГОСТ 11141–84, неплоскостность поверхности — не более 10 угл. сек, шероховатость Ra<2 нм.
Для управляемых дифракционных решеток с потенциалами вида v0v0 период электродов составлял 290±2,5 мкм, межэлектродный зазор — 132,5±2,5 мкм. Электроды покрывались прозрачным акриловым лаком, обеспечивающим электрическую изоляцию. Фотография экспериментального образца приведена на рисунке 4.
Рис. 4. Управляемая дифракционная решетка на основе ниобата лития х-среза с потенциалами вида v0v0 с непрозрачными электродами из алюминия
Управляемая дифракционная решетка (рисунок 5) формировалась на поверхности X-среза кристалла, обладающего максимальной чувствительностью к поперечному полю электродов Ez.
Рис. 5. Фотографии топологии электродов решетки: а) 10x увеличение; б) 4х увеличение
Электроды ориентировались перпендикулярно оптической оси Z кристалла.
Электрическая изоляция межэлектродных зазоров обеспечивалась прозрачным акриловым лаком Plastik 70 с электрической прочностью 70 В/мкм. Использование лака предотвращало поверхностный электрический пробой при напряжении более 500
Источником излучения служил лазерный модуль Griot HeNe 25-LHP-928–249 35мВт длиной волны 632,8 нм и с расходимостью не более 0,1–0,2 мрад.
Управление диаграммой направленности управляемых дифракционных решеток производилось аналоговым источником с напряжением до 800 В и пульсациями не более 0,2 В.
Диаграмма направленности регистрировалась ПЗС-камерой DCM310 с разрешением 2048x1536. Зависимость интенсивности 0-го дифракционного порядка от напряжения измерялась фотоприемником PM100D. Излучение в фотоприемник вводилось через кварцевое оптическое волокно с диаметром сердцевины 62,5 мкм.
При отсутствии напряжения на электродах управляемой дифракционной решетки присутствуют 0-ой и ±1 дифракционные порядки, определяемые дифракцией излучения на периодической амплитудной решетке электродов (рисунок 6, а). Увеличение напряжения от 0 до 800 В снижает интенсивности 0-го и ±1 порядков. При этом наблюдается появление новых дифракционных порядков ±01 (рисунок 6, б, в).
Рис. 6. Экспериментально наблюдаемые дифракционные порядки управляемой решетки: а) 0 В; б) 400 В; в) 800 В
Увеличение напряжения от 0 до 800 В снижает интенсивности 0-го порядка на 38 % от начального (рисунок 7). Сплошная линия соответствует возрастанию напряжения, пунктирная — убыванию.
Рис. 7. Измеренная модуляционная характеристика нулевого порядка I0(u) с помощью PM100D
Исследовано влияние приложенного напряжения на диаграмму направленности и модуляционную характеристику электрооптического модулятора дифракционного типа на основе х-среза ниобата лития с непрозрачными электродами из алюминия. Обнаружено уменьшение интенсивности 0-го и ± 1дифракционных порядков до 38 % при увеличении напряжения до 800 В.
Литература:
- Ярив А. Оптические волны в кристаллах: пер. с англ. [Текст] / А. Ярив, П. Юх. – М.: Мир, 1987. — 616 с.
- Паранин В. Д. Исследование механизмов управления характеристиками дифракционной решетки, выполненной на поверхности электрооптического кристалла ниобата лития [Текст]/ В. Д. Паранин // Журнал Технической Физики. — 2014. — Т. 84. – № 11. — С. 146–150.
- Достовалов А. А. Оптимизация топологии электродов управляемой дифракционной решетки для предотвращения электрического пробоя [Текст] / А. А. Достовалов, В. Д. Паранин // М.: ИСОИ РАН. – 2015. – С. 287–291.
- Teng S. Quasi-Talbot effect of a grating in the deep Fresnel diffraction region [Текст]/ S. Teng, X. Chen, T. Zhou, C. Cheng // J. Opt. Soc. Am. – 2007. — Vol. 24. – № 6. — Pp. 1656–1665.
