9.2.2.  Электрооптическая модуляция добротности

Этот метод моду­ляции добротности основан на использовании электрооптического эффекта – изменения показателя преломления среды под действи­ем внешнего электрического поля. Различают два электрооптических эффекта – квадратичный (эффект Керра) и линейный (эф­фект Поккельса). В первом случае изменение показателя прелом­ления пропорционально второй степени напряженности внешнего электрического поля, а во втором случае – первой степени. Эф­фект Поккельса существует лишь в кристаллических средах.

Рассмотрим электрооптическую модуляцию добротности резо­натора на основе эффекта Поккельса. Предварительно заметим, что, попадая в кристалл, световая волна превращается в две вол­ны, имеющие разные скорости (иначе говоря, разные показатели преломления). Эти волны поляризованы во взаимно-перпендикулярных плоскостях. Эта особенность распространения света в крис­таллической среде приводит, в частности, к известному явлению двулучепреломления.

В схеме лазера (рис. 9.4, б) на оси резонатора между активным элементом АЭ и выход­ным зеркалом ВЗ находятся два одинаковым образом ориентирован­ных поляризатора П₁ и П₂, выделяющих плоскость поляризации S, а между ними помещена так называемая ячейка Поккельса – кри­сталл между пластинами конденсатора. В пластинах имеется от­верстие для пропускания излучения.

Прежде, чем попасть в ячейку Поккельса, излучение проходит через поляризатор  и оказывается поляризованным в плоскости S. Представим это излучение в виде суммы двух волн, одна из которых поляризована вдоль оси х, а другая вдоль оси у (см. рис. 9.4, в); первая волна характеризуется внутри кристалла показате­лем преломления , а вторая – показателем преломления . Взаимная ориентация поляризатора и кристалла выбрана так, чтобы ось х составляла с плоскостью S угол 45°. В результате прохождения через кристалл указанные выше волны окажутся сдвинутыми по фазе на:

,                                               (9.2)

где l – длина кристалла по оси резонатора;  – длина волны из­лучения в вакууме. Показатели преломления  и  линейно за­висят от напряженности (Е) электрического поля в ячейке Поккель­са (напомним, что в этом и состоит суть эффекта Поккельса).

Показатели преломления  и  определяются следующим образом:

;         .

Здесь  – показатель преломления в отсутствие поля, r – одна из электрооптических постоянных данного кристалла. Итак,

.                                                     (9.3)

Заметим, что в отсутствие поля  и поэтому .

Подставляя выражение (9.3) в выражение  (9.2) и учитывая, что El = U, где через U обозначено напряжение, приложенное к кристаллу, находим:

.

Подберем значение напряжения так, чтобы . Такое напря­жение называют полуволновым, поскольку при этом волны, прошедшие кристалл, оказываются сдвинутыми друг относительно друга на половину длины волны. Из рис. 9.4, в (показан участок между поляризаторами П₁ и П₂) нетрудно увидеть, что при таком сдвиге результирующая световая волна, вышедшая из кристалла и падающая на поляризатор , будет поляризова­на в плоскости _{trono.ru/wp-content/image_post/kvant_opt/pic177_14.gif>}, перпендикулярной к плоскости S. Произошел, как говорят, поворот плоскости поляризации света. В данном случае этот поворот произошел на угол 90°. Ясно, что поляризатор  не пропустит световой волны.

Таким образом, когда на ячейку Поккельса не подается напряжение (ячейка выключена), свет почти беспрепятственно проходит сквозь систему из поляризаторов и ячейки Поккельса. Происходит лишь некоторое поглощение света в этих элементах схемы. Когда же на ячейку Поккельса подается напряжение (ячейке включена), свет не проходит сквозь указанную систему. Иными словами, при выключенной ячейке добротность резонатора максимальна, а при включенной – минимальна. Время переключения добротности зависит от скорости изменения напряжения, подавае­мого на ячейку Поккельса. Это время составляет примерно 10^-9 с, т.е. существенно меньше, чем при оптико-механической модуля­ции.

Ячейка Поккельса в сочетании с поляризаторами действует подобно затвору, пропускание которого можно быстро изменять (от максимального к минимальному и наоборот). Используется термин «электрооптический затвор».

Недостатком электрооптической модуляции добротности является то, что для создания требуемой напряженности поля необходимо достаточно высокое напряжение управления (до единиц киловольт). Однако существенное уменьшение размеров элементов в оптоэлектронных интегральных схемах позволило снизить рабочие напряжения до единиц – десятков вольт.