Un modulador acústico-óptico ( AOM ), también llamado celda de Bragg o deflector acústico-óptico ( AOD ), utiliza el efecto acústico-óptico para difractar y cambiar la frecuencia de la luz utilizando ondas sonoras (normalmente en radiofrecuencia ). Se utilizan en láseres para conmutación Q , en telecomunicaciones para modulación de señales y en espectroscopia para control de frecuencia. Un transductor piezoeléctrico está unido a un material como el vidrio. Una señal eléctrica oscilante hace vibrar el transductor, lo que crea ondas sonoras en el material. Estas pueden considerarse como planos periódicos móviles de expansión y compresión que cambian el índice de refracción . La luz entrante se dispersa (véase dispersión de Brillouin ) por la modulación del índice periódico resultante y se produce una interferencia similar a la difracción de Bragg . La interacción puede considerarse como un proceso de mezcla de tres ondas que da como resultado la generación de suma de frecuencias o la generación de diferencia de frecuencias entre fonones y fotones .
Un AOM típico opera bajo condiciones de Bragg , donde la luz incidente llega en un ángulo de Bragg desde la perpendicular de la propagación de la onda de sonido. [1] [2]
Cuando el haz de luz incidente está en un ángulo de Bragg, surge un patrón de difracción donde se produce un orden de haz difractado en cada ángulo θ que satisface: [3]
Aquí, m = ..., −2, −1, 0, +1, +2, ... es el orden de difracción, λ es la longitud de onda de la luz en el vacío y Λ es la longitud de onda del sonido. [4] Nótese que el orden m = 0 viaja en la misma dirección que el haz incidente.
La difracción a partir de una modulación sinusoidal en un cristal delgado produce principalmente órdenes de difracción m = −1, 0, +1 . La difracción en cascada en cristales de espesor medio produce órdenes de difracción más altos. En cristales gruesos con modulación débil, solo se difractan los órdenes coincidentes en fase ; esto se denomina difracción de Bragg . La desviación angular puede variar de 1 a 5000 anchos de haz (la cantidad de puntos resolubles). En consecuencia, la desviación suele estar limitada a decenas de milirradianes .
La separación angular entre órdenes adyacentes para la difracción de Bragg es el doble del ángulo de Bragg, es decir
La cantidad de luz difractada por la onda sonora depende de la intensidad del sonido. Por lo tanto, la intensidad del sonido se puede utilizar para modular la intensidad de la luz en el haz difractado. Normalmente, la intensidad que se difracta en el orden m = 0 se puede variar entre el 15% y el 99% de la intensidad de la luz de entrada. Del mismo modo, la intensidad del orden m = +1 se puede variar entre el 0% y el 80%.
Una expresión de la eficiencia en orden m = +1 es: [5]
donde la excursión de fase externa
Para obtener la misma eficiencia para diferentes longitudes de onda, la potencia de RF en el AOM tiene que ser proporcional al cuadrado de la longitud de onda del haz óptico. Tenga en cuenta que esta fórmula también nos dice que, cuando comenzamos con una potencia de RF alta P , puede ser mayor que el primer pico en la función seno al cuadrado, en cuyo caso, a medida que aumentamos P , nos asentaríamos en el segundo pico con una potencia de RF muy alta, lo que provocaría una sobrecarga del AOM y un posible daño al cristal u otros componentes. Para evitar este problema, siempre se debe comenzar con una potencia de RF muy baja y aumentarla lentamente hasta asentarse en el primer pico.
Tenga en cuenta que hay dos configuraciones que satisfacen la condición de Bragg: si el componente del vector de onda del haz incidente en la dirección de propagación de la onda de sonido va en contra de la onda de sonido, el proceso de difracción/dispersión de Bragg dará como resultado la máxima eficiencia en m = +1 orden, que tiene un cambio de frecuencia positivo; sin embargo, si el haz incidente va a lo largo de la onda de sonido, se logra la máxima eficiencia de difracción en m = -1 orden, que tiene un cambio de frecuencia negativo.
Una diferencia con la difracción de Bragg es que la luz se dispersa desde planos en movimiento. Una consecuencia de esto es que la frecuencia del haz difractado f en el orden m se verá desplazada por efecto Doppler en una cantidad igual a la frecuencia de la onda sonora F .
Este cambio de frecuencia también se puede entender por el hecho de que la energía y el momento (de los fotones y fonones ) se conservan en el proceso de dispersión. Un cambio de frecuencia típico varía de 27 MHz, para un AOM menos costoso, a 1 GHz, para un dispositivo comercial de última generación. En algunos AOM, dos ondas acústicas viajan en direcciones opuestas en el material, creando una onda estacionaria . En este caso, el espectro del haz difractado contiene múltiples cambios de frecuencia, en cualquier caso múltiplos enteros de la frecuencia de la onda sonora.
Además, la fase del haz difractado también se verá desplazada por la fase de la onda sonora. La fase puede modificarse en una cantidad arbitraria.
Las ondas acústicas transversales colineales o las ondas longitudinales perpendiculares pueden cambiar la polarización . Las ondas acústicas inducen un cambio de fase birrefringente , como en una celda de Pockels [ dudoso – discutir ] . El filtro acústico-óptico sintonizable, especialmente el deslumbrador , que puede generar formas de pulso variables, se basa en este principio. [6]
Los moduladores acústico-ópticos son mucho más rápidos que los dispositivos mecánicos típicos, como los espejos inclinables. El tiempo que tarda un AOM en desplazar el haz saliente está limitado aproximadamente al tiempo de tránsito de la onda de sonido a través del haz (normalmente de 5 a 100 ns ). Esto es lo suficientemente rápido como para crear un bloqueo de modelo activo en un láser ultrarrápido . Cuando se necesita un control más rápido, se utilizan moduladores electro-ópticos . Sin embargo, estos requieren voltajes muy altos (por ejemplo, 1...10 kV ), mientras que los AOM ofrecen un mayor rango de deflexión, un diseño simple y un bajo consumo de energía (menos de 3 W ). [7]
