3. Акустооптическая модуляция добротности.

В основе действия акустооптического затвора лежит явление дифракции света на ультразвуковой волне. Предположим, что в некоторой среде распространяется плоская ультразвуковая волна, возбуждаемая пьезопреобразователем; при этом в среде возникают механические напряжения, связанные с локальными сжатиями и растяжениями. Через фотоупругий эффект эти напряжения воздействуют на показатель преломления среды. В результате в среде образуются различающиеся показателем преломления периодические слои (пространственный период равен длине звуковой волны ), перемещающиеся по среде со скоростью звука. При прохождении световой волны через такую среду будет иметь место дифракция на пространственной периодической структуре, связанной с периодически изменяющимся показателем преломления.

Полагая, что звуковая волна частоты  распространяется вдоль оси y, представим показатель преломления среды в виде

n(y,t)=n + n sin[(2y/)-t] . (3.1)

Здесь n - показатель преломления среды в отсутствие ультразвуковой волны, n - амплитуда изменения показателя преломления. Величина n определяется амплитудой упругой деформации, с которой она связана через упруго-оптические постоянные среды; в свою очередь, амплитуда упругой деформации зависит от мощности звуковой волны.

Будем считать, что выполнено условие

l /² > 1, (3.2)

где  - длина световой волны в среде; l - длина акустооптического взаимодействия (путь, проходимый световым пучком в объеме среды, охваченным звуковой волной). При выполнении условия (3.2) имеет место дифракция Брэгга.

Принцип действия акустооптического затвора на основе дифракции Брэгга поясняет рис.2. Здесь H - ширина светового пучка; цифрами обозначены направления распространения пучков: 1 -звукового, 2 - падающего светового, 3 - прошедшего светового, 4 - дифрагированного светового (преломление света на границе затвора на рисунке не показано). Угол _Б (угол Брэгга) определяется соотношением

Sin _Б = /2 . (3.3)

Затвор ориентируют внутри резонатора лазера таким образом, чтобы направление падающего светового пучка внутри затвора соответствовало условию (3.3). Если пьезопреобразователь выключен, световой пучок проходит через затвор, не изменяя направления (затвор открыт). При включении пьезопреобразователя падающий световой пучок (интенсивность пучка I₀) будет частично преобразовываться в дифрагированный пучок (интенсивность I₁ ), направление которого образует угол 2_Б с направлением падающего пучка. Чем ближе к единице отношение I₁/I₀, тем меньше пропускание затвора в направлении падающего светового пучка. Отношение I₁/I₀ является мерой эффективности акустооптического затвора.

Рис.2 Ход лучей в акустооптическом модуляторе добротности.

Акустооптические затворы применяют преимущественно в лазерах с непрерывной накачкой, а электрооптические - с импульсной. Это обусловлено тем, что акустооптические затворы позволяют работать при очень высоких частотах модуляции потерь. При низких значениях коэффициента усиления, характерных для лазеров с непрерывной накачкой, существует возможность срыва генерации уже при относительно небольших потерях, вносимых затвором в резонатор. Поэтому в таких лазерах могут эфективно использоваться акустооптические затворы как обладающие наиболее низкими потерями в открытом состоянии (на порядок ниже, чем в электрооптических затворах). Тот факт, что эти затворы плохо запираются, не играет важной роли при условии, что частота следования световых импульсов достаточно высока (5-50 кГц для непрерывно накачиваемого лазера на гранате с неодимом). Однако при низких частотах следования импульсов или, тем более, в режиме одиночных импульсов потери, вносимые акустооптическим затвором в запертом состоянии, могут оказаться недостаточными для срыва генерации непрерывно накачиваемого лазера (и, следовательно, для реализации режима модуляции добротности).