RU2648567C1 - Two-crystal acousto-optical frequency - Google Patents

Abstract

FIELD: information technology.

SUBSTANCE: invention relates to network communication technologies. Two-crystal acousto-optical frequency shifter of optical radiation with a two-fold frequency shift and stability of the angular position of the output beam, characterized in that stability of the angular position of the output light beam is ensured by the successive diffraction of the light beam in two symmetrically located acousto-optical cells with the same geometry of acousto-optical interaction, in this case, between the cells, a device for suppressing a part of the light beam that does not have a diffracted in the first cell with a polarization of an analogous polarization of the input beam is established.

EFFECT: technical result is to increase the reliability of equipment operation.

4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к прикладной оптике и может быть использовано в системах стабилизации частоты оптического излучения, создания реперов частоты оптического излучения, измерения частоты оптического излучения, в системах типа «Фонтан» эталонов частоты.The invention relates to applied optics and can be used in systems for stabilizing the frequency of optical radiation, creating benchmarks for the frequency of optical radiation, measuring the frequency of optical radiation, in "Fountain" systems of frequency standards.

Известны различные конструкции с двигателей частоты, например, представленный на Фиг. 1 (Review of scientific instrument 76,063112 (2005) Double-pass acousto-optic modulator system. E.A. Donley, T.P. Heavner, F. Levi, M.O. Tataw and S.R. Jefferts) и выбранный за прототип.Various designs with frequency motors are known, for example, as shown in FIG. 1 (Review of scientific instrument 76.063112 (2005) Double-pass acousto-optic modulator system. E.A. Donley, T.P. Heavner, F. Levi, M.O. Tataw and S.R. Jefferts) and selected for the prototype.

Двухкристальный акустооптический сдвигатель частоты (ДАОСЧ), в котором происходит последовательная дифракция светового излучения, в отличие от одинарных, обладает таким важным достоинством: как простота юстировки ДАОСЧ. В ДАОСЧ нет необходимости использовать фазовую пластину, объектив типа «кошачий глаз» и отражающее зеркало. Объектив типа «кошачий глаз» и отражающее зеркало необходимо очень точно юстировать. Кроме того, в отличие от АО ячеек СЧ, использующих объектив «кошачий глаз», в ДАОСЧ используются АО ячейки с анизотропной дифракцией. Эффективность анизотропной акустооптической дифракции на кристаллах парателлурита в десятки раз выше, чем эффективность изотропной акустооптической дифракции. Соответствующим образом снижается и управляющая мощность.A two-crystal acousto-optical frequency shifter (DAOCH), in which sequential diffraction of light radiation occurs, unlike single ones, has such an important advantage: ease of adjustment of the DAOCH. In DAOSCH there is no need to use a phase plate, a cat-eye lens and a reflective mirror. A cat-eye lens and a reflective mirror must be very precisely aligned. In addition, unlike AO cells of the midrange using a cat's-eye lens, DAOOS uses AO cells with anisotropic diffraction. The efficiency of anisotropic acousto-optic diffraction by paratellurite crystals is ten times higher than the efficiency of isotropic acousto-optic diffraction. The control power is accordingly reduced.

Недостатком такого устройства является существенно большая управляющая мощность, использование дополнительных оптических элементов (фазовой пластины, объектива типа «кошачий глаз» и зеркала, требующих точной юстировки).The disadvantage of this device is the significantly greater control power, the use of additional optical elements (phase plate, a cat-eye lens and mirrors requiring precise adjustment).

Также известен АОСЧ, использующий анизотропную дифракцию, но направление распространения продифрагировавшего излучения в нем зависит от частоты сдвига. Таким образом, необходимо механически подстраивать приемный тракт для каждой частоты сдвига.AOSCH is also known, using anisotropic diffraction, but the direction of propagation of diffracted radiation in it depends on the shear frequency. Thus, it is necessary to mechanically adjust the receiving path for each shear frequency.

Недостатком такого устройства является то, что при изменении значения сдвига частоты необходима механическая юстировка положения приемного объектива.The disadvantage of this device is that when changing the frequency shift value, a mechanical adjustment of the position of the receiving lens is necessary.

Решаемая настоящим изобретением задача - создание АОСЧ, лишенного недостатков ранее разработанных устройств. Разработанный ДАОСЧ не изменяет направление распространения оптического луча при изменении величины сдвига частоты оптического излучения, требует меньшей управляющей мощности, нет необходимости в использовании дополнительных оптических элементов, требующих прецизионной юстировки.The problem solved by the present invention is the creation of AOSCH, devoid of the disadvantages of previously developed devices. The developed DAOCH does not change the direction of propagation of the optical beam when the frequency shift of the optical radiation changes, it requires less control power, there is no need to use additional optical elements that require precise alignment.

Технический результат достигается за счет того, что устройство двухкристального акустооптического сдвигателя частоты оптического излучения с двукратным сдвигом по частоте и стабильность углового положения выходного пучка обеспечивается за счет последовательной дифракции светового пучка в двух симметрично расположенных акустооптических ячейках с одинаковой геометрией акустооптического взаимодействия, при этом между ячейками устанавливается устройство подавления непродифрагировавшей в первой ячейке части пучка света с поляризацией, аналогичной поляризации входного пучка. В двухкристальном АОСЧ в качестве материала АОЯ используется кристалл парателлурита. В качестве устройства подавления не продифрагировавшей в первой ячейке части пучка света может быть использован поляризатор.The technical result is achieved due to the fact that the device is a double-crystal acousto-optical frequency shift of the optical radiation with a double frequency shift and the stability of the angular position of the output beam is ensured by sequential diffraction of the light beam in two symmetrically located acousto-optic cells with the same geometry of acousto-optical interaction, while between the cells it is established a device for suppressing a part of a light beam with a polarization that is not diffracted in the first cell analogous to the polarization of the input beam. In the dual-crystal AOSCH, a paratellurite crystal is used as the AOI material. A polarizer can be used as a suppression device for the part of the light beam that has not diffracted in the first cell.

Роль устройства подавления непродифрагировавшего пучка может выполнять АОЯ, изготовленная таким образом, что последовательное отражение от одной грани и прохождение света через другую грань из первой АОЯ во вторую АОЯ обеспечивает подавление не продифрагировавшего излучения в первой АОЯ.The role of the device for suppressing the non-diffracted beam can be performed by the AOI, made in such a way that successive reflection from one face and the passage of light through the other side from the first AOI to the second AOI suppresses non-diffracted radiation in the first AOI.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг 1 представлена оптическая схема устройства-прототипа.Figure 1 presents the optical scheme of the prototype device.

На фиг. 2 представлена схема двухкристального акустооптического сдвигателя частоты, где 1 - АОЯ, 2 - поляризатор, Tr - ультразвуковой преобразователь, знаки ↑ и ο указывают состояния поляризации светового пучка.In FIG. 2 is a diagram of a two-crystal acousto-optical frequency shifter, where 1 is the AOI, 2 is the polarizer, Tr is the ultrasonic transducer, the signs ↑ and ο indicate the polarization states of the light beam.

На фиг. 3 представлена схема двухкристального акустооптического сдвигателя частоты, в котором селекция поляризаций обеспечивается конструкцией АОЯ.In FIG. Figure 3 shows a diagram of a two-crystal acousto-optical frequency shifter in which the selection of polarizations is provided by the AOJ design.

Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение (лазерный луч) последовательно проходит через первую АОЯ, испытывает акустооптическую дифракцию затем селективным элементом отсекается непродифрагировавшая часть излучения, затем попадает во вторую АОЯ, где происходит еще раз процесс АО дифракции. При этом в первую АОЯ входит луч необыкновенной поляризации (для оптически положительного кристалла) и в результате акустооптической дифракции переходит в обыкновенную поляризацию. В случае оптически отрицательного кристалла, входное излучение обыкновенной поляризации, продифрагировавшее необыкновенной. Частота излучения при этом сдвигается относительно частоты падающего излучения на частоту ультразвуковой волны, возбуждаемой в АОЯ. Выбором направления распространения света можно получить как положительное, так и отрицательное значение сдвига частоты оптического излучения (Используется АОЯ с геометрией взаимодействия, соответствующей геометрии акустооптического дефлектора). При этом продифрагировавший луч изменит направление распространения относительно направления падающего луча. Угол отклонения продифрагировавшего луча зависит от частоты оптического излучения и частоты ультразвуковой волны. В линейном приближении угол отклонения пропорционален частоте ультразвуковой волны. Затем продифрагировавшее излучение попадает во вторую АОЯ, идентичную первой, но развернутой на 180° относительно оси, перпендикулярной плоскости АО взаимодействия. Во второй АОЯ происходит обратная АО дифракция, и продифрагировавший оптический луч снова меняет поляризацию. При этом частота оптического излучения еще раз сдвигается на частоту ультразвуковой волны. Таким образом, частота оптического излучения оказывается сдвинутой на удвоенную частоту ультразвуковой волны. Так как геометрия АО взаимодействия во второй АОЯ такая же, как и в первой АОЯ, то второй раз продифрагировавшее излучение обладает тем же направлением распространения, что и излучение, падающее на первую АОЯ. Так как используются АОЯ с геометрией АО взаимодействия, соответствующей геометрии АО дефлектора, то для заданной длины волны лазерного излучения можно осуществлять эффективное АО взаимодействие в широкой полосе звуковых частот. В результате частоту излучения лазерного луча, без изменения его направления можно изменять на удвоенную частоту ультразвуковой волны, возбуждаемой в АО ячейках. В случае использования для АО ячеек оптически положительных кристаллов, поляризация падающего на ДАОСЧ излучения и поляризация, выходящая с ДАОСЧ, необыкновенная, для АО ячеек оптически отрицательных кристаллов поляризация входного и выходного излучения обыкновенная. Так как нельзя гарантировать 100% эффективность АО дифракции на выходе из первой АОЯ, возможно наличие непродифрагировшего излучения. Для того чтобы в дальнейшем оно не смешивалось с дважды продифрагировашим излучением, его следует подавить. Это можно сделать или пространственной (например, диафрагма) или поляризационной селекцией прямого и продифрагировшего излучения. При подавлении прямого луча между двумя АОЯ, на выходе из второй АОЯ также есть излучение, дважды продифрагировшее (полезная часть излучения), излучение, которое продифрагировала только один раз. Но на выходе ДАОСЧ достаточно применить пространственную селекцию, так как между направлением распространения этих лучей достаточно большой угол (угол АО дифракции). Эту же процедуру - последовательной дифракции - можно выполнить и на одной АОЯ, пространственно разделив первый и второй проход АОЯ, например, с помощью призменного отражателя. Неудобство такой конструкции заключается в том, что необходимо использовать призменный отражатель и затруднительно добиться одинаково высокой эффективности дифракции на разных пространственно разделенных участках АОЯ, тем более в полосе частот.The device operates as follows. Optical radiation (laser beam) sequentially passes through the first AOI, undergoes acousto-optical diffraction, then the non-diffracted part of the radiation is cut off by a selective element, then it enters the second AOI, where the AO diffraction process once again occurs. In this case, a beam of extraordinary polarization (for an optically positive crystal) enters the first AOI and, as a result of acousto-optical diffraction, transforms into ordinary polarization. In the case of an optically negative crystal, the input radiation of ordinary polarization, diffracted extraordinary. The radiation frequency in this case is shifted relative to the frequency of the incident radiation by the frequency of the ultrasonic wave excited in the AOI. By choosing the direction of light propagation, one can obtain both positive and negative values of the frequency shift of the optical radiation (AOI is used with the interaction geometry corresponding to the geometry of the acousto-optical deflector). In this case, the diffracted beam will change the direction of propagation relative to the direction of the incident beam. The deflection angle of the diffracted beam depends on the frequency of the optical radiation and the frequency of the ultrasonic wave. In the linear approximation, the deflection angle is proportional to the frequency of the ultrasonic wave. Then, the diffracted radiation enters the second AOI, which is identical to the first, but rotated 180 ° relative to the axis perpendicular to the plane of the AO interaction. In the second AOI, reverse AO diffraction occurs, and the diffracted optical beam changes polarization again. In this case, the frequency of the optical radiation is once again shifted by the frequency of the ultrasonic wave. Thus, the frequency of the optical radiation is shifted to twice the frequency of the ultrasonic wave. Since the geometry of the AO interaction in the second AOI is the same as in the first AOA, the second time the diffracted radiation has the same propagation direction as the radiation incident on the first AOI. Since AOIs are used with the AO interaction geometry corresponding to the AO geometry of the deflector, for a given wavelength of laser radiation it is possible to carry out effective AO interaction in a wide band of sound frequencies. As a result, the frequency of the laser beam without changing its direction can be changed to twice the frequency of the ultrasonic wave excited in the AO cells. In the case of using optically positive crystals for AO cells, the polarization of the radiation incident on the DAOCH and the polarization coming out from the DAOCH is unusual, for the AO cells of optically negative crystals, the polarization of the input and output radiation is ordinary. Since it is impossible to guarantee 100% efficiency of AO diffraction at the exit from the first AOI, the presence of non-diffracted radiation is possible. In order for it not to be mixed with double-diffracted radiation in the future, it should be suppressed. This can be done either by spatial (for example, a diaphragm) or polarization selection of direct and diffracted radiation. When suppressing a direct beam between two AOIs, at the output of the second AOI there is also radiation that has twice diffracted (the useful part of the radiation), radiation that has diffracted only once. But at the output of DAOCH it is enough to apply spatial selection, since there is a rather large angle between the direction of propagation of these rays (angle of diffraction AO). The same procedure - sequential diffraction - can be performed on one AOI, by spatially separating the first and second pass of the AOI, for example, using a prism reflector. The disadvantage of this design is that it is necessary to use a prism reflector and it is difficult to achieve equally high diffraction efficiency in different spatially separated sections of the AOI, especially in the frequency band.

Возможна схема двухкристального акустооптического сдвигателя частоты, в котором роль поляризатора выполняет последовательное полное внутреннее отражение с угловым разведением пучков различных поляризации в первой АОЯ и прохождение света с обыкновенной поляризацией через скошенные грани первой и второй АОЯ.A scheme of a two-crystal acousto-optical frequency shifter is possible, in which the role of the polarizer is performed by sequential total internal reflection with angular dilution of beams of different polarizations in the first AOI and the passage of light with ordinary polarization through the beveled faces of the first and second AOI.

В случае двухкристального АОСЧ, корректировкой эффективности дифракции в каждой точке спектрального диапазона можно на каждой АОЯ управлять независимо. При использовании в качестве материала АОЯ кристаллического парателлурита (являющегося оптически положительным кристаллом) входная и выходная поляризации - необыкновенные, один раз продифрагировавшее излучение обладает обыкновенной поляризацией. В случае, если направления распространения падающего и дифрагированного излучения близки к оптической оси кристалла, собственные поляризации уже не линейные, а обладают эллиптичностью, что необходимо учитывать при построении ДАОСЧ. Трудности при значительной эллиптичности могут превалировать над положительным эффектом такой схемы. Эти проблемы существуют в любом анизотропном сдвигателе частоты и могут возникнуть при малых значениях сдвига частоты.In the case of a dual-crystal AOSC, adjusting the diffraction efficiency at each point of the spectral range can be independently controlled on each AOI. When crystalline paratellurite (which is an optically positive crystal) is used as the AOI material, the input and output polarizations are extraordinary, once diffracted radiation has an ordinary polarization. If the directions of propagation of the incident and diffracted radiation are close to the optical axis of the crystal, the intrinsic polarizations are no longer linear, but have ellipticity, which must be taken into account when constructing the DASF. Difficulties with significant ellipticity may prevail over the positive effect of such a scheme. These problems exist in any anisotropic frequency shifter and can occur at small values of the frequency shift.

Claims (4)

1. Двухкристальный акустооптический сдвигатель частоты оптического излучения с двукратным сдвигом по частоте и стабильностью углового положения выходного пучка, отличающийся тем, что стабильность углового положения выходного пучка света обеспечивается последовательной дифракцией светового пучка в двух, симметрично расположенных акустооптических ячейках с одинаковой геометрией акустооптического взаимодействия, при этом между ячейками устанавливается устройство подавления непродифрагировавшей в первой ячейке части пучка света с поляризацией, аналогичной поляризации входного пучка.1. Two-crystal acousto-optic frequency shifter of optical radiation with a double frequency shift and stability of the angular position of the output beam, characterized in that the stability of the angular position of the output light beam is ensured by successive diffraction of the light beam in two symmetrically located acousto-optic cells with the same geometry of acousto-optical interaction, between the cells, a device for suppressing the part of the light beam that has not been diffracted in the first cell with polarization, similar to the polarization of the input beam. 2. Устройство по п. 1, отличающийся тем, что в качестве устройства подавления непродифрагировавшей в первой ячейке части пучка света используется поляризатор.2. The device according to claim 1, characterized in that a polarizer is used as a device for suppressing a part of the light beam that has not been diffracted in the first cell. 3. Устройство по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала акустооптической ячейки используется кристалл парателлурита.3. The device according to claim 1, characterized in that a paratellurite crystal is used as the material of the acousto-optical cell. 4. Устройство по п. 1, отличающийся тем, что роль устройства подавления непродифрагировавшего пучка выполняет акустооптическая ячейка, выполненная таким образом, что последовательное отражение от одной грани и прохождение света через другую грань из первой акустооптической ячейки во вторую акустооптическую ячейку обеспечивает подавление не продифрагировавшего излучения в первой акустооптической ячейке.4. The device according to claim 1, characterized in that the role of the device for suppressing the non-diffracted beam is played by an acousto-optic cell, made in such a way that successive reflection from one face and the passage of light through another face from the first acousto-optic cell to the second acousto-optic cell suppresses non-diffracted radiation in the first acousto-optical cell.

Images