Практически ни один современный оптико-электронный
прибор не обходится без модулятора. Модулятор воздействует на основные
характеристики световой волны: частоту, фазу или амплитуду, заставляя их
изменяться по определенному закону. Какие же преимущества дает работа с
модулированным излучением? Модулятор, например, позволяет разделить
полезный сигнал и фон и тем самым с большей эффективностью выделить
полезную информацию. В результате повышается чувствительность и точность
прибора.
В начале главы рассмотрены такие явления, как оптическая активность и
двулучепреломление. Какую же роль эти явления играют в модуляторах
света?
Обычно модулируют линейно поляризованный свет. Например, в ход луча
попеременно вводят пластины из право- и левовращающего кварца (рис. 57,
а). Пластины вырезают равной толщины перпендикулярно оптической оси
кристалла. Попеременное введение их в поток света вызывает качание
вектора поляризации. Затем свет пропускают через анализатор. Что при
этом происходит! Вспомним закон Малюса. Интенсивность потока,
пропущенного анализатором, зависит от угла между вектором поляризации
света и направлением пропускания анализатора.
Поскольку этот угол переменный, то интенсивность света модулируется.
Тот же эффект качания вектора поляризации можно получить, используя не
оптическую активность кварца, а его дву-лучепреломление. Для этого в ход
луча попеременно вводят две полуволновые пластины, оптические оси
которых развернуты в разные стороны в виде веера относительно вектора
поляризации излучения (рис. 57, б). Иногда, чтобы промодули-ровать
интенсивность излучения, качают или вращают поляризатор. Описанные
приемы используют в так называемых оптико-механических модуляторах. Эти
модуляторы, как правило, приводятся в действие электрическими
двигателями и дают невысокую частоту модуляции (несколько сотен герц).
В современной технике, особенно в таких ее областях, как
волоконно-оптические линии связи, голография, оптические счетные машины,
нужна частота десятки и сотни мегагерц, которую невозможно получить
никакими механическими методами. На помощь приходят оптическая
активность и двулучепреломление, управляемые электрическим или магнитным
полями.
Как электрооптические, так и магнитооптические модуляторы практически
безынерционны. Качание вектора поляризации, например, можно получить,
используя магнитооптический эффект Фарадея. Для этого свет пропускают
сквозь магнитоактивную среду, помещенную в переменное магнитное поле
(рис. 58). Такой средой могут быть магнитоактивные стекла или
синтезированные кристаллы феррограната, иттриевого феррограната,
ортоферрита. Модулятор Фарадея - один из самых перспективных и широко
применяется в оптико-электронной промышленности.
Рис. 57. Оптико-механические модуляторы: а -
модулятор в виде двух пластин из правовращающего (1) и левовращающего
(2) кварца; б - модулятор из двух полуволновых пластин (3): О -
оптическая ось кварца; Е и Е' - векторы поляризации падающего и
прошедшего через модулятор света соответственно
Тот же эффект качания вектора поляризации можно получить, используя
электрогирационный модулятор. Представим себе кристалл, оптическая
активность которого меняется под воздействием не магнитного, а
электрического поля. Им может быть кварц, кристаллы LUO3, NaBr03 или
сигнетоэлектрики. Это новый тип модулятора, значительно превосходящий
модулятор Фарадея по амплитуде модуляции. Возможности его еще
недостаточно изучены, но надо полагать, что он найдет широкое применение
в промышленности.
В модуляторах Фарадея и электрогира-ционном под воздействием
электрического или магнитного поля изменяется оптическая активность
вещества. Наряду с ними существуют модуляторы, в которых электрический
сигнал управляет двулучепреломлением вещества. Это электрооптические
модуляторы Керра и Поккельса (рис. 59).
В модуляторе Поккельса показатель двулучепреломления вещества меняется
пропорционально напряжённости управляющего поля, в то время как в
модуляторе Керра эта зависимость квадратичная. Эти модуляторы,
воздействуя на фазу световой волны, изменяют ее поляризационные
характеристики. За каждый период модуляции свет принимает
последовательно все формы поляризации - линейную, эллиптическую,
круговую. Чтобы перейти от фазовой к амплитудной модуляции, т. е. чтобы
промодулировать интенсивность, свет пропускают через анализатор.
Двулучепреломляющие свойства кристаллов используют и в акустоопгическом
модуляторе, называемом также фотоупругим. Изготовляют акустооптический
модулятор из двух пластин - кварцевой и пьезоэлектрической (рис. 60, а).
Иногда вместо плавленого кварца используют кристаллы ниобата лития,
арсенида кальция или феррограната. Принцип действия модулятора такой
же, как и электрооптического. Разница лишь в том, что
двулуче-преломление в среде создается под действием механических
напряжений пьезокерамики, а не электрического поля.
В двулучепреломляющих модуляторах, как электро-, так и акустооптических,
активная среда однородна по всей толщине. Но можно создать такие
условия, чтобы показатель преломления среды изменялся в пространстве по
периодическому закону. Для этого в электрооптических модуляторах
электродам придают определенную форму, например, пилообразную (рис. 60,
б). В акустооптических модуляторах это достигается с помощью
акустической волны. Под ее воздействием в среде возникают сжатые и
разреженные зоны. Плотность, а следовательно, и показатель преломления в
этих зонах неодинаковы. Свет проходит через такую среду, как через
дифракционную решетку. Его энергия перераспределяется в пространстве.
Попадая на экран, такой свет образует чередующиеся темные и светлые
полосы. Изменяется и другой параметр света - частота. Эти изменения
тесно связаны с
частотой колебаний акустической волны. Если волна бегущая, то создается
эффект движущейся дифракционной решетки, модулирующей частоту света. Так
работают дифракционные модуляторы.
Рис. 59. Электрооптические модуляторы: а. б -
продольный и поперечный эффекты (U - электрическое напряжение: Е -
напряженность электрического поля)
Рис. 60. Акустооптические модуляторы: а -
двулучепреломляющий; б - дифракционный: 1 - пластина из плавленного
кварца; 2 - электрод